CN111537173B - 一种基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微电子产品评估技术领域，公开了一种基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法，包括：在物体实体跌落冲击试验机的测试点处设置传感器，采集微电子产品跌落的物理测试数据；构建联合仿真数字模型，采集联合仿真数字模型的虚拟测试数据；将物理测试数据与虚拟测试数据进行融合，对融合信息进行特征提取，构建孪生数据库；对孪生数据库的数字孪生模型的可信度进行判断，采用数字孪生模型对微电子产品的抗跌落冲击能力进行评估。本发明解决了现有技术中无法对微电子产品跌落冲击进行准确评估的问题，并能够有效地对微电子产品的抗冲击能力进行测试。

Description

一种基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法

技术领域

本发明涉及微电子产品评估技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法。

背景技术

近些年来，伴随着数字化时代的快速发展，微电子产品在现代社会的生产、生活中发挥着越来越重要的作用在使用电子产品时，经常出现意外跌落的情况，这就需要研究微电子产品在受到跌落冲击后的抗破坏的能力。据大量调研数据表明，有超过80％的产品损坏是因为跌落或碰撞直接或间接导致损坏的，确切地说，跌落冲击是损坏产品最主要的因素之一。

在电子行业中，为了保证微电子产品的抗冲击性能，一般要求产品通过某种通用的标准测试，标准测试中最常用的方法包括跌落试验和冲击试验两种。

在工业生产中，对微电子产品的抗冲击能力的监测通常采取冲击脉冲成型法，用简单脉冲产生的冲击效果来模拟实际的冲击环境。然而，在实际环境中产生的冲击是一种复杂的瞬态振动或是变化的持续时间的复杂冲击，现有技术采用的冲击脉冲成型法不能准确地模拟实际冲击环境。

近几年来许多学者针对数字孪生(Digital Twins)技术在机械行业中的应用进行了研究，目前基于数字孪生的产品数字化装配建模与仿真技术主要应用在智能车间孪生体建模和产品故障检测与诊断两个方面，并没有出现在微电子产品跌落冲击方面的研究。

发明内容

本申请实施例通过提供一种基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法，解决了现有技术中无法对微电子产品跌落冲击进行准确评估的问题。

本申请实施例提供一种基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法，包括以下步骤：

步骤1、在物体实体跌落冲击试验机的测试点处设置传感器，采集微电子产品跌落的物理测试数据；

步骤2、构建联合仿真数字模型，采集所述联合仿真数字模型的虚拟测试数据；所述联合仿真数字模型用于真实映射物体实体跌落冲击试验机、微电子产品；

步骤3、将所述物理测试数据与所述虚拟测试数据进行融合，得到融合信息；对所述融合信息进行特征提取，构建孪生数据库；

步骤4、对所述孪生数据库的数字孪生模型的可信度进行判断；若可信度判定为“是”，则采用所述数字孪生模型对微电子产品的抗跌落冲击能力进行评估；若可信度判定为“否”，则通过VV&A过程对所述数字孪生模型进行校核、验证、确认，再采用所述数字孪生模型对微电子产品的抗跌落冲击能力进行评估。

优选的，所述步骤1中，所述物体实体跌落冲击试验机上安装有力传感器、测压传感器、加速度传感器。

优选的，所述步骤2中，所述联合仿真数字模型包括三维结构模型、动力学模型、有限元模型；

所述三维结构模型包括物理实体跌落冲击试验机的尺寸参数、材料参数，包括微电子产品的尺寸参数、材料参数；

所述动力学模型包括微电子产品的下落速度信息、加速度信息、冲击力信息；

所述有限元模型包括物理实体跌落冲击试验机、微电子产品的输入文件信息；所述输入文件信息包括材料属性信息、边界函数信息、所受载荷信息。

优选的，所述步骤2还包括：基于所述联合仿真数字模型建立信息通道；

所述信息通道用于实现所述物体实体跌落冲击试验机、所述联合仿真数字模型中的虚拟冲击试验机两者产生的数据的信息交互优化、迭代交互优化。

优选的，所述步骤1中还包括：通过冲击可靠性分析系统对所述物理测试数据进行实时监测。

优选的，所述步骤2中还包括：通过冲击可靠性分析系统对所述虚拟测试数据进行实时监测。

优选的，所述步骤3中还包括：通过冲击可靠性分析系统分析所述物理测试数据与所述虚拟测试数据，并驱动所述孪生数据库。

优选的，所述步骤4中，对所述数字孪生模型的可信度进行判断的实现方式为：

运用所述数字孪生模型进行仿真试验，得到仿真结果；

运用所述物体实体跌落冲击试验机进行实际试验，得到实际结果；

预设偏差阈值；

若所述仿真结果与所述实际结果之间的差值小于所述预设偏差阈值，则将可信度判定为“是”；否则，将可信度判定为“否”。

优选的，所述步骤4中，采用所述数字孪生模型对微电子产品的抗跌落冲击能力进行评估包括：对所述联合仿真数字模型中生成的微电子产品在不同自由度下所受损伤的仿真数据进行分析，评估微电子产品的抗跌落冲击性能。

优选的，所述评估微电子产品的抗跌落冲击性能包括：获得微电子产品在跌落时所能承受的最大坠落高度，获得微电子产品在跌落时所能承受的最大冲击强度。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，在物体实体跌落冲击试验机的测试点处设置传感器，采集微电子产品跌落的物理测试数据；构建联合仿真数字模型，采集联合仿真数字模型的虚拟测试数据；将物理测试数据与虚拟测试数据进行融合，对融合信息进行特征提取，构建孪生数据库；对孪生数据库的数字孪生模型的可信度进行判断，采用数字孪生模型对微电子产品的抗跌落冲击能力进行评估。即本发明建立物体实体跌落冲击试验机和微电子产品的数字孪生体，将物理世界的参数反馈到数字世界，完成仿真验证与动态，采用VV&A工具的冲击可靠性评估系统来准确仿真、评估电子产品的跌落冲击可靠性，由于在数字孪生的具体手段上增加对模型的校核、验证、确认，因此使数字孪生模型更加准确。本发明利用数字孪生技术准确地模拟真实环境下的跌落冲击，并能够有效地对微电子产品的抗冲击能力进行测试，能够发现不合格的失效产品，也为产品外壳、屏幕及零部件材料的选择，外形设计方面提供可靠的参考，从而提高产品合格率，降低生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法中孪生数据库对数据进行处理的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法中物理实体跌落冲击机的有限元模型。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供了一种基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法，参看图1，包括以下步骤：

步骤1、在物体实体跌落冲击试验机的测试点处设置传感器，采集微电子产品跌落的物理测试数据。

其中，所述物体实体跌落冲击试验机上安装有力传感器、测压传感器、加速度传感器。

此外，通过冲击可靠性分析系统对所述物理测试数据进行实时监测。

步骤2、构建联合仿真数字模型，采集所述联合仿真数字模型的虚拟测试数据；所述联合仿真数字模型用于真实映射物体实体跌落冲击试验机、微电子产品。

其中，所述联合仿真数字模型包括三维结构模型、动力学模型、有限元模型。所述三维结构模型包括物理实体跌落冲击试验机的尺寸参数、材料参数，包括微电子产品的尺寸参数、材料参数；所述动力学模型包括微电子产品的下落速度信息、加速度信息、冲击力信息；所述有限元模型包括物理实体跌落冲击试验机、微电子产品的输入文件信息；所述输入文件信息包括材料属性信息、边界函数信息、所受载荷信息。

此外，基于所述联合仿真数字模型还建立了信息通道。所述信息通道用于实现所述物体实体跌落冲击试验机、所述联合仿真数字模型中的虚拟冲击试验机两者产生的数据的信息交互优化、迭代交互优化。

通过冲击可靠性分析系统对所述虚拟测试数据进行实时监测。

步骤3、将所述物理测试数据与所述虚拟测试数据进行融合，得到融合信息；对所述融合信息进行特征提取，构建孪生数据库。

此外，通过冲击可靠性分析系统分析所述物理测试数据与所述虚拟测试数据，并驱动所述孪生数据库。

步骤4、对所述孪生数据库的数字孪生模型的可信度进行判断；若可信度判定为“是”，则采用所述数字孪生模型对微电子产品的抗跌落冲击能力进行评估；若可信度判定为“否”，则通过VV&A过程对所述数字孪生模型进行校核、验证、确认，再采用所述数字孪生模型对微电子产品的抗跌落冲击能力进行评估。

具体的，运用所述数字孪生模型进行仿真试验，得到仿真结果；运用所述物体实体跌落冲击试验机进行实际试验，得到实际结果；预设偏差阈值；若所述仿真结果与所述实际结果之间的差值小于所述预设偏差阈值，则将可信度判定为“是”；否则，将可信度判定为“否”。

具体的，采用所述数字孪生模型对微电子产品的抗跌落冲击能力进行评估包括：对所述联合仿真数字模型中生成的微电子产品在不同自由度下所受损伤的仿真数据进行分析，评估微电子产品的抗跌落冲击性能。

所述评估微电子产品的抗跌落冲击性能包括：获得微电子产品在跌落时所能承受的最大坠落高度，获得微电子产品在跌落时所能承受的最大冲击强度。

下面对本发明做进一步的说明。

本实施例提供的一种基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法，采用数字孪生技术，建立跌落冲击试验机的数字模型进行模拟冲击试验，同时对仿真模型进行校核、验证与确认(VV&A)，对数字模型中的微电子产品跌落冲击可靠性进行评估，具体包括以下几个方面：

(1)建立联合仿真数字模型。所述联合仿真数字模型是能够真实映射物理实体跌落冲击试验机和微电子产品的数字模型，所述联合仿真数字模型包括物理实体跌落冲击试验机与微电子产品的三维结构模型、动力学模型、有限元模型。物理实体跌落冲击机的有限元模型见附图2。

其中，所述三维结构模型包含物理实体跌落冲击试验机以及微电子产品的尺寸、材料等参数；例如，材料参数说明其是何种材料和材料的密度等信息。所述动力学模型包含来自安装在物理实体跌落冲击试验机上的速度传感器所测得的微电子产品的下落速度，加速度传感器测得的微电子产品的加速度，力传感器测得的微电子产品的冲击力的信息。所述有限元模型包含物理实体跌落冲击试验机与电子产品在材料属性、边界函数、所受载荷等输入文件信息；材料属性信息包括弹性模量、泊松比材料摩擦系数，材料阻尼系数等。

(2)建立体现工程分析人员决策优化的信息通道。所述信息通道可实现虚拟冲击试验机与冲击可靠性分析系统，物理实体跌落冲击试验机与冲击可靠性分析系统，以及虚拟冲击试验机与物理实体跌落冲击试验机两者产生的数据间的信息交互与迭代交互优化。产生的数据包括静态数据与动态数据。

其中，所述静态数据采集物理实体跌落冲击试验机的几何尺寸、形状、物理实体跌落冲击试验机各部分结构关系、跌落时微电子产品的不同自由度，所述动态数据包括借助于安装在物理实体跌落冲击试验机上的加速度传感器、测压传感器、智能眼实时监测和传输所获得的微电子产品的载荷、加速度、力、和时间等信息。

(3)建立孪生数据库。孪生数据库不但对联合仿真数字模型、信息通道传输的数据进行审核(例如，检查原始数据中是否存在错误，是否存在异常值或数据是否有遗漏)，还对数据进行调度、储存和处理，并将相关信息反映给冲击可靠性分析系统。

所述孪生数据库的处理流程如图1所示。VV&A工具可应用基于神经网络的模型VV&A工具。首先对采集到的物理实体跌落冲击试验机的数据以及联合仿真数字模型的数据进行数据融合，再根据融合后的数据进行特征提取，从而构建出可以支持冲击可靠性评估的模型库(即孪生数据库)。然后对模型库里的各个模型进行可信度判定。判定时根据运用数据库里的具体模型进行仿真试验与实际试验结果之间的偏差，设置一个合适的偏差阈值，如果仿真与实际之间的偏差小于这个偏差阈值，则可信度为“是”，如果大于则可信度为“否”。因此，若可信度判定为“是”，则可使用数据库里的具体模型进行冲击可靠性能力评估；若可信度判定为“否”，则使用VV&A工具进行数据库里的具体模型的VV&A过程，通过VV&A过程可使用数据库里的具体模型进行跌落冲击可靠性能力评估。

(4)加入冲击可靠性分析系统。所述冲击可靠性系统可实时监测联合仿真数字模型进行仿真、调参、监测环节的数据以及物体实体跌落冲击试验机的数据。在抗冲击性评估过程中，进一步的，冲击可靠性分析系统通过分析联合仿真数字模型和物理实体跌落冲击试验机产生的数据，所述冲击可靠性分析系统驱动所述孪生数据库对微电子产品的抗跌落冲击能力进行评估。

要达到联合仿真数字模型能够真实映射物理实体，即在各监测点实时监测物理实体跌落冲击试验机的试验过程中的各项参数，包括微电子产品跌落过程中以及冲击时所受的力、速度和加速度；微电子产品冲击时物理实体跌落冲击试验机受到的冲击载荷。在冲击台下安装力传感器，可以捕捉瞬态的力信号，用来测量撞击时力的大小。测压传感器安装在冲击台下面，加速度传感器安装在监测点处。传感器和计算机中的数据采集卡相连接，由采集卡记录冲击试验数据，包括载荷、加速度、力、时间等。

综上，本发明运用数字孪生技术通过数字化方式创建联合仿真数字模型，通过试验模拟，对联合仿真数字模型生成的电子产品在不同自由度下所受损伤仿真数据的分析(主要评估微电子产品在跌落时所能承受的坠落高度以及耐冲击强度)，推测微电子产品跌落冲击试验结果，评估其抗跌落冲击能力。通过孪生数据交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段实现实时交互，以保证各部分间的一致性与迭代优化。

本发明实施例提供的一种基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法至少包括如下技术效果：

通过建立实体冲击试验机和微电子产品的数字孪生体，将物理世界的参数反馈到数字世界，完成仿真验证与动态，采用VV&A工具的冲击可靠性评估系统来准确仿真、评估电子产品的跌落冲击可靠性，由于在数字孪生的具体手段上增加对模型的校核、验证、确认，因此使数字孪生模型更加准确。本发明利用数字孪生技术准确地模拟真实环境下的跌落冲击，并能够有效地对微电子产品的抗冲击能力进行测试，能够发现不合格的失效产品，也为产品外壳、屏幕及零部件材料的选择，外形设计方面提供可靠的参考，从而提高产品合格率，降低生产成本。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在物理实体跌落冲击试验机的测试点处设置传感器，采集微电子产品跌落的物理测试数据；

通过冲击可靠性分析系统对所述物理测试数据进行实时监测；

步骤2、构建联合仿真数字模型，采集所述联合仿真数字模型的虚拟测试数据；所述联合仿真数字模型用于真实映射物理实体跌落冲击试验机、微电子产品；所述联合仿真数字模型包括三维结构模型、动力学模型、有限元模型；

通过所述冲击可靠性分析系统对所述虚拟测试数据进行实时监测；

基于所述联合仿真数字模型建立信息通道；所述信息通道用于实现所述联合仿真数字模型中的虚拟冲击试验机与所述冲击可靠性分析系统，所述物理实体跌落冲击试验机与所述冲击可靠性分析系统，以及所述虚拟冲击试验机与所述物理实体跌落冲击试验机两者产生的数据间的信息交互与迭代交互优化；

步骤3、将所述物理测试数据与所述虚拟测试数据进行融合，得到融合信息；对所述融合信息进行特征提取，构建孪生数据库；

通过所述冲击可靠性分析系统分析所述物理测试数据与所述虚拟测试数据，并驱动所述孪生数据库；

步骤4、对所述孪生数据库的数字孪生模型的可信度进行判断；若可信度判定为“是”，则采用所述数字孪生模型对微电子产品的抗跌落冲击能力进行评估；若可信度判定为“否”，则通过VV&A过程对所述数字孪生模型进行校核、验证、确认，再采用所述数字孪生模型对微电子产品的抗跌落冲击能力进行评估。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤1中，所述物理实体跌落冲击试验机上安装有力传感器、测压传感器、加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法，其特征在于，所述三维结构模型包括物理实体跌落冲击试验机的尺寸参数、材料参数，包括微电子产品的尺寸参数、材料参数；

所述动力学模型包括微电子产品的下落速度信息、加速度信息、冲击力信息；

所述有限元模型包括物理实体跌落冲击试验机、微电子产品的输入文件信息；所述输入文件信息包括材料属性信息、边界函数信息、所受载荷信息。

4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤4中，对所述数字孪生模型的可信度进行判断的实现方式为：

运用所述数字孪生模型进行仿真试验，得到仿真结果；

运用所述物理实体跌落冲击试验机进行实际试验，得到实际结果；

预设偏差阈值；

若所述仿真结果与所述实际结果之间的差值小于所述预设偏差阈值，则将可信度判定为“是”；否则，将可信度判定为“否”。

5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤4中，采用所述数字孪生模型对微电子产品的抗跌落冲击能力进行评估包括：对所述联合仿真数字模型中生成的微电子产品在不同自由度下所受损伤的仿真数据进行分析，评估微电子产品的抗跌落冲击性能。

6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的微电子产品跌落冲击可靠性评估方法，其特征在于，所述评估微电子产品的抗跌落冲击性能包括：获得微电子产品在跌落时所能承受的最大坠落高度，获得微电子产品在跌落时所能承受的最大冲击强度。

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