CN112989723A - 基于多物理场仿真的多喷头喷淋设备设计方法 - Google Patents

基于多物理场仿真的多喷头喷淋设备设计方法 Download PDF

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Abstract

一种基于多物理场仿真的多喷头阵列喷淋设备设计方法，包含如下步骤：S1.建立多喷头喷淋设备参数数据库、工艺参数数据库；S2.基于多喷头喷淋设备参数数据库，建立多喷头阵列喷淋设备几何模型；S3.应用仿真软件进行多物理场耦合仿真计算，基于工艺参数数据库设置流体参数和边界条件，耦合计算蚀刻液的流体场、温度场、浓度场结果；S4.分析耦合计算结果在特定高度范围上的数值分布，若误差在允许范围内，则进行S5，否则，返回S1步骤修改多喷头喷淋设备参数数据库；S5.建立不同的工艺参数数据库对应的多喷头喷淋设备参数数据模型。本发明提供的方法基于数值仿真方法，能够显著降低设备的设计成本以及设计周期。

Description

基于多物理场仿真的多喷头喷淋设备设计方法
技术领域
本发明涉及柔性印刷电路板制造领域，尤其涉及柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真方法。
背景技术
柔性印刷电路板(FPCB)由绝缘薄膜、导体与粘结剂三部分组成，其基本结构一般有单面板结构、双面板结构、多层板结构以及软硬结合版结构等，与硬性印刷电路板相比，具有质量轻，厚度薄，线路分布密集，自由曲折度高等优点。FPCB技术最初是由上世纪美国航空航天领域发展而产生的一门技术，如今，在汽车电子、个人移动设备和机器人等领域都有广泛的应用。柔性印刷电路板柔性、精密性与可批量制造的特点使其在智能制造的地位日益凸显，发展柔性印刷电路板产业与技术具有重要的意义。
柔性印刷电路板的加工需要经历多个步骤，而其生产线则由曝光、显影、蚀刻与化锡四个关键的环节组成。近来，随着超高清面板市场的增长和柔性屏技术的发展，电路板的设计日趋精度化和密度化，对设计与制造工艺提出了更高的要求。柔性印刷电路板制造工艺中的蚀刻工艺仍处于发展阶段，喷淋设备技术仍未完备，同时，喷淋设备设计层面缺乏相关的理论研究与实际经验，从设备设计这一方面提高柔性印刷电路板蚀刻精度的方法有巨大的需求缺口。目前，柔性印刷电路板蚀刻设备设计方法仍以传统方法为主，即根据固定的的喷淋设备数据库设计出具体的喷淋设备，再根据实际蚀刻的效果，不断调整蚀刻的工艺参数。这种设计方法生产出的设备，一旦在实际生产中运用时发现设备参数错误，往往需要重新制造或者耗费大量时间调试蚀刻液的工艺参数，造成时间、人力的浪费与经济的损失。
发展新型的喷淋设备设计方法，尤其是具有多喷头阵列喷淋设备设计方法，能够预先模拟实际生产情况，进而调整设备工艺参数，提升良品率，具有非常重要的显示意义。另外，多喷头阵列喷淋设备能够显著提升生产效率，提高生产线的产能，其喷淋均匀性的提升对于产线数字化控制有着积极意义。
发明内容
本发明提出一种基于多物理场耦合的多喷头阵列喷淋设备设计方法，建立多喷头阵列喷淋设备的流体运动模型、温度分布模型、浓度分布模型，通过仿真模拟的方法计算多喷头喷淋设备理论模型的相关物理结果的分布状态，进而调整设备模型的结构尺寸等参数，从而达到喷淋效果均匀的最佳效果。
根据本发明实施例的一方面，一种基于多物理场仿真的多喷头喷淋设备设计方法，包括：
步骤S1，运用动态数据建模的方法，建立工艺参数数据库、多喷头喷淋设备参数数据库并设置初始供液管管径尺寸及其空间位置和喷头数量；
步骤S2，基于所述多喷头喷淋设备参数数据库，运用建模软件创建喷淋设备的几何结构；
步骤S3，将创建的所述喷淋设备的几何结构导入多物理场耦合仿真软件进行仿真模拟，基于所述工艺参数数据库设置流体参数和边界条件，对阵列喷淋设备的供液管划分网格，基于k-ε湍流模型计算蚀刻液流体场分布，基于非等温流动流体传热模型计算蚀刻液温度场分布，基于稀物质传递模型计算蚀刻液浓度场分布；
步骤S4，分析流体场、温度场、浓度场在特定高度范围上的数值分布，若在误差允许范围内，仿真结果的数值呈现出均匀分布，则进行步骤S5；否则，返回S1步骤调节所述多喷头喷淋设备参数数据库的供液管管径尺寸及其空间位置、喷头数量，再依次进行各步骤；
步骤S5，基于仿真结果的蚀刻液喷淋压力、蚀刻液温度、蚀刻液浓度的分布情况与分析，针对不同的工艺参数数据库输出对应的多喷头喷淋设备参数数据库。
在一些示例中，所述多喷头喷淋设备参数数据库包括供液管入口的内径尺寸、数量及其空间位置，供液管的管径尺寸，喷头的数量、空间位置、喷射张角。
在一些示例中，所述工艺参数数据库包括蚀刻液的动力学参数：流体速度、压力、湍流动能、湍流耗散率、粘度系数，热力学参数：导热系数、比热容、初始温度，物理状态参数：蚀刻液浓度、密度。
在一些示例中，流体场边界条件包括入口处蚀刻液速度、湍流强度、湍流耗散率；温度场边界条件包括蚀刻液初始温度；浓度场边界条件包括蚀刻液初始浓度。
在一些示例中，流体场仿真模拟基于标准k-ε湍流模型，根据动量守恒的纳维—斯托克斯方程和质量守恒的连续性方程进行计算；温度场仿真模拟基于流体传热模型，根据对流—扩散方程进行计算；浓度场仿真模拟基于稀物质传递模型，以菲克定律描述的扩散、与流体流动耦合的对流作为驱动力进行计算。
在一些示例中，所述步骤S1建立基于生产经验的初始多喷头喷淋设备参数数据库、建立基于实际生产需求的初始工艺参数数据库，通过多物理场耦合仿真与所述步骤S4的分析建立针对不同的工艺参数数据库对应的符合实际生产需求的多喷头喷淋设备参数数据库。
本发明提供的方法基于流体场—温度场—浓度场耦合仿真，能在较大程度上模拟喷淋过程中的真实情况，有效地提高喷淋蚀刻的精度；另外，本发明提供的方法基于数值仿真方法，能够显著降低设备的设计成本以及设计周期，节省了人力物力，提高企业蚀刻生产线的经济效益，也为企业提供了一种可靠的设计方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是根据本发明一实施例的柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真方法流程图。
图2是根据本发明一实施例的柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真方法的数据交互与系统框架图。
图3是根据本发明一实施例的基于多物理场仿真的多喷头阵列喷淋设备仿真方法的示意图。
具体实施方式
多喷头阵列喷淋设备可以有效地将喷淋过程中蚀刻液液滴的空间分布均匀化，提高蚀刻效率，提升产线的生产效能，对于工厂的远程数字化控制以及调整，提供了一种可靠的方案。
图1和图2示出的基于多物理场仿真的多喷头阵列喷淋设备设计方法，用于对处于复杂工艺环境下喷淋设备中的流体场—温度场—浓度场耦合仿真研究，进而建立蚀刻液物理参数、喷淋设备供液管管径尺寸及其空间位置、喷头数量与喷淋效果均匀性的数据模型。该方法包括以下步骤：
S1，运用动态数据建模的方法，建立工艺参数数据库、多喷头喷淋设备参数数据库并设置初始供液管入口管径尺寸及其空间位置和喷头数量。
S2，基于S1中的多喷头喷淋设备参数数据库，运用建模软件创建喷淋设备的几何结构。
S3，运用多物理场耦合仿真软件进行仿真模拟。基于工艺参数数据库设置流体动力学参数和边界条件，运用仿真软件中的划分网格模块对阵列喷淋设备的模型划分网格。对于蚀刻液交汇区域和结构尺寸变化较大等区域，应用加密网格。基于k-ε湍流模型计算蚀刻液流体场分布；基于非等温流动流体传热模型计算蚀刻液温度场分布；基于稀物质传递模型计算蚀刻液浓度场分布。
S4，分析特定高度范围上的蚀刻液的流速、动压强、温度和浓度的数值分布状况。若在误差允许范围内，仿真结果的数值呈现出均匀分布，则进行S5步骤；否则，返回S1步骤调节设备参数数据库的供液管管径尺寸及其空间位置、喷头数量，再依次进行各步骤。
S5，基于仿真结果的喷淋压力、喷淋温度、喷淋浓度的分布情况与分析，针对不同的工艺参数数据库输出对应的多喷头喷淋设备参数数据库。
所述S1多喷头喷淋设备参数数据库包括供液管入口的内径尺寸、数量及其空间位置，供液管的管径尺寸，喷头的数量、空间位置、喷射张角；工艺参数数据库包括蚀刻液的动力学参数：流体速度、压力、湍流动能、湍流耗散率、粘度系数，热力学参数：导热系数、比热容、初始温度，物理状态参数：蚀刻液浓度、密度。
在一种可能的实施方式中，供液管的材料可设定为氯化聚氯乙烯，其计算内径有21mm，27.2mm或34mm等；供液管的数量在图3中用n1表示，初始设定n1＝2，两根供液管分别位于水平管的三等分点上；每根水平管上初始设定喷头数量n2＝5，每个喷头间距相等，喷头的喷淋角为65°；供液管中输送的蚀刻液初速度约为10.6m/s，粘度系数约为1.085*10- 3Pa·s，湍流动能和湍流耗散率根据对应情况下的供液管计算内径经过计算得到；蚀刻液的导热系数和比热容与液态水相似，故以液态水的参数作为相应的值，其初始温度为室温20℃；蚀刻液的比重为1.08，计算出密度为1082kg/m3，浓度初始值为5mol/L。
所述S2中，基于S1中所确定的关于多喷头阵列喷淋设备的各项参数，运用Solidworks三维建模软件建立喷淋设备的模型，该模型中主要体现供液管内径尺寸、供液管数量n1、喷头数量n2以及管道间的相对位置等参数，输出.SLDPRT文件。
所述S3中，基于COMSOL多物理场耦合仿真软件进行仿真模拟，具体计算方法如下：
(1)导入S2建立的喷淋设备几何结构的.SLDPRT文件，并对喷淋设备的供液管区域划分网格。考虑到本仿真中涉及到流体的耦合计算，选用针对流体域的网格划分方式，按0.05比例对所有边界进行等比例划分方法，并以此为约束进一步地对整个三维模型划分网格。
(2)设置流体场边界条件。根据雷诺数计算公式
Figure BDA0002984956870000041
计算初始状态蚀刻液的雷诺系数，其中ρ、v、μ、d分别为流体的密度、流速、黏性系数和供液管的计算内径尺寸。在供液管内径为21mm时，雷诺数为221984.52。故选择K-ε湍流模型。将n1个供液管的上底面均设置为速度入口(velocity inlet)，将n2个喷头的液体出口处设置为出口(outflow)，其他面均为壁面(wall)。
(3)设置热力学场边界条件。将n1个供液管的上底面均设置为热源，初始温度为20℃并恒定为该温度，并设置为流入边界。另外，将n2个喷头的液体出口处设置为流出，其他面设置为热通量边界条件。壁面的传热系数参考氯化聚氯乙烯材料的性质，设置为0.16W/(m2·K)，即描述管道壁面上的热量损失速率。
(4)设置稀物质传递场边界条件。将n1个供液管的上底面均设置为浓度边界条件，且恒定为5mol/L，并设置为流入边界。将n2个喷头的液体出口处设置为流出，其他面设置为无通量边界条件。
(5)设置多物理场耦合计算模块。打开多物理场，在马兰戈尼效应的设置中，将流体流动选择为K-ε湍流模型，传热选择为流体传热模型，表面张力系数为0.072N/m。在反应流的设置中，将流体流动选择为K-ε湍流模型，物质传递选择为稀物质传递。以上即完成了多物理场耦合的设置，于是仿真软件可以开始计算，进而得到最终仿真结果。
将S3中仿真计算结果呈现出具有一定的均匀性的区域进行进一步研究。在同一高度上，提取若干位置上的蚀刻液速度、温度、和浓度数值，根据相对偏差计算公式分别计算各组数值的相对偏差。基于实际生产需求，在误差允许范围3％内，则进行S5；若相对偏超出误差允许的范围，则返回S1重新调整多喷头喷淋设备参数数据库。
针对不同的工艺参数数据库输出对应的多喷头喷淋设备参数数据库。该工艺参数数据库以蚀刻液的速度、温度和浓度三个工艺参数为分类标准，得到对应工艺参数情况下的供液管和喷头的数量与空间相对位置的数据。

Claims (4)

1.一种基于多物理场仿真的多喷头喷淋设备设计方法，其特征在于，包括：
步骤S1，运用动态数据建模的方法，建立工艺参数数据库、多喷头喷淋设备参数数据库并设置初始供液管管径尺寸及其空间位置和喷头数量；
步骤S2，基于所述多喷头喷淋设备参数数据库，运用建模软件创建喷淋设备的几何结构；
步骤S3，将创建的所述喷淋设备的几何结构导入多物理场耦合仿真软件进行仿真模拟，基于所述工艺参数数据库设置流体参数和边界条件，对阵列喷淋设备的供液管划分网格，基于k-ε湍流模型计算蚀刻液流体场分布，基于非等温流动流体传热模型计算蚀刻液温度场分布，基于稀物质传递模型计算蚀刻液浓度场分布；
步骤S4，分析流体场、温度场、浓度场在特定高度范围上的数值分布，若在误差允许范围内，仿真结果的数值呈现出均匀分布，则进行步骤S5；否则，返回S1步骤调节所述多喷头喷淋设备参数数据库的供液管管径尺寸及其空间位置、喷头数量，再依次进行各步骤；
步骤S5，基于仿真结果的蚀刻液喷淋压力、蚀刻液温度、蚀刻液浓度的分布情况与分析，针对不同的工艺参数数据库输出对应的多喷头喷淋设备参数数据库。
2.根据权利要求1所述的基于多物理场仿真的多喷头喷淋设备设计方法，其特征在于，所述多喷头喷淋设备参数数据库包括供液管入口的内径尺寸、数量及其空间位置，供液管的管径尺寸，喷头的数量、空间位置、喷射张角。
3.根据权利要求1所述的基于多物理场仿真的多喷头喷淋设备设计方法，其特征在于，所述工艺参数数据库包括蚀刻液的动力学参数：流体速度、压力、湍流动能、湍流耗散率、粘度系数，热力学参数：导热系数、比热容、初始温度，物理状态参数：蚀刻液浓度、密度。
4.根据权利要求1所述的基于多物理场仿真的多喷头喷淋设备设计方法，其特征在于，流体场边界条件包括入口处蚀刻液速度、湍流强度、湍流耗散率；温度场边界条件包括蚀刻液初始温度；浓度场边界条件包括蚀刻液初始浓度。
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