CN112989754B - 柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真方法，该方法包括以下步骤：S1，建立柔性印刷电路板蚀刻工艺中喷淋域的数据模型；S2，在毫米级尺度上，在仿真计算软件中运用基于有限体积法开展流体仿真计算，获取喷淋域和柔性印刷电路板上表面的动压强分布；S3，建立蚀刻域的数据模型；S4，在微米级尺度上，以S2中的压力分布结果为初始条件，利用欧拉多相流模型对蚀刻域进行有限体积法仿真计算；S5，根据所得铜层轮廓和线路缺陷，建立以喷淋压强与蚀刻时间为主的多工艺参数的控制模型，优化柔性印刷电路板生产工艺参数。本发明通过基于欧拉多相流模型的多尺度耦合仿真方法，建立跨尺度一体化的柔性印刷电路板产品质量预测体系。

Description

柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真方法
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
目前，柔性印刷电路的蚀刻工艺仍处于试错试验研究阶段，从资金和成本上限制了柔性印刷电路板制造技术的快速发展和应用。同时，由于柔性印刷电路板蚀刻过程中变形、应力及缺陷的形成和发展机理等方面的研究缺少可靠的实验技术和手段，开展柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真方法，能够有效地揭示柔性印刷电路板表面的动压强和残余应力分布、线路轮廓演化、线路缺陷的形成与发展，建立基于材料特性、工艺参数、环境、缺陷的工艺数据库，指导柔性印刷电路板制造工艺的优化。
发明内容
本发明的目的是根据现有柔性印刷电路板蚀刻技术的不足，提出一种能揭示柔性印刷电路板蚀刻过程中显微结构演化规律、缺陷的形成与发展机理的多尺度耦合仿真方法，建立材料-工艺-缺陷演变的柔性印刷电路板蚀刻工艺的精准预测模型。
根据本发明实施例的一方面，一种柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真方法，包括：
建立所述柔性印刷电路板蚀刻工艺中喷淋域数据模型；
根据所述喷淋域数据模型，在毫米级尺度上对所述喷淋域进行二维或三维几何建模、有限元网格划分和基于湍流模型的流体仿真计算，获取所述喷淋域和所述柔性印刷电路板上表面的动压强分布；
建立所述柔性印刷电路板蚀刻工艺中蚀刻域数据模型；
根据所述蚀刻域数据模型，在微米级尺度对所述蚀刻域进行二维或三维几何建模、有限元网格划分，以及以所述柔性印刷电路板上表面的所述动压强分布为初始条件的基于欧拉多相流模型和层流模型的流体仿真计算，模拟蚀刻过程中的流场特性，获得铜层轮廓的演化、线路缺陷的形成与发展、喷淋压强影响机制以及动压强和残余应力分布情况，求解所述柔性印刷电路板上表面铜层的形变演化、应变应力和流场的速度矢量图，确定所述柔性印刷电路板上表面所受压力对蚀刻速率以及铜层轮廓质量的影响；
根据仿真结果，对铜层轮廓质量以及蚀刻工艺中出现的线路缺陷进行分析，建立多工艺参数与缺陷特征的量化关联模型。
在一些示例中，所述喷淋域数据模型的几何参数包括喷头的高度和间距、喷射张角、流速、平均液滴直径、自由通过直径，工质的物理参数包括蚀刻液和铜的密度、入口压强，动力学参数包括动力粘度系数、湍流动能、湍流耗散率、雷诺系数。
在一些示例中，所述蚀刻域数据模型的几何参数包括蚀刻域的特征尺寸，工质的物理参数包括蚀刻液流速、密度，动力学参数包括铜的动力粘度系数、雷诺系数。
在一些示例中，基于多工艺参数与缺陷特征的量化关联模型，将多尺度耦合仿真计算得到的结果与期望值进行比较，建立柔性印刷电路板蚀刻工艺的缺陷控制反馈调节模型，当缺陷发生时，依据该反馈调节模型量化调整工艺参数。
本发明从柔性印刷电路板蚀刻工艺的几何尺寸、物理参数、动力学参数出发，通过基于欧拉多相流模型的多尺度耦合仿真方法，模拟柔性印刷电路板蚀刻过程中线路轮廓演化、线路缺陷的形成与发展、喷淋参数影响机制、电路板表面的动压强和残余应力分布等，形成宏观与微观一体化的柔性印刷电路板产品质量预测体系。本发明方法能够有效地优化柔性印刷电路板蚀刻的工艺参数，降低试错实验成本，提高柔性印刷电路板制造的成型效率、精度及性能等，并有助于柔性印刷电路板智能制造产线的耦合数字孪生模型构建。
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柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真示意图。
具体实施方式
针对典型的柔性印刷电路板蚀刻工艺，蚀刻液在高压下从喷头阵列中喷出，对柔性印刷电路板基板表面铜层进行物理撞击和化学腐蚀，形成特定的电路轮廓，从而实现柔性印刷电路板蚀刻的目标。这个过程中涉及复杂的流体运动、微观应力与变形等物理过程，导致柔性印刷电路板基板产品非常容易受到加工环境、工艺参数等影响，出现开路、短路、残缺、剥离、顶底差异等缺陷。
对于涉及流体运动的仿真，有限体积方法更多地被运用。相较于有限差分方法，有限体积方法能更好地适应复杂的模型结构和非结构网格，同时能够保证求解方法的守恒性，更适合应用于模拟涉及复杂流动的流体问题。目前，有限体积法很少用于模拟柔性印刷电路板的蚀刻工艺，针对这一情况，本发明的创新点之一在于利用欧拉多相流模型，提出一种基于有限体积法的柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真方法。
图1、图2和图3示出的柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真方法用于对柔性印刷电路板蚀刻工艺过程中产生的线路轮廓演化、线路缺陷的形成与发展、喷淋参数影响机制、电路板表面的动压强和残余应力分布等进行基于有限体积仿真方法的多尺度耦合仿真模拟，该方法包括以下步骤：
S1，建立柔性印刷电路板蚀刻工艺中喷淋域数据模型，其中包括喷淋域数据模型的几何参数，工质的物理参数以及动力学参数；
S2，在毫米级尺度上，采用几何建模软件创建喷淋域二维或三维模型，使用有限体积仿真软件划分有限元网格、开展流体仿真计算，获取喷淋域和柔性印刷电路板上表面的动压强分布；
S3，建立柔性印刷电路板蚀刻工艺中蚀刻域数据模型，其中包括蚀刻域数据模型的几何参数，工质的物理参数以及动力学参数；
S4，在微米级尺度上，采用几何建模软件创建蚀刻域二维或三维模型，使用有限元网格划分软件划分有限元网格，利用基于欧拉多相流模型的有限体积法，对蚀刻域进行仿真计算，模拟蚀刻过程中的流场特性，研究铜层轮廓的演化、线路缺陷的形成与发展、喷淋压强影响机制以及动压强和残余应力分布情况；
S5，基于多尺度耦合仿真结果，对铜层轮廓质量以及蚀刻工艺中出现的短路、断路和异形等缺陷进行定性、定量分析，并进行分类与归纳整理；建立针对不同缺陷种类及分布情况的工艺参数控制模型，为智能工厂产线的数字孪生提供数据基础，优化柔性印刷电路板蚀刻工艺参数。
所述步骤S1、S3具体包括：通过动态数据建模的方式，基于柔性印刷电路板蚀刻工艺中的几何尺寸、物理参数、动力学参数、工艺方法建立柔性印刷电路蚀刻工艺数据模型，其中包括蚀刻工艺材料数据库、工艺方法数据库、设备技术参数数据库、工艺参数数据库、缺陷诊断数据库和工艺标准规范数据库。
所述步骤S1中，喷淋域数据模型的几何参数中包括喷头距离产品的高度、喷头间距、喷射张角、蚀刻液流速、喷口直径等，工质的物理参数包括蚀刻液密度、铜的密度等，动力学参数包括蚀刻液动力粘度系数、湍流动能、湍流耗散率、雷诺系数等。
所述步骤S2中，采用ANSYS软件中的Fluent流体仿真模块，根据所述步骤S1中喷淋域数据模型，在宏观尺度对喷淋域进行二维或三维几何建模、有限元网格划分和流体仿真计算；喷淋域的流体仿真计算是基于湍流模型来进行的；其中，喷头距离产品的高度可设置为60.0mm、喷头间距可设置为33.3mm、喷射张角约为65°、蚀刻液流速可设置为10.61m/s、喷口直径可设置为2.0mm，蚀刻液密度为1082kg/m3，铜的密度为8960kg/m3，蚀刻液动力粘度系数为1.085*10-3Pa·s。
所述步骤S3中，蚀刻域数据模型的几何参数包括蚀刻域的特征尺寸，工质的物理参数包括蚀刻液流速，动力学参数包括铜的动力粘度系数等。
所述步骤S4中，采用ANSYS软件中的Fluent仿真模块，根据所述步骤S3中蚀刻域数据模型，在微米级尺度对蚀刻域进行二维或三维几何建模、有限元网格划分和仿真计算；蚀刻域的仿真计算是基于欧拉多相流模型和层流模型，以所述步骤S2中得到柔性印刷电路板上表面的动压强分布仿真结果为初始条件来进行的；其中，蚀刻域模型的蚀刻液流速设置约为4.8m/s，铜的动力粘度系数设置为1200Pa·s。下表1详细示出了一种柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真的仿真参数。
表1柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真的仿真参数
Figure BDA0002997737530000041
基于有限体积仿真方法的多尺度耦合仿真平台的具体计算方法如下：
(1)基于连续介质流体力学控制方程、K-ε模型方程、多相流中的欧拉微分方程和库仑定律，建立蚀刻的理论模型，该蚀刻的理论模型包括铜层厚度、光刻胶掩膜厚度、光刻胶电路线宽、光刻胶电路线心距、被研究的计算区域的三维空间等参数，通过计算和查阅文献得到得到仿真所需的密度、黏度、湍流强度、水力直径等参数。其中铜层厚度可设置为8um，光刻胶掩膜厚度可设置为2um，光刻胶电路线宽可设置为10um，光刻胶电路线心距可设置为18um，被研究的计算区域的三维空间长、宽、高可分别设置为1mm、宽1mm、高30um。
(2)根据公式：
Figure BDA0002997737530000051
计算喷淋过程中蚀刻液的雷诺系数，其中ρ、v、μ、d分别为流体的密度、流速、黏性系数和流场的特征尺寸，判断流体的状态和需要使用的仿真模型。喷淋域的雷诺数为22732.71，故应采用湍流模型。蚀刻域的雷诺数为41.14，故应采用层流模型。
(3)进入Geometry模块，基于喷淋域数据模型中的几何参数，对喷淋域进行二维几何建模并命名出入口、壁面和对称面等。
(4)进入Mesh模块，对喷淋域进行流体四边形网格划分。
(5)进入Setup模块，设置重力加速度，选择标准K-ε湍流仿真模型，添加材料，设置区域条件，根据(1)中所得的物理参数设置速度出入口、压力出入口、固液边界等仿真边界条件，得到喷淋域的有限体积模型。
(6)选择瞬态模型，进行初始化设置，对喷淋域进行流体仿真计算，得到稳态计算残差曲线、喷淋域和柔性印刷电路板表面的动压强分布云图、蚀刻液体积分布云图以及垂直截面和底面的速度矢量图，导出喷淋域底边压强值(或三维模型中的底面中心线压强值)。
(7)进入Geometry模块，基于蚀刻域数据模型中的几何参数，对蚀刻域进行二维几何建模并命名出入口、壁面和对称面等。
(8)进入Mesh模块，对蚀刻域的流固两相分别进行四边形网格划分。
(9)进入Setup模块，设置重力加速度，选择欧拉多相流和层流仿真模型，根据(6)中仿真结果计算内摩擦角、雷诺系数等参数，设置材料和相以及体积分数等仿真边界条件，得到蚀刻域的有限体积模型。
(10)选择瞬态模型，对(6)中导出的喷淋域底边压强数据求平均值，作为初始条件对蚀刻域进行流体仿真计算，求解柔性印刷电路板上表面铜层的形变演化、应变应力和流场的速度矢量图，研究柔性印刷电路板上表面所受压力对蚀刻速率以及铜层轮廓质量的影响。
所述步骤S2、S4可以采用SolidWorks几何建模软件创建柔性印刷电路板蚀刻工艺的二维或三维几何模型，将模型导入到仿真软件中进行有限元网格划分和仿真计算。
在执行完所述步骤S4后，可以用相同的工艺参数进行柔性印刷电路板蚀刻实验，将实验所得的线路截面与铜层轮廓的仿真结果进行对比，验证仿真结果的可靠性并对仿真过程进行进一步优化。
所述步骤S5具体包括：将柔性印刷电路板蚀刻的缺陷分为断路、短路、残缺、剥离等多类，研究不同工艺参数尤其是喷淋压强和蚀刻时间对铜层轮廓质量和上述几类缺陷的影响规律，建立多工艺参数与产品质量和缺陷特征的量化关联模型，例如：在蚀刻时间一定的情况下，当蚀刻液从喷头喷出时的初始流速为13m/s时，铜层侧蚀宽度为3um，不满足质量标准；当蚀刻液初始流速为11m/s时，铜层侧蚀宽度为1um，满足质量标准。在蚀刻液初速度一定的情况下，当蚀刻时间为65s时，铜层侧蚀宽度为1um，满足质量标准；而当蚀刻时间为75s时，铜层侧蚀宽度为2um，不满足质量标准。进一步优化柔性印刷电路板蚀刻工艺的喷淋域数据和蚀刻域数据模型(工艺材料数据库、工艺方法数据库、工艺参数数据库、设备技术参数数据库、工艺标准规范数据库和缺陷诊断数据库)；基于多工艺参数与缺陷特征的量化关联模型，将多尺度耦合仿真计算得到的蚀刻程度、蚀刻均匀性、残余应力分布等结果与期望值进行比较，建立柔性印刷电路板蚀刻工艺的缺陷控制反馈调节模型，即某一种缺陷发生时，依据该模型可以量化调整工艺参数，及时将产品生产的缺陷率降低。例如：当侧蚀宽度为2um时，可以选择降低1m/s的蚀刻液初始喷淋速度或减少10s的蚀刻时间，以此类推。优化柔性印刷电路板制造的可控工艺参数。

Claims (4)

1.一种柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真方法，其特征在于，包括：
建立所述柔性印刷电路板蚀刻工艺中喷淋域数据模型；
根据所述喷淋域数据模型，在毫米级尺度上对所述喷淋域进行二维或三维几何建模、有限元网格划分和基于湍流模型的流体仿真计算，获取所述喷淋域和所述柔性印刷电路板上表面的动压强分布；
建立所述柔性印刷电路板蚀刻工艺中蚀刻域数据模型；
根据所述蚀刻域数据模型，在微米级尺度对所述蚀刻域进行二维或三维几何建模、有限元网格划分，以所述柔性印刷电路板上表面的所述动压强分布为初始条件的基于欧拉多相流模型和层流模型的流体仿真计算，模拟蚀刻过程中的流场特性，获得铜层轮廓的演化、线路缺陷的形成与发展、喷淋压强影响机制以及动压强和残余应力分布情况，求解所述柔性印刷电路板上表面铜层的形变演化、应变应力和流场的速度矢量图，确定所述柔性印刷电路板上表面所受压力对蚀刻速率以及铜层轮廓质量的影响；
根据仿真结果，对铜层轮廓质量以及蚀刻工艺中出现的线路缺陷进行分析，建立多工艺参数与缺陷特征的量化关联模型。
2.根据权利要求1所述的柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真方法，其特征在于，所述喷淋域数据模型的几何参数包括喷头的高度和间距、喷射张角、流速、平均液滴直径、自由通过直径，工质的物理参数包括蚀刻液和铜的密度、入口压强，动力学参数包括动力粘度系数、湍流动能、湍流耗散率、雷诺系数。
3.根据权利要求1所述的柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真方法，其特征在于，所述蚀刻域数据模型的几何参数包括蚀刻域的特征尺寸，工质的物理参数包括蚀刻液流速、密度，动力学参数包括铜的动力粘度系数、雷诺系数。
4.根据权利要求1所述的柔性印刷电路板蚀刻工艺的多尺度耦合仿真方法，其特征在于，基于多工艺参数与缺陷特征的量化关联模型，将多尺度耦合仿真计算得到的结果与期望值进行比较，建立柔性印刷电路板蚀刻工艺的缺陷控制反馈调节模型，当缺陷发生时，依据该反馈调节模型量化调整工艺参数。
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