CN114282413A - 一种印制电路板压合成型过程的仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种印制电路板压合成型过程的仿真方法及系统，获取印制电路板的参量数据；根据获取的参量数据确定各布线层的分区方案；根据分区方案，识别各个分区的特征信息；根据分区方案，建立带有分区识别信息的印制电路板三维几何模型；根据识别得到的特征信息计算各个分区的等效性能参数；根据分区识别信息，为印制电路板三维几何模型的各个分区配置基于特征信息计算得到的等效性能参数；配置仿真计算的边界条件和载荷，调用印制电路板树脂固化变形模块进行求解，根据压合成型工艺中压合结束的时刻结束仿真计算，得到仿真结果；本发明在计算机通用硬件条件下，实现了对复杂、大尺寸和多层PCB压合成型过程的高精度、高效的自动建模和仿真分析。

Description

一种印制电路板压合成型过程的仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及印刷电路板制造技术领域，特别涉及一种印制电路板压合成型过程的仿真方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

目前，随着集成电路设计、制造水平的日益发展，印制电路板(Printed CircuitBoard，PCB)的功能日益增强，叠层数量日益增加。但由于层与层之间功能差异，各层布线图各不相同，使得PCB中树脂和铜在平面内和厚度方向上的空间分布呈现不对称、不均匀。而又由于这两种材料的力学、热学和化学性能具有显著差异，其空间分布的不对称和不均匀就会导致PCB在压合成型过程中出现不同程度的翘曲变形。

特别是在芯片封装方面，仅通过提升晶体管的密度来提高芯片性能的方法遇到了瓶颈，越来越多的芯片厂商开始通过将多个芯片封装到一起来达到更高的性能，使得高性能芯片的封装尺寸日益庞大。然而，芯片封装尺寸的增大使得其对PCB平整度的要求大幅提升。这是因为在PCB翘曲程度相同时，跨度越大挠度就越大，当挠度达到一定程度时就会引起BGA焊接过程发生枕头效应等焊接失效问题，从而严重影响产品的可靠性。反之，当能够保证BGA焊接可靠性的PCB挠度一定时，芯片封装尺寸越大，要求PCB的翘曲变形程度就越小。因此，随着芯片封装尺寸的日益增大，PCB压合成型过程中产生的翘曲变形问题逐渐成为制造和应用企业特别关注和亟待解决的问题。

然而，通过实验的方法解决PCB翘曲变形问题存在周期长、成本高的问题，有限元模拟为PCB变形调控研究提供了一种低成本、高效率的方案。由于印制电路板布线层中的铜线分布十分复杂且与PCB整体在特征尺寸上相差三到四个数量级，以目前计算机硬件计算能力，通过直接建立PCB的精细几何模型的方法进行有限元分析尚不具备可行性。所以，研究人员尝试采用材料分区等效的方法，将PCB的每一个布线层划分为若干区域，然后根据区域内不同材料的排布、走向等特征信息对区域材料性能进行等效处理。由于不同区域的铜含量等特征信息各不相同，这就需要针对每一个区域计算和赋予材料性能，因此，尽管通过分区、等效的方法可以减小有限元仿真的计算量，使其在现有计算机硬件条件下具备具有仿真分析可行性的基本条件，但是当所研究的PCB层数较多、尺寸较大时，满足一定精度的仿真分析所需的分区数量可达数万至数十万，通过人工手动操作逐一获取每一个区域的特征信息、根据特征信息计算多种等效性能参数、建立具有分区信息的三维几何模型以及逐一绑定每一个区域的材料性能等操作就会非常繁琐，所以人工手动建模进行PCB压合成型过程仿真分析事实上也不具备现实可行性。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种印制电路板压合成型过程的仿真方法及系统，在计算机通用硬件条件下，实现了对复杂、大尺寸和多层PCB压合成型过程的高精度、高效的自动建模和仿真分析。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种印制电路板压合成型过程的仿真方法。

一种印制电路板压合成型过程的仿真方法，包括以下过程：

获取印制电路板的参量数据；

根据获取的参量数据确定各布线层的分区方案；

根据分区方案，识别各个分区的特征信息；

根据分区方案，建立带有分区识别信息的印制电路板三维几何模型；

根据识别得到的特征信息计算各个分区的等效性能参数；

根据分区识别信息，为印制电路板三维几何模型的各个分区配置基于特征信息计算得到的等效性能参数；

配置仿真计算的边界条件和载荷，调用印制电路板树脂固化变形模块进行求解，根据压合成型工艺中压合结束的时刻结束仿真计算，得到仿真结果。

进一步的，印制电路板的参量数据，包括：几何轮廓、各布线层设计和叠层方式；

几何轮廓，至少包括：印制电路板的平面轮廓和厚度；

各布线层设计，至少包括：印制电路板的上铜的分布和铜线的走向；

叠层方式，至少包括：布线层和绝缘层各层的数量、厚度和材料种类。

进一步的，分区方案的获取，包括：基于区域内特征信息的一致性进行非等分分区；或者，基于分区尺寸的一致性进行等尺寸分区。

进一步的，分区特征信息，至少包括：分区的空间几何位置、铜箔的空间分布和铜线的局部走向。

进一步的，分区识别信息，至少包括：分区的空间几何位置和编号。

进一步的，等效性能参数，包括：热学、化学和力学性能参数。

进一步的，根据印制电路板的压合工艺，设置仿真计算的边界条件和载荷；

印制电路板的压合工艺，至少包括：在压合成型过程中所受的压力和温度：

边界条件，包括传热边界和力学边界。

进一步的，印制电路板树脂固化变形模块，包括：树脂热-化学反应模型、温度控制方程以及树脂各向异性粘弹性本构方程。

进一步的，根据分区方案，识别各个分区的特征信息，包括：

将布线设计图二值化，以第一颜色像素代表铜箔，以其他颜色像素代表树脂；

输出每一层布线图中每一个分区中第一颜色像素的比例以及由第一颜色像素组成的连续线条的方向，以第一颜色像素的比例为铜含量，以第一颜色像素组成的连续线条方向为铜线走向；

将识别到的铜含量和铜线走向数据以分区中心点的坐标信息进行标记，以数据文件的形式存储。

进一步的，根据分区方案，建立带有分区识别信息的印制电路板三维几何模型，包括：

在有限元软件中建立每一个布线层的几何模型；

然后通过批处理的方式确定的分区方案将每一个布线层进行切割，得到具有分区的几何模型；

读取每一个分区的中心点坐标位置信息为每一个分区标记唯一识别信息，根据印制电路板叠层方案建立各个绝缘层的几何模型并与布线层几何模型按叠层方案装配成完整的示例印制电路板几何模型；

进一步的，仿真结果，至少包括：在热压成型过程中各个时刻下印制电路板的温度、固化度和位移在空间上的分布。

本发明第二方面提供了一种印制电路板压合成型过程的仿真系统。

一种印制电路板压合成型过程的仿真系统，包括：

数据获取模块，被配置为：获取印制电路板的参量数据；

分区方案获取模块，被配置为：根据获取的参量数据确定各布线层的分区方案；

特征信息识别模块，被配置为：根据分区方案，识别各个分区的特征信息；

三维几何模型构建模块，被配置为：根据分区方案，建立带有分区识别信息的印制电路板三维几何模型；

等效性能参数获取模块，被配置为：根据识别得到的特征信息计算各个分区的等效性能参数；

模型参数绑定模块，被配置为：根据分区识别信息，为印制电路板三维几何模型的各个分区配置基于特征信息计算得到的等效性能参数；

仿真模块，被配置为：配置仿真计算的边界条件和载荷，调用印制电路板树脂固化变形模块进行求解，根据压合成型工艺中压合结束的时刻结束仿真计算，得到仿真结果。

本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的印制电路板压合成型过程的仿真方法中的步骤。

本发明第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的印制电路板压合成型过程的仿真方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所提出的PCB压合成型建模和仿真分析方法，对层出不穷的PCB布线层和结构设计均具有适用性，且在更换建模和分析对象时具有较高的便捷性。

2、本发明应用的人工智能算法可以避免在建模时繁复的手动操作，通过全自动化建模的方式突破了手动操作对分区数量的限制，实现分区数量的自由定义，对高精度分析提供了有效的保障。

3、本发明应用人工智能算法，使得PCB材料属性具有与几何分区对应数量的分区等效性能，并能够完成与几何的自动匹配。

4、本发明提出的PCB压合成型建模和仿真分析方法，使得复杂、大型、多层PCB压合成型过程的建模仿真同时具备计算精度和计算效率。

5、本发明提出的技术方案的开发环境可以有多种选择，可通过商用有限元仿真软件，亦可自行开发有限元仿真软件或对现有商业软件进行二次开发，可用于PCB设计人员优化布线设计或PCB加工工艺人员优化加工工艺等。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的印制电路板压合成型过程的仿真方法的流程示意图。

图2为本发明实施例1提供的PCB的8个布线层的设计图。

图3为本发明实施例1提供的等尺寸分区的多层PCB几何模型示意图。

图4为本发明实施例1提供的压合成型结束后示例PCB翘曲变形示意图。

图5为本发明实施例2提供的按特征信息分区示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例1提供了印制电路板压合成型过程的仿真方法，包括：PCB布线层特征的智能识别与解析、PCB分层分区三维几何自动建模、PCB各区等效材料性能的智能匹配与更新、PCB压合成型固化变形仿真分析的集成等；本发明可以在计算机通用硬件条件下，对复杂、大尺寸、多层PCB压合成型过程进行高精、高效的自动建模和仿真分析。

对于特定的PCB，首先预处理其设计文件，获取PCB几何轮廓、叠层方案以及每个布线层的布线设计图，随后通过批处理的方式自动完成确定分区方案、建立几何模型以及等效性能参数的计算和绑定直至提交求解器求解并直接输出所需的结果数据。

具体的，本实施例借助有限元软件和基于Python语言开发的智能脚本实现了PCB等尺寸分区建模和压合成型过程的仿真分析，该实施方式具有效率高、实施简便的优点，在仿真精度方面的劣势也可以通过提高分区数量有效弥补，具体实施过程如下：

S1.1：从PCB设计软件中将示例PCB每一层的布线图输出为足够清晰的位图格式(如.jpg、.png等)图片文件，如图2所示。

S1.2：解析示例PCB每一层的布线图，确定满足精度要求和计算效率的等尺寸分区方案，并应用基于Python语言开发的布线图识别脚本，在脚本运行过程中，调用OpenCV计算机视觉库中的特定函数将布线设计图二值化(以黑色像素代表铜箔、白色像素代表树脂，这里也可以采用其他颜色，只要能将铜箔和树脂进行有效的区分即可)，并输出每一层布线图中每一个分区中黑色像素的比例以及由黑色像素组成的连续线条的方向，以黑色像素的比例为铜含量，以黑色像素组成的连续线条方向为铜线走向。随后，将识别到的铜含量和铜线走向数据以分区中心点的坐标信息进行标记，以数据文件的形式存储在计算机存储器中。

S1.3：在有限元软件中建立每一个布线层的几何模型，然后通过批处理的方式根据S1.2中确定的分区方案将每一个布线层进行等尺寸切割，得到具有分区的几何模型。读取每一个分区的中心点坐标位置信息为每一个分区标记唯一识别信息，同时根据PCB叠层方案建立各个绝缘层的几何模型并与布线层几何模型按叠层方案装配成完整的示例PCB几何模型，如图3所示，为等尺寸分区的多层PCB几何模型的示例。

S1.4：根据每一个分区的特征信息计算其等效模量、泊松比、密度、比热容、导热系数、热膨胀系数和化学收缩系数，以数据文件的形式存储在计算机存储器中。

S1.5：通过批处理的方式，在有限元软件中通过每个分区的识别信息在等效材料性能数据文件中查找并绑定与之对应的等效材料性能。

S1.6：根据示例PCB压合成型过程的实际生产工艺条件，在有限元软件中建立对应的边界条件和载荷。

S1.7：调用树脂固化变形模块，定义树脂固化反应动力学模型、黏弹性本构模型等。

S1.8：在有限元求解器中进行求解，并输出仿真计算结果，如图4所示，为压合成型结束后示例PCB翘曲变形示意图。

实施例2：

本发明实施例2提供了一种考虑布线层铜线分布和走向特征进行分区的PCB压合成型建模和仿真分析方法，本实施例借助有限元软件和基于Python语言开发的智能脚本实现PCB按布线层铜线分布和走向特征分区的建模和压合成型过程的仿真分析，该实施方式能够充分考虑PCB各分区内铜线定向分布带来的各向异性材料性能，具有仿真精度高的优点，但实施过程较为复杂。具体实施过程与实施例1相似，仅采取的分区方案与其不同，具体的，包括以下过程：

S2.1：从PCB设计软件中将示例PCB每一层的布线图输出为足够清晰的位图格式(如.jpg、.png等)图片文件。

S2.2：解析示例PCB每一层的布线图，根据布线层铜分布特征以及孔特征确定满足精度要求和计算效率的分区方案，如图5所示，A1、A2、A3区为铜线束定向分布区，B1、B2区为纯树脂区。

S2.3：应用基于Python语言开发的布线图识别脚本，在脚本运行过程中，调用OpenCV计算机视觉库中的特定函数将布线设计图二值化(以黑色像素代表铜箔、白色像素代表树脂)，并输出每一层布线图中每一个分区中黑色像素的比例以及由连续黑色像素组成的连续线条的方向，以黑色像素的比例为铜含量，以连续黑色像素组成的连续线条的方向为铜线走向。随后，将识别到的铜含量和铜线走向数据以分区中心点的坐标信息进行标记，以数据文件的形式存储在计算机存储器中。

S2.4：在有限元软件中建立每一个布线层的几何模型，然后通过批处理的方式根据S2.2中确定的分区方案切割每一个布线层，得到具有分区的几何模型。读取每一个分区中心点的坐标信息为每一个分区标记唯一识别信息，同时根据PCB叠层方案建立各个绝缘层的几何模型并与布线层几何模型按叠层方案装配成完整的示例PCB几何模型。

S2.5：根据每一个分区的特征信息计算其等效模量、泊松比、密度、比热容、导热系数、热膨胀系数和化学收缩系数，以数据文件的形式存储在计算机存储器中。

S2.6：通过批处理的方式，在有限元中通过每个分区的识别信息在等效材料性能数据文件中查找并绑定与之对应的等效材料性能。

S2.7：根据示例PCB压合成型过程的实际生产工艺条件，在有限元软件中建立对应的边界条件和载荷。

S2.8：调用树脂固化变形模块，定义树脂固化反应动力学模型、黏弹性本构模型等。

S2.9：在有限元求解器中进行求解，并输出仿真计算结果。

实施例3：

本发明实施例3提供了一种印制电路板压合成型过程的仿真系统，包括：

数据获取模块，被配置为：获取印制电路板的参量数据；

分区方案获取模块，被配置为：根据获取的参量数据确定各布线层的分区方案；

特征信息识别模块，被配置为：根据分区方案，识别各个分区的特征信息；

三维几何模型构建模块，被配置为：根据分区方案，建立带有分区识别信息的印制电路板三维几何模型；

等效性能参数获取模块，被配置为：根据识别得到的特征信息计算各个分区的等效性能参数；

模型参数绑定模块，被配置为：根据分区识别信息，为印制电路板三维几何模型的各个分区配置基于特征信息计算得到的等效性能参数；

仿真模块，被配置为：配置仿真计算的边界条件和载荷，调用印制电路板树脂固化变形模块进行求解，根据压合成型工艺中压合结束的时刻结束仿真计算，得到仿真结果。

所述系统的工作方法与实施例1或实施例2提供的印制电路板压合成型过程的仿真方法相同，这里不再赘述。

实施例4：

本发明实施例4提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例1或实施例2所述的印制电路板压合成型过程的仿真方法中的步骤。

实施例5：

本发明实施例5提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例1或实施例2所述的印制电路板压合成型过程的仿真方法中的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种印制电路板压合成型过程的仿真方法，其特征在于：

包括以下过程：

获取印制电路板的参量数据；

根据获取的参量数据确定各布线层的分区方案；

根据分区方案，识别各个分区的特征信息；

根据分区方案，建立带有分区识别信息的印制电路板三维几何模型；

根据识别得到的特征信息计算各个分区的等效性能参数；

根据分区识别信息，为印制电路板三维几何模型的各个分区配置基于特征信息计算得到的等效性能参数；

配置仿真计算的边界条件和载荷，调用印制电路板树脂固化变形模块进行求解，根据压合成型工艺中压合结束的时刻结束仿真计算，得到仿真结果。

2.如权利要求1所述的印制电路板压合成型过程的仿真方法，其特征在于：

印制电路板的参量数据，包括：几何轮廓、各布线层设计和叠层方式；

几何轮廓，至少包括：印制电路板的平面轮廓和厚度；

各布线层设计，至少包括：印制电路板的上铜的分布和铜线的走向；

叠层方式，至少包括：布线层和绝缘层各层的数量、厚度和材料种类。

3.如权利要求1所述的印制电路板压合成型过程的仿真方法，其特征在于：

分区方案的获取，包括：基于区域内特征信息的一致性进行非等分分区；或者，基于分区尺寸的一致性进行等尺寸分区。

4.如权利要求1所述的印制电路板压合成型过程的仿真方法，其特征在于：

分区特征信息，至少包括：分区的空间几何位置、铜箔的空间分布和铜线的局部走向；

或者，

分区识别信息，至少包括：分区的空间几何位置和编号；

或者，

等效性能参数，包括：热学、化学和力学性能参数。

5.如权利要求1所述的印制电路板压合成型过程的仿真方法，其特征在于：

根据印制电路板的压合工艺，设置仿真计算的边界条件和载荷；

印制电路板的压合工艺，至少包括：在压合成型过程中所受的压力和温度：

边界条件，包括传热边界和力学边界。

6.如权利要求1所述的印制电路板压合成型过程的仿真方法，其特征在于：

印制电路板树脂固化变形模块，包括：树脂热-化学反应模型、温度控制方程以及树脂各向异性粘弹性本构方程。

7.如权利要求1所述的印制电路板压合成型过程的仿真方法，其特征在于：

根据分区方案，识别各个分区的特征信息，包括：

将布线设计图二值化，以第一颜色像素代表铜箔，以其他颜色像素代表树脂；

输出每一层布线图中每一个分区中第一颜色像素的比例以及由第一颜色像素组成的连续线条的方向，以第一颜色像素的比例为铜含量，以第一颜色像素组成的连续线条方向为铜线走向；

将识别到的铜含量和铜线走向数据以分区中心点的坐标信息进行标记，以数据文件的形式存储；

或者，

根据分区方案，建立带有分区识别信息的印制电路板三维几何模型，包括：

在有限元软件中建立每一个布线层的几何模型；

然后通过批处理的方式确定的分区方案将每一个布线层进行切割，得到具有分区的几何模型；

读取每一个分区的中心点坐标位置信息为每一个分区标记唯一识别信息，根据印制电路板叠层方案建立各个绝缘层的几何模型并与布线层几何模型按叠层方案装配成完整的示例印制电路板几何模型；

或者，

仿真结果，至少包括：在热压成型过程中各个时刻下印制电路板的温度、固化度和位移在空间上的分布。

8.一种印制电路板压合成型过程的仿真系统，其特征在于：

包括：

数据获取模块，被配置为：获取印制电路板的参量数据；

分区方案获取模块，被配置为：根据获取的参量数据确定各布线层的分区方案；

特征信息识别模块，被配置为：根据分区方案，识别各个分区的特征信息；

三维几何模型构建模块，被配置为：根据分区方案，建立带有分区识别信息的印制电路板三维几何模型；

等效性能参数获取模块，被配置为：根据识别得到的特征信息计算各个分区的等效性能参数；

模型参数绑定模块，被配置为：根据分区识别信息，为印制电路板三维几何模型的各个分区配置基于特征信息计算得到的等效性能参数；

仿真模块，被配置为：配置仿真计算的边界条件和载荷，调用印制电路板树脂固化变形模块进行求解，根据压合成型工艺中压合结束的时刻结束仿真计算，得到仿真结果。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的印制电路板压合成型过程的仿真方法中的步骤。

10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的印制电路板压合成型过程的仿真方法中的步骤。

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