CN114417476B - 一种集成电路封装产业线的虚拟仿真模型及实训系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成电路封装产业线的虚拟仿真模型及实训系统。所述虚拟仿真模型为依据封装产业线车间实景建立的3D模型，集成了封装产业线中多个工序的模拟场景，还包括与封装相关的晶圆制造以及集成电路测试模拟。并且在仿真实验过程中通过模型视频的形式实时展示当前设备内部运行情况与加工物料的外观变化情况。所述实训系统包括部属在服务端的管理端、教师端，以及部属在客户端的学生端。管理端用于管理教师账户和车间模型，教师端用于根据实训需求选取工序仿真场景组成试卷并发布到学生端。学生端基于虚拟仿真模型，进行自主练习以及接收教师端发布的试卷进行测验。本发明解决了现有仿真模型难以完整展示企业的现场环境的问题。
Description
技术领域
本发明属于虚拟仿真技术领域，涉及基于Unity 3D技术的仿真模型及实训系统的设计建立，具体涉及一种集成电路封装产业线的虚拟仿真模型及实训系统。
背景技术
在中国集成电路产业的发展中，封装行业虽然比不上设计和芯片制造业的发展速度，但也一直保持着稳定增长的势头。集成电路相关课程的实践性、工程性以及技术性很强，理论讲述比较抽象，这就要求在教学过程中不仅需要常规、传统的课堂理论知识的教学，还需要大量实验实践类课程的补充。但对于集成电路产业来说，实操教学或训练的困难点较多，一方面是集成电路制造工艺涉及的设备多、体积大、价格昂贵，对生产的场地的面积与环境要求高，例如晶圆检测需要千级无尘车间，学生在进行企业参观活动时，也很难进入车间内部进行实地体验。另一方面对应的设备与车间维护成本也很高，部分操作还存在一定的危险性，因此即使有机会进行实际操作，也无法体验完整的产业线流程。
对于集成电路制造工艺这样涉及范围广、实物成本高、现场要求以及危险性高的课程，采用虚拟仿真手段进行教学、训练和考核已经成为一种主流趋势。虚拟仿真技术是一种以构建系统一体化的虚拟环境为目的，通过控制虚拟环境的虚拟物体来表达客观世界的真实性。它具有沉浸、互动、虚幻、逼真的特性，已被运用到了生活中的各行各业。利用虚拟仿真技术，能够将虚拟环境与客观现实联系起来，对其中种类繁多、构型复杂的信息作出准确、完备的描述，研究高效的建模方法，重建演化规律以及虚拟对象之间的各种相互关系与相互作用。因此使用虚拟仿真技术可以克服传统集成电路实验教学中的种种弊端，不但节省了教学资源、增强实践的可重复性，还改善了教学质量，激发了学生的创造力，培养了其实践能力。
但是目前，市面上关于集成电路制造工艺完整流程的虚拟仿真产品还比较少，并且都存在一定的弊端，例如：展现内容有限，没有体现出集成电路封装涉及的完整产业线；工序独立，没有反应多道工序间的关联性；与理论知识连接不紧密，没有展示封装设备的内部进程与原理；仿真过程逻辑简单，缺乏对故障现象的模拟与分析、说明；考核方式单一，阶段针对性不强等。模型难以完整展示企业的现场环境，使用者也无法在操作过程中体验工序流程与相关岗位技能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种集成电路封装产业线的虚拟仿真模型及实训系统，以集成电路封装工艺生产中的真实场景为依据，构建场景模型，并融合了封装产业线上的完整工序，设计了虚拟仿真模型及实训系统，解决了集成电路封装工艺受设备、场地、安全性、专业性等限制难以开展高还原度实训与考核的问题。
一种集成电路封装产业线的虚拟仿真模型，以封装产业线车间实景为原型进行3D模型搭建，包括职业素养区域以及集成了多个封装工序模拟场景的封装前道车间与封装后道车间。
所述职业素养区域用于模拟进入封装车间前的准备工作。所述准备工作包括：将禁入车间的随身物品存入储物柜；进入门禁，通过粘尘垫去除脚底灰尘；通过洗涤去除手部灰尘；按照规范要求，更换对应的服装、配件；防静电点检和风淋。
所述封装前道车间中的封装工序模拟场景包括晶圆减薄模拟、晶圆划片模拟、芯片粘接模拟以及引线键合模拟。所述封装后道车间包括后道车间区域以及电镀车间区域，所述后道车间区域中的封装工序模拟场景包括塑封模拟、激光打标模拟以及切筋成型模拟，电镀车间区域中的封装工序模拟场景为电镀模拟。
所述封装工序模拟场景在仿真实验开始前，通过文字介绍对应工序的使用设备、操作流程以及实验目的；在仿真实验进行过程中，通过文字介绍当前步骤的详细流程，并配合以模型动画的形式展现设备内部运行情况与物料的外观变化情况。
所述封装工序模拟场景的操作内容包括：作业工位识别、当前工序作业信息识读、作业程序设置、生产安排确认、作业物料领取、物流出入库、设备准备、辅助工序操作、设备运行、产品质量检查、结批操作、产品外观或设备情况判断、异常排查与处理。
所述作业程序设置包括设备参数与物料或辅料参数的设置。
作为优选，通过3DS max制作车间空间环境模型，以及封装工序模拟场景中的设备模型与物料模型，然后通过unity 3D进行参数调整与场景烘焙，最终以第一人称视角展现虚拟仿真模型中的各个场景。
作为优选，所述虚拟仿真模型中还包括晶圆制造车间和集成电路测试车间。所述晶圆制造车间用于实现对封装前的工序模拟，模拟场景包括模拟氧化、化学气相淀积、涂胶、曝光、显影、刻蚀、离职注入、物理气相淀积、化学机械抛光等。集成电路测试车间用于实现对封装后集成电路测试的工序模拟，模拟场景包括扎针测试、MAP图标定、晶圆烘烤、晶圆外检、重力式测试、编带机编带、平移式测试、转塔式测试、芯片外检、真空包装等。
一种集成电路封装产业线的虚拟仿真实训系统，包括部属在服务端的管理端与教师端，以及部属在客户端的学生端。
所述管理端包括账号管理、车间管理、试卷管理以及题库管理。
所述账号管理用于仿真实训系统中教师账号的查看、修改、增加、删除。所述车间管理用于虚拟仿真模型中车间模型和工序仿真场景的查看、修改、增加、删除。所述试卷管理用于保存不同教师账号每次发布到学生端的实训试卷。所述题库管理用于保存根据实际生产需求、按照生产顺序排布的虚拟仿真模型中的封装工序模拟场景组成的实验范式。
所述教师端包括学生管理、版本管理、激活系统、发布试卷与试卷管理。
所述学生管理用于对仿真系统中的学生账户进行查看、修改、增加或删除，包括批量新增、密码重置。所述版本管理用于查看当前客户端与服务器的最新版本。所述激活系统用于通过激活码进行在线授权。所述发布试卷用于根据实训教学需求，从管理端的题库中选择实验范式组合成实训试卷，选择考核等级后发布到学生端。所述试卷管理用于保存每次发布到学生端的实训试卷，以及学生端完成的实训情况。
所述考核等级包括初级、中级和高级，考核内容与难度逐级递增；其中初级为按顺序完成工序的流程操作；中级在初级的基础上增加了设备的准备、参数判断，还设置了错误分支，不同的操作指向不同的实验结果；高级在中级的基础上增加了故障模拟，考查故障排除与分析能力。
所述学生端基于所述虚拟仿真模型，设置了评分机制，包括实训练习模式与实训考核模式。
所述评分机制按照难度等级的考查重点，针对封装工序模拟场景中的每一个操作进行评分，在实验结束时统计当前工序的总分并显示。
所述实训练习模式中，需要依次进行晶圆减薄、晶圆划片、芯片粘接、引线键合、塑封、激光打标、电镀、切筋成型的工序模拟练习，并且仅当前置工序的练习得分达到最低要求时，才能解锁下一道工序进行模拟练习。
所述实训考核模式，需要根据教师端发布的实训试卷进行模拟操作，在考核结束后会统计总分并返回教师端。
作为优选，所述实训练习模式中还设置有辅助功能，包括操作提示、语音提示、操作进度保存、操作步骤记录和封装作业指导书，并且每个辅助功能可以独立开启或关闭。
作为优选，所述虚拟仿真实训系统采用基于客户机/服务器(C/S)模式的关系数据库管理系统，客户端通过发送HTTP请求的方式实现数据在服务端上的存储以及调取。其中系统主架构采用SpringBoot与Mybatis实现，用户账号与虚拟仿真模型信息采用Mysql数据库存储，数据缓存采用Redis进行。
本发明具有以下有益效果：
1、仿真模型在理论知识的基础上，以企业现场操作为主要依据，针对不同产品对应的封装形式，按照实际的工艺顺序依次进行每道工序的操作。加入了岗位的技能操作点，设置了步骤框架，每道工序的操作步骤具体化，并利用数据库，将当前工序中的作业信息传递至下一工序，模拟真实的流水线。
2、工序操作仿真度高，工序之间的关联度高。真实展示封装设备内部的具体运行过程与原理。在实验过程中，利用Unity 3D的Timeline动画系统，将视角镜头切换至设备内部，展示内部的结构以及物料外观前后的变化，再配以对应的文字介绍，同时前后工序的实验过程中产品状态是逐级递增的，动画显示从裸露晶圆最终变成一个成品芯片的完整过程。
3、封装工艺车间、设备等模型精细，真实感强，以及依据现实场景，将车间的细节标准充分展现。在工序仿真场景的关键操作点设置分歧，不同的操作动作指向不同的实验结果。并且引入故障模拟，展示封装产品的质量异常、设备异常，以及模拟对应故障的处理方式，贴合实际情况的同时，增加使用者的应变能力。
4、考核模式根据实际生产需求，自主组合不同封装模拟场景，还能够分等级设置不同考核重点与评分规则，阶段性、针对性、灵活性更强。
5、系统加载速度快，可以保存操作进度、作业信息等数据。另外通过本地下载更新包的方式进行升级，版本升级方便。
附图说明
图1为虚拟仿真模型示意图；
图2为虚拟仿真模型布局示意图；
图3为虚拟仿真模型中起点区域示意图；
图4为虚拟仿真模型中封装车间区域示意图；
图5为封装工序选择场景示意图；
图6为封装工序模拟场景中流程介绍示意图；
图7为封装工序模拟场景中设备内部运行示意图；
图8为实训系统框图；
图9为学生端登录界面示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
实施例1
一种集成电路封装产业线的虚拟仿真模型，以封装产业线车间实景为原型，采集封装车间中的工位划分与标识等场景数据，利用3DS max软件搭建如图1所示的3D模型，还原真实的集成电路封装企业车间场景与设备。具体模型搭建过程包括：
①面数优化：使用三维软件3DS max多边形建模方法，建立单面模型，并优化模型面数；并且采用精模、粗膜两种形式，对于场景中的主要加工设备模型采用精模，对于其余的辅助设备采用相对简单的粗膜，减少整体模型数量。
②贴图效果：使用RizomUV软件将模型UV展开，快速展好2套UV系统，采用Substance Painter软件制作PBR物理贴图，使得模型材质纹理更加贴近真实。
③光线效果：最后使用虚幻引擎Unity 3D软件进行场景设备烘焙渲染，具体采用了bakery插件进行精细度、烘焙贴图大小、光反弹次数、环境光遮蔽等参数调整，完成烘焙，加上PostProcessing处理屏幕后期特效，直至达到理想的场景效果，增强场景质感与逼真度。
该模型以第一人称视角展示内容，利用A-star寻路方法实现视觉移动，布局示意图如图2所示，包括起点、走廊通道、职业素养区域和集成了多道封装工序模拟场景的封装前道车间与封装后道车间。
所述起点如图3所示，对应企业实景中的集成电路封装车间入口，在起点处可以选择不同的产业线，对应进入不同的车间。走廊通道连通起点与封装车间，在走廊通道的区域中设置有工艺文化墙和工艺视频播放器，用于在进入车间进行模拟练习前了解当前车间工作内容。
所述职业素养区域用于模拟进入封装车间前的准备工作，包括将禁入车间的随身物品存入储物柜；进入门禁，通过粘尘垫去除脚底灰尘；通过洗涤去除手部灰尘；按照规范要求，更换对应的服装、配件；防静电点检和风淋。
所述封装前道车间中的封装工序模拟场景包括晶圆减薄模拟、晶圆划片模拟、芯片粘接模拟以及引线键合模拟。所述封装后道车间包括后道车间区域以及电镀车间区域，后道车间区域中的封装工序模拟场景包括塑封模拟、激光打标模拟以及切筋成型模拟，电镀车间区域中的封装工序模拟场景为电镀模拟。如图4所示，车间内包含对应工序所需的工位及设备，并且设置了工位触发区域，当视角移动进入工位触发区域时，可以查看该工艺的对应内容，包括设备展示、工艺简介、实验目的。点击工位后可以进入对应工序的模拟实验。
所述封装前道车间与封装后道车间中的封装工序模拟场景根据起点处设置的产业线，选择性呈现。如图5所示，为74HC138芯片的封装产业线车间示意图，左侧状态栏可以进行工序选择。
所述封装工序模拟场景的操作内容包括：作业工位识别、当前工序作业信息识读、作业程序设置、生产安排确认、作业物料领取、物流出入库、设备准备、辅助工序操作、设备运行、产品质量检查、结批操作、产品外观或设备情况判断、异常排查与处理。其中作业程序设置包括设备参数与物料或辅料参数的设置。异常排查与处理用于在实验结束时，展示常见的故障现象，并仿真故障常规的处理过程。对于不同的封装工序，模拟实训的侧重点不同，具体如下表所示：
为了进一步贴合实际情况，培养使用者的错误纠正能力，在操作步骤中设置了不同分支，若操作错误则会触发不同实验操作流程。例如：(1)在作业物料领取阶段领取了错误的物料，则会在设备准备阶段发现物料错误，此时需要返回作业物料领取阶段，更换正确物料方可继续实验(2)在作业程序设置阶段，如果设置或调取某台设备的作业程序时选择了错误程序，则会导致加工后的产品出现异常，并在产品质量检测阶段发现错误，此时需排除程序错误，并返回作业程序设置重新设置。
如图6所示，在仿真实验进行过程中，通过文字介绍当前步骤的详细流程，并配合以模型动画的形式展现设备内部运行情况，包括设备结构的动作、物料在设备内部的移动、以及物料的外观变化情况，如图7所示，在晶圆减薄模拟场景中，可以看到减薄设备内部晶圆从上料区域经过机械手传递，依次经过粗磨、精磨、甩干以及冲洗，最后减薄完成进行下料。
封装工序模拟场景的操作内容通过C#语言编写脚本，控制物体选择与移动等动作的逻辑；设备运行以及物料外观的变化展示动画通过Timeline动画系统实现。
一种集成电路封装产业线的虚拟仿真实训系统，如图8所示，包括部属在服务端的管理端与教师端，以及部属在客户端的学生操作端。采用基于客户机/服务器(C/S)模式的关系数据库管理系统，客户端通过发送HTTP请求的方式实现数据在服务端上的存储以及调取，与浏览器/服务器(B/S)的方式相比，加载虚拟仿真模型进行交互时的速度更快。其中系统主架构采用SpringBoot与Mybatis实现，用户账号与虚拟仿真模型信息采用Mysql数据库存储，数据缓存采用Redis进行。
所述管理端包括账号管理、车间管理、试卷管理以及题库管理。
所述账号管理用于仿真实训系统中教师账号的查看、修改、增加、删除。所述车间管理用于虚拟仿真模型中车间模型和工序仿真场景的查看、修改、增加、删除。所述试卷管理用于保存不同教师账号每次发布到学生端的实训试卷。所述题库管理用于保存根据实际生产需求、按照生产顺序排布的虚拟仿真模型中的封装工序模拟场景组成的实验范式。
所述教师端包括学生管理、版本管理、激活系统、发布试卷与试卷管理。
所述学生管理用于对仿真系统中的学生账户进行查看、修改、增加或删除，包括批量新增、密码重置。所述版本管理用于查看当前客户端与服务器的最新版本。所述激活系统用于通过激活码进行在线授权。所述发布试卷用于根据实训教学需求，从管理端的题库中选择实验范式组合成实训试卷，选择考核等级后发布到学生端。所述试卷管理用于保存每次发布到学生端的实训试卷，以及学生端完成的实训情况。
所述考核等级包括初级、中级和高级，考核内容与难度逐级递增；其中初级为按顺序完成工序的流程操作；中级在初级的基础上增加了设备的准备、参数判断，还设置了错误分支，不同的操作指向不同的实验结果；高级在中级的基础上增加了故障模拟，考查故障排除与分析能力。
所述学生端基于所述虚拟仿真模型，设置了评分机制，包括实训练习模式与实训考核模式，如图9所示。
所述评分机制按照难度等级的考查重点，针对封装工序模拟场景中的每一个操作进行评分，在实验结束时统计当前工序的总分并显示。
所述实训练习模式用于进行工序模拟练习。为了模拟真实的流水线，引入积分奖励制度，即通过评分机制对模拟操作进行评分，并根据每道工序的总分值给予不同数量的积分。当前道工序得到的总积分达到最低要求时，才能解锁下一道工序进行模拟练习，并且，前道工序中批次产品的作业信息、物流信息将传递至下一道工序，不仅可以模拟真实的封装流水线，匹配现实，还能增加练习的趣味性，从而引导使用者依次进行晶圆减薄、晶圆划片、芯片粘接、引线键合、塑封、激光打标、电镀、切筋成型的工序模拟练习。
此外，实训练习模式中还设置有辅助功能，包括操作提示、语音提示、操作进度保存、操作步骤记录和封装作业指导书，并且每个辅助功能可以独立开启或关闭。实训练习模式中的每个账户数据独立，即操作情况、操作进度、物流信息等都进行了保存，登录各自的账号，可根据自己的节奏完成实训练习，以及查看每道工序的积分数。
所述实训考核模式，需要根据教师端发布的实训试卷进行模拟操作，在考核结束后会统计总分并返回教师端。
实施例2
在实施例1中虚拟仿真模型的基础上，采用相同的建模方式，建立晶圆制造车间模型与集成电路测试车间，从而实现完整集成电路产业线的模拟化。所述晶圆制造车间模型用于完成芯片封装的前道工序模拟，设置了模拟氧化、化学气相淀积、涂胶、曝光、显影、刻蚀、离职注入、物理气相淀积、化学机械抛光等模拟场景。所述集成电路测试车间模型用于对封装后的集成电路进行测试模拟，设置了晶圆测试、芯片测试等模拟场景。
本实施例中的实训系统，基于增加了晶圆制造车间模型与集成电路测试车间的虚拟仿真模型，题库中的实验范式除了封装工序，还可以加入晶圆制造以及集成电路测试的相关工序。使实训试卷的内容更加丰富。由于在流水线上应当依次进行晶圆制造、封装与测试，因此使用者在学生端进行实训练习时，需要先进行晶圆制造车间模型中的模拟练习，在练习达到最低积分要求后，才能够开启封装车间模型中的模拟练习，最后再进行集成电路测试车间中的模拟练习。
Claims (5)
1.一种集成电路封装产业线的虚拟仿真实训系统，其包括虚拟仿真模型，部属在服务端的管理端与教师端，以及部属在客户端的学生端，其特征在于：
采用基于客户机/服务器模式的关系数据库管理系统，客户端通过发送HTTP请求的方式实现数据在服务端上的存储以及调取；
其中所述系统采用SpringBoot与Mybatis实现；
用户账号与虚拟仿真模型信息采用Mysql数据库存储，数据缓存采用Redis进行；
所述管理端用于管理员账号进行教师账号的管理，车间模型资源的管理，教师端发布实训试卷的保存，以及题库设置；
所述教师端用于教师账号进行学生账号的管理，虚拟仿真实训系统的版本更新，系统激活以及实训试卷的设计、发布与学生考核结果的查看；
所述学生端通过实训练习模式和实训考核模式与所述的虚拟仿真模型进行交互；学生端设置有评分机制，针对用户的每一次交互模拟操作进行评分，在实验结束时统计当前工序的总分，并返回到教师端；
所述仿真模型是以封装产业线车间实景为原型的3D虚拟仿真模型，包括职业素养区域以及集成了多个封装工序模拟场景的封装前道车间与封装后道车间；
所述职业素养区域用于模拟进入车间前的准备工作；所述封装前道车间中的封装工序模拟场景包括晶圆减薄模拟、晶圆划片模拟、芯片粘接模拟以及引线键合模拟；所述封装后道车间包括后道车间区域以及电镀车间区域，所述后道车间区域中的封装工序模拟场景包括塑封模拟、激光打标模拟以及切筋成型模拟，电镀车间区域中的封装工序模拟场景为电镀模拟；
所述封装工序模拟场景的交互内容包括：作业工位识别、当前工序作业信息识读、作业程序设置、生产安排确认、作业物料领取、物流出入库、设备准备、辅助工序操作、设备运行、产品质量检查、结批操作、产品外观或设备情况判断、异常排查与处理；
所述虚拟仿真模型在封装工序模拟场景交互过程中，通过文字介绍当前交互内容的详细流程，并配合以模型动画的形式展现模型设备内部运行情况与物料的外观变化情况；
通过3DSmax制作封装前道车间与封装后道车间模型，以及封装工序模拟场景中的设备模型与物料模型，然后通过unity 3D进行参数调整与场景烘焙，最终以第一人称视角展现虚拟仿真模型中的各个场景，并基于Astar寻路方法实现视觉移动；
所述虚拟仿真模型还包括：晶圆制造车间和集成电路测试车间；所述晶圆制造车间用于实现对封装前的工序模拟，模拟场景包括模拟氧化、化学气相淀积、涂胶、曝光、显影、刻蚀、离子注入、物理气相淀积和化学机械抛光；集成电路测试车间用于实现对封装后集成电路测试的工序模拟，模拟场景包括扎针测试、MAP图标定、晶圆烘烤、晶圆外检、重力式测试、编带机编带、平移式测试、转塔式测试、芯片外检和真空包装；
所述虚拟仿真模型还包括起点区域，对应企业实景中的集成电路封装车间入口；起点区域用于选择不同芯片的封装产业线，对应进入展示不同封装工序模拟场景的车间模型。
2.如权利要求1所述一种集成电路封装产业线的虚拟仿真实训系统，其特征在于：所述实训试卷的设计包括考核内容与考核等级的设计；所述考核内容为根据实际生产需求选择工序模拟场景，按流水线顺序组合成操作步骤；所述考核等级包括初级、中级和高级，考核难度逐级递增。
3.如权利要求1所述集成电路封装产业线的虚拟仿真实训系统，其特征在于：所述实训练习模式中，需要按照实际流水线中的生产顺序，依次进行多个工序的模拟练习，并且仅当前置工序的练习得分达到最低要求时，才能解锁下一道工序进行模拟练习。
4.如权利要求2或3所述集成电路封装产业线的虚拟仿真实训系统，其特征在于：初级的考核要点为按顺序完成工序的流程操作；中级的考核要点在初级的基础上增加设备准备、参数判断，并且在流程操作过程中设置错误操作分支；高级的考核要点在中级的基础上增加了故障模拟，考查故障排除与分析。
5.如权利要求3所述集成电路封装产业线的虚拟仿真实训系统，其特征在于：所述实训练习模式中还设置有辅助功能，包括操作提示、语音提示、操作进度保存、操作步骤记录和封装作业指导书，并且每个辅助功能可以独立开启或关闭。
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