DE102019209561A1 - Method and device for optimizing a circuit board material for the production of a circuit board using a Bayesian optimization process - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Materialzusammensetzung einer herzustellenden Leiterplatte, wobei die Materialzusammensetzung durch einen Materialparametersatz mit Materialparametern bestimmt ist, mit folgenden Schritten:- Durchführen (S1-S9) eines Bayes'schen Optimierungsverfahrens basierend auf einem probabilistischen Leitfähigkeitsmodell, insbesondere einem Leitfähigkeits-Gaußprozessmodell oder einem Bayes'schen neuronalen Netz-Modell, als Qualitätsfunktion, wobei das probabilistische Leitfähigkeitsmodell eine Abhängigkeit von Leitfähigkeitsunterschieden zu einem vorgegebenen Leitfähigkeitsmodell abhängig von Materialparametern nachbildet, wobei während des Bayes'schen Optimierungsverfahrens Leiterplatten, die entsprechend Test-Materialparametern gefertigt werden, hinsichtlich ihrer thermischen Leitfähigkeit und ihrer Verarbeitbarkeit vermessen werden,wobei das probabilistische Leitfähigkeitsmodell und ein probabilistisches Verarbeitbarkeitsmodell, insbesondere ein Verarbeitbarkeits-Gaußprozessmodell oder ein Verarbeitbarkeits-Bayes'sches neuronales Netz-Modell mit der jeweils gemessenen thermischen Leitfähigkeit und der jeweils gemessenen Verarbeitbarkeit trainiert oder aktualisiert werden,wobei eine Akquisitionsfunktion basierend auf dem probabilistischen Leitfähigkeitsmodell unter Berücksichtigung des probabilistischen Verarbeitbarkeitsmodells optimiert wird, um jeweils einen nächsten Test-Materialparametersatz zur Vermessung der thermischen Leitfähigkeit und der Verarbeitbarkeit einer entsprechend hergestellten Leiterplatte zu erhalten, und- Auswählen (S10) eines Materialparametersatzes für die Materialzusammensetzung der herzustellenden Leiterplatte, um entsprechend des probabilistischen Leitfähigkeitsmodells eine vorgegebene oder maximierte thermischen Leitfähigkeit zu erhalten.The invention relates to a method for determining a material composition of a printed circuit board to be produced, the material composition being determined by a material parameter set with material parameters, with the following steps: - Carrying out (S1-S9) a Bayesian optimization method based on a probabilistic conductivity model, in particular a conductivity Gaussian process model or a Bayesian neural network model, as a quality function, whereby the probabilistic conductivity model simulates a dependence of conductivity differences to a given conductivity model depending on material parameters, whereby during the Bayesian optimization process circuit boards, which are manufactured according to test material parameters, with regard to their thermal conductivity and its processability are measured, with the probabilistic conductivity model and a probabilistic processability model, in particular ere a processability Gaussian process model or a processability Bayesian neural network model with the respectively measured thermal conductivity and the respectively measured processability can be trained or updated, with an acquisition function based on the probabilistic conductivity model being optimized, taking into account the probabilistic processability model, to each to obtain a next test material parameter set for measuring the thermal conductivity and the processability of a printed circuit board manufactured accordingly, and selecting (S10) a set of material parameters for the material composition of the printed circuit board to be manufactured in order to obtain a predetermined or maximized thermal conductivity according to the probabilistic conductivity model.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Leiterplatten, und insbesondere Verfahren zum Optimieren des Leiterplattenmaterials hinsichtlich deren thermischer Leitfähigkeit und Verarbeitbarkeit. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen zur Auswahl von Materialparametern für den Herstellungsprozess von Leiterplatten.The invention relates to the manufacture of printed circuit boards, and in particular to methods for optimizing the printed circuit board material with regard to its thermal conductivity and processability. In particular, the present invention relates to measures for the selection of material parameters for the manufacturing process of printed circuit boards.
Technischer HintergrundTechnical background
Leiterplatten für die Elektronik dienen zum Halten und elektrischen Kontaktieren von elektronischen Bauelementen. Für die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von Leiterplattenelektronik spielt das Abführen von lokal generierter Wärme über die Leiterplatte eine erhebliche Rolle. Wärme entsteht beim Betrieb der Elektronik abhängig von der in den elektronischen Bauelementen umgesetzten elektrischen Leistung. Vor allem für Anwendungen der Leistungselektronik, bei denen die Bauelemente eine hohe Wärmemenge generieren, werden daher neue Materialien mit hoher thermischer Beständigkeit und Leitfähigkeit entwickelt.Circuit boards for electronics are used to hold and make electrical contact with electronic components. The dissipation of locally generated heat via the circuit board plays a significant role in the service life and performance of circuit board electronics. When the electronics are operated, heat is generated depending on the electrical power converted in the electronic components. Especially for applications in power electronics, in which the components generate a high amount of heat, new materials with high thermal resistance and conductivity are being developed.
Die thermische Leitfähigkeit der Leiterplatte kann durch Auswahl, die Beschaffenheit, sowie die Anteile der Materialien variiert werden. Insbesondere kann die thermische Leitfähigkeit durch Nutzung von Füllstoffen erhöht werden, die jedoch die Viskosität erhöhen und damit die Verarbeitbarkeit negativ beeinflussen.The thermal conductivity of the printed circuit board can be varied through the selection, nature and proportions of the materials. In particular, the thermal conductivity can be increased by using fillers, which, however, increase the viscosity and thus have a negative effect on processability.
Bislang kann die thermische Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Materialparameter durch eine deterministische Mischungsregel grob abgeschätzt werden. Hierbei werden lediglich Materialien und Anteile, nicht jedoch der Einfluss von Füllstoffform und -größe berücksichtigt. Ein Modell, das zuverlässig die Verarbeitbarkeit einer Leiterplatte abhängig von deren Materialzusammensetzung vorhersagen kann, ist ebenfalls nicht bekannt.So far, the thermal conductivity can be roughly estimated depending on the material parameters using a deterministic mixing rule. Only materials and proportions are taken into account here, but not the influence of filler shape and size. A model that can reliably predict the processability of a circuit board depending on its material composition is also not known.
Die Materialoptimierung erfordert somit viele Experimente, die jedoch aufwendig sind, da die Leiterplatte entsprechend hergestellt und vermessen werden muss. Somit wird durch die empirische Vorgehensweise lediglich ein zufriedenstellendes Material für eine Leiterplatte ermittelt.Optimizing the material therefore requires many experiments, which are, however, time-consuming, since the circuit board has to be manufactured and measured accordingly. Thus, only a satisfactory material for a circuit board is determined by the empirical procedure.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Materialparametern für die Materialzusammensetzung einer Leiterplatte gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein Herstellungsverfahren für eine Leiterplatte gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.According to the invention, a method and a device for determining material parameters for the material composition of a circuit board according to claim 1 and a device and a manufacturing method for a circuit board according to the independent claims are provided.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further refinements are given in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Materialzusammensetzung einer herzustellenden Leiterplatte vorgesehen, wobei die Materialzusammensetzung durch einen Materialparametersatz mit Materialparametern bestimmt ist, mit folgenden Schritten:
- - Durchführen eines Bayes'schen Optimierungsverfahrens basierend auf einem probabilistischen Leitfähigkeitsmodell, insbesondere einem Leitfähigkeits-Gaußprozessmodell oder einem Bayes'schen neuronalen Netz-Modell, als Qualitätsfunktion, wobei das probabilistische Leitfähigkeitsmodell eine Abhängigkeit von Leitfähigkeitsunterschieden zu einem vorgegebenen Leitfähigkeitsmodell über Materialparametern nachbildet, wobei während des Bayes'schen Optimierungsverfahrens Leiterplatten, die entsprechend Test-Materialparametern gefertigt werden, hinsichtlich ihrer thermischen Leitfähigkeit und ihrer Verarbeitbarkeit vermessen werden, wobei das probabilistische Leitfähigkeitsmodell und ein probabilistisches Verarbeitbarkeitsmodell, insbesondere ein Verarbeitbarkeits-Gaußprozessmodell oder ein Verarbeitbarkeits-Bayes'sches neuronales Netz-Modell, mit der jeweils gemessenen thermischen Leitfähigkeit und der jeweils gemessenen Verarbeitbarkeit trainiert oder aktualisiert werden, wobei eine Akquisitionsfunktion basierend auf dem Leitfähigkeits-Gaußprozessmodell unter Berücksichtigung des probabilistischen Verarbeitbarkeitsmodells optimiert wird, um jeweils einen nächsten Test-Materialparametersatz zur Vermessung der thermischen Leitfähigkeit und der Verarbeitbarkeit einer entsprechend hergestellten Leiterplatte zu erhalten, und
- - Auswählen eines Materialparametersatzes für die Materialzusammensetzung der herzustellenden Leiterplatte, um entsprechend des probabilistischen Leitfähigkeitsmodells eine vorgegebene oder maximierte thermischen Leitfähigkeit zu erhalten.
- - Carrying out a Bayesian optimization method based on a probabilistic conductivity model, in particular a conductivity Gaussian process model or a Bayesian neural network model, as a quality function, the probabilistic conductivity model simulating a dependency of conductivity differences to a given conductivity model using material parameters, with during the Bayesian optimization method Printed circuit boards that are manufactured according to test material parameters are measured with regard to their thermal conductivity and their processability, the probabilistic conductivity model and a probabilistic processability model, in particular a processability Gaussian process model or a processability Bayesian neural network model, be trained or updated with the respective measured thermal conductivity and the respectively measured processability, whereby an acquisition nsfunction is optimized based on the conductivity Gaussian process model, taking into account the probabilistic processability model, in order to obtain a next test material parameter set for measuring the thermal conductivity and the processability of a correspondingly manufactured circuit board, and
- - Selecting a material parameter set for the material composition of the printed circuit board to be produced in order to obtain a predetermined or maximized thermal conductivity in accordance with the probabilistic conductivity model.
Das obige Verfahren nutzt ein Bayes'sches Optimierungsverfahren zur Optimierung von Materialparametern für die Materialzusammensetzung von Leiterplatten. Da mithilfe des Bayes'schen Optimierungsverfahrens eine größere Anzahl von Materialparametern optimiert werden kann, als dies mit vertretbarem Aufwand manuell erfolgen kann, kann die Qualität der Materialzusammensetzung von Leiterplatten deutlich verbessert werden. Zudem können die Einflüsse der manuellen Auswahl von Materialparametern auf die Leiterplatteneigenschaften und insbesondere deren Variabilität reduziert werden.The above method uses a Bayesian optimization method to optimize material parameters for the material composition of printed circuit boards. Since a larger number of material parameters can be optimized with the aid of the Bayesian optimization method than can be done manually with justifiable effort, the quality of the material composition of circuit boards can be significantly improved. In addition, the influences of the manual selection of Material parameters can be reduced to the circuit board properties and especially their variability.
Um neben dem Bayes'schen Optimierungsverfahren auch ein bekanntes Wissen zu berücksichtigen, kann ein bereits bekanntes Leiterplattenmodell, das auf Expertenwissen über den Zusammenhang zwischen Materialanteilen und thermischer Leitfähigkeit basiert, verwendet werden. Eine solche Kombination aus einem Machine-Learning-Modell und einem vorhandenen Leiterplattenmodell ermöglicht es, eine Materialzusammensetzung eines Leiterplattenmaterials gemäß vorgegebener Leistungsparameter zu optimieren. Das Machine-Learning-Modell lernt einerseits Ungenauigkeiten bezogen auf das Leiterplattenmodell und ermöglicht so, präzise Voraussagen über die Leitfähigkeit zu treffen. Gleichzeitig ermöglicht das Machine-Learning-Modell, die Verarbeitbarkeit der Leiterplatten zu berücksichtigen.In order to also take known knowledge into account in addition to the Bayesian optimization method, an already known circuit board model based on expert knowledge about the relationship between material proportions and thermal conductivity can be used. Such a combination of a machine learning model and an existing circuit board model makes it possible to optimize a material composition of a circuit board material according to predetermined performance parameters. On the one hand, the machine learning model learns inaccuracies related to the circuit board model and thus enables precise predictions to be made about conductivity. At the same time, the machine learning model enables the processability of the circuit boards to be taken into account.
Eine Idee des obigen Verfahrens ist ein hybrides Machine-Learning-Modell, das die Kombination eines Leiterplattenmodells zur Abschätzung einer thermischen Leitfähigkeit mit einem probabilistischen Leitfähigkeitsmodell, wie z.B. einem Leitfähigkeits-Gauß-Prozessmodell, für die Modellierung der Ungenauigkeit bei der Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit durch das Leiterplattenmodell und einem probabilistischen Verarbeitbarkeitsmodell, wie z.B. einem Verarbeitbarkeits-Gaußprozess-Modell, für die Bewertung der Verarbeitbarkeit des Materials bietet. Dadurch wird eine optimale Lösung bei geringem experimentellem Aufwand erreicht. Die Optimierung der Materialzusammensetzung der Leiterplatte erfolgt mithilfe eines Bayes'schen Optimierungsverfahrens. Da mithilfe des Bayes'schen Optimierungsverfahrens eine größere Anzahl von Materialparametern optimiert werden kann, als dies mit vertretbarem Aufwand manuell erfolgen kann, kann die Qualität des Leiterplattenmaterials bezüglich der thermischen Leitfähigkeit und der Verarbeitbarkeit deutlich verbessert werden.One idea of the above method is a hybrid machine learning model that combines a circuit board model for estimating a thermal conductivity with a probabilistic conductivity model, e.g. a conductivity Gaussian process model, for modeling the inaccuracy in the determination of the thermal conductivity by the circuit board model and a probabilistic processability model, e.g. a processability Gaussian process model for evaluating the processability of the material. In this way, an optimal solution is achieved with little experimental effort. The material composition of the printed circuit board is optimized using a Bayesian optimization process. Since a larger number of material parameters can be optimized with the aid of the Bayesian optimization method than can be done manually with justifiable effort, the quality of the circuit board material in terms of thermal conductivity and processability can be significantly improved.
Weiterhin kann die Akquisitionsfunktion basierend auf dem probabilistischen Leitfähigkeitsmodell mit einer Nebenbedingung optimiert werden, wobei die Nebenbedingung vorsieht, dass die Verarbeitbarkeit einer Leiterplatte bezüglich des zu ermittelnden Test-Materialparametersatzes eine insbesondere durch einen Verarbeitungsschwellenwert angegebene Mindest-Verarbeitbarkeit haben soll.Furthermore, the acquisition function can be optimized based on the probabilistic conductivity model with a secondary condition, the secondary condition providing that the processability of a circuit board with respect to the test material parameter set to be determined should have a minimum processability specified in particular by a processing threshold value.
Insbesondere kann bei der Bewertung der Nebenbedingung eine Schätzunsicherheit des Verarbeitungs-Gaußprozessmodells, insbesondere eine Standardabweichung des erwarteten Verarbeitungsmaßes, berücksichtigt werden.In particular, an estimation uncertainty of the processing Gaussian process model, in particular a standard deviation of the expected processing measure, can be taken into account when evaluating the secondary condition.
Gemäß einer Ausführungsform kann das vorgegebene Leitfähigkeitsmodell einem nicht-stochastischen mathematischen Modell entsprechen, das in einer Näherung die Abhängigkeit der thermischen Leitfähigkeit einer Leiterplatte über einen oder mehrere der Materialparameter, mit denen die betreffende Leiterplatte ausgebildet ist, abbildet.According to one embodiment, the predefined conductivity model can correspond to a non-stochastic mathematical model that approximates the dependency of the thermal conductivity of a circuit board on one or more of the material parameters with which the circuit board in question is formed.
Insbesondere kann der Leitfähigkeitsunterschied einen Unterschied, insbesondere eine Differenz, einer durch das vorgegebene Leitfähigkeitsmodell bestimmten Leitfähigkeit und einer thermischen Leitfähigkeit einer Leiterplatte angeben, die durch eine durch die jeweiligen Materialparameter bestimmten Materialzusammensetzung gefertigt ist.In particular, the conductivity difference can indicate a difference, in particular a difference, between a conductivity determined by the predefined conductivity model and a thermal conductivity of a printed circuit board that is manufactured by a material composition determined by the respective material parameters.
Weiterhin können die Materialparameter aus einem oder mehreren der folgenden Parameter ausgewählt sein:
- - die Art eines Matrixmaterials,
- - die Art eines oder mehrerer Füllstoffe,
- - den Anteil des Matrixmaterials,
- - den Anteil eines oder mehrerer der Füllstoffe,
- - der Größe der Füllstoffpartikel,
- - der Größenverteilung der Füllstoffpartikel,
- - der Form der Füllstoffpartikel.
- - the type of matrix material,
- - the type of one or more fillers,
- - the proportion of the matrix material,
- - the proportion of one or more of the fillers,
- - the size of the filler particles,
- - the size distribution of the filler particles,
- - the shape of the filler particles.
Es kann vorgesehen sein, dass der Materialparametersatz abhängig von einem vorgegebenen Konfidenzniveau ausgewählt wird, so dass nur einer von Materialparametersätzen ausgewählt wird, bei dem die Summe des Erwartungswerts des probabilistischen Verarbeitbarkeitsmodells und der maximalen Grenze eines Toleranzbandes, das angibt, dass sich der tatsächliche Wert der Verarbeitbarkeit mit einer durch das Konfidenzniveau vorgegebenen Wahrscheinlichkeit innerhalb des Toleranzbandes befindet, größer ist als die vorgegebene minimale Verarbeitbarkeit.Provision can be made for the material parameter set to be selected depending on a predetermined confidence level, so that only one of material parameter sets is selected in which the sum of the expected value of the probabilistic processability model and the maximum limit of a tolerance band that indicates that the actual value of the Processability with a probability specified by the confidence level within the tolerance band is greater than the specified minimum processability.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Materialzusammensetzung einer herzustellenden Leiterplatte vorgesehen, wobei die Materialzusammensetzung durch einen Materialparametersatz mit Materialparametern bestimmt ist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- - ein Bayes'schen Optimierungsverfahren basierend auf einem probabilistischen Leitfähigkeitsmodell als Qualitätsfunktion durchzuführen, wobei das probabilistische Leitfähigkeitsmodell eine Abhängigkeit von Leitfähigkeitsunterschieden zu einem vorgegebenen Leitfähigkeitsmodell abhängig von Materialparametern nachbildet, wobei während des Bayes'schen Optimierungsverfahrens Leiterplatten, die entsprechend Test-Materialparametern gefertigt werden, hinsichtlich ihrer thermischen Leitfähigkeit und ihrer Verarbeitbarkeit vermessen werden, wobei das probabilistische Leitfähigkeitsmodell und ein probabilistisches Verarbeitbarkeitsmodell mit der jeweils gemessenen thermischen Leitfähigkeit und der jeweils gemessenen Verarbeitbarkeit trainiert oder aktualisiert werden, wobei eine Akquisitionsfunktion basierend auf dem probabilistischen Leitfähigkeitsmodell unter Berücksichtigung des probabilistischen Verarbeitbarkeitsmodells optimiert wird, um jeweils einen nächsten Test-Materialparametersatz zur Vermessung der thermischen Leitfähigkeit und der Verarbeitbarkeit einer entsprechend hergestellten Leiterplatte zu erhalten,
- - Einen Materialparametersatz für die Materialzusammensetzung der herzustellenden Leiterplatte auszuwählen, um entsprechend des probabilistischen Leitfähigkeitsmodells eine vorgegebene oder maximierte thermischen Leitfähigkeit zu erhalten.
- - Carry out a Bayesian optimization method based on a probabilistic conductivity model as a quality function, the probabilistic conductivity model simulating a dependency of conductivity differences to a given conductivity model depending on material parameters, with printed circuit boards manufactured according to test material parameters during the Bayesian optimization method, are measured with regard to their thermal conductivity and their workability, the probabilistic conductivity model and a probabilistic workability model being trained or updated with the respective measured thermal conductivity and the respective measured processability, with an acquisition function based on the probabilistic conductivity model being optimized taking into account the probabilistic workability model, in order to obtain a next test material parameter set for measuring the thermal conductivity and the processability of a correspondingly manufactured circuit board,
- - Select a set of material parameters for the material composition of the printed circuit board to be manufactured in order to obtain a predetermined or maximized thermal conductivity according to the probabilistic conductivity model.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Funktionsblockdiagramms zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Optimierung der Materialzusammensetzung für die Herstellung einer Leiterplatte; -
2 ein Funktionsblockdiagramm zur Veranschaulichung der Funktion des Bestimmens eines Materialparametersatzes für eine Materialzusammensetzung einer Leiterplatte; und -
3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte zum Ermitteln der Materialzusammensetzung für die Herstellung einer Leiterplatte.
-
1 a schematic representation of a functional block diagram to illustrate the method for optimizing the material composition for the production of a circuit board; -
2 a functional block diagram to illustrate the function of determining a material parameter set for a material composition of a circuit board; and -
3 a flow chart to illustrate the method steps for determining the material composition for the production of a printed circuit board.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Mithilfe einer Testeinrichtung
Ziel des nachfolgend beschriebenen Verfahrens besteht darin, die Materialzusammensetzung zur Herstellung einer Leiterplatte zur Verfügung zu stellen. Diese Leiterplatten sollen eine gute Verarbeitbarkeit und eine möglichst hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen, um im Betrieb der aufgebrachten Elektronik Wärme von Hotspots abzuführen. Je nach Anwendung der Leiterplattenelektronik, wie beispielsweise Datenverarbeitung oder Leistungselektronik, sind die Anforderungen an die thermische Leitfähigkeit für Leiterplatten unterschiedlich. Da die Verarbeitbarkeit in der Regel mit besserer thermischer Leitfähigkeit abnimmt, ist eine an die Anwendung angepasste Abstimmung der Materialzusammensetzung der Leiterplatte sinnvoll.The aim of the method described below is to provide the material composition for the production of a printed circuit board. These circuit boards should have good processability and the highest possible thermal conductivity in order to dissipate heat from hotspots during operation of the applied electronics. Depending on the application of circuit board electronics, such as data processing or power electronics, the requirements for thermal conductivity for circuit boards are different. Since the processability usually decreases with better thermal conductivity, it makes sense to adapt the material composition of the circuit board to the application.
Diesbezüglich sieht das nachfolgend beschriebene Verfahren vor, für eine gegebene minimale Verarbeitbarkeit eine Leiterplatte zur Verfügung zu stellen, die eine hinsichtlich der Art der aufzubringenden Leiterplattenelektronik optimale Leitfähigkeit aufweist. Die Materialzusammensetzung der Leiterplatte bestimmt sich aus einer Reihe von Materialparametern, die beispielsweise aus einem oder mehreren der folgenden Parameter ausgewählt sein können:
- - die Art eines Matrixmaterials,
- - die Art eines oder mehrerer Füllstoffe,
- - den Anteil des Matrixmaterials,
- - den Anteil eines oder mehrerer der Füllstoffe,
- - der Größe der Füllstoffpartikel,
- - der Größenverteilung der Füllstoffpartikel,
- - der Form der Füllstoffpartikel
- - the type of matrix material,
- - the type of one or more fillers,
- - the proportion of the matrix material,
- - the proportion of one or more of the fillers,
- - the size of the filler particles,
- - the size distribution of the filler particles,
- - the shape of the filler particles
Das Verfahren zum Optimieren der Materialparameter wird nachfolgend anhand des Funktionsdiagramms der
In Block
In dem Block
Gleichzeitig wird in Block
In Block
In Block
Als Ergebnis der Berechnung des Leitfähigkeitsmodells ergibt sich eine modellierte thermische Leitfähigkeit. Die in einem Differenzblock
Weiterhin wird basierend auf dem Verarbeitbarkeitsmaß ein Verarbeitbarkeits-Gaußprozessmodell
Grundsätzlich besteht das Problem darin, Materialparameter zu finden, die zu einem verbesserten bzw. optimierten Leiterplattenmaterial führen, d.h. einer Materialzusammensetzung mit einer möglichst hohen thermischen Leitfähigkeit und einer Verarbeitbarkeit, die eine Mindestanforderung erfüllt. Dazu wird eine von den Materialparametern abhängige Qualitätsfunktion (Kostenfunktion) ausgewertet.Basically, the problem is to find material parameters that lead to an improved or optimized circuit board material, i.e. a material composition with the highest possible thermal conductivity and processability that meets a minimum requirement. For this purpose, a quality function (cost function) dependent on the material parameters is evaluated.
Im Allgemeinen wird die Bayes'sche Optimierung angewendet, wenn eine unbekannte Funktion f, eine sogenannte „Black-Box“-Funktion, optimiert werden soll. Diese unbekannte Funktion f kann lediglich für einen Wert x ausgewertet und (möglicherweise durch Rauschen behaftet) beobachtet werden. Der beobachtete Wert y ergibt sich als y = f(x) + e, wobei e das Rauschen bezeichnet. Zudem wird angenommen, dass jede Auswertung bzw. Vermessung der unbekannten Funktion f teuer ist, d.h. Kosten verursacht, in dem Sinne, dass die Durchführung eines Testverfahrens zur Vermessung der unbekannten Funktion einen hohen Aufwand verursacht, wie es z.B. bei einer Ausführung eines Testverfahrens in der Testeinrichtung der Fall ist. Aufgrund der „teuren“ Vermessung der unbekannten Funktion ist es erstrebenswert, dass für die Optimierung lediglich wenige Vermessungen vorgenommen werden müssen bzw. die Kosten für die Vermessungen (insbesondere bestimmt durch deren Zeit- und Materialaufwand) so gering wie möglich sind.In general, Bayesian optimization is used when an unknown function f, a so-called “black box” function, is to be optimized. This unknown function f can only be evaluated and observed (possibly affected by noise) for a value x. The observed value y results as y = f (x) + e, where e denotes the noise. It is also assumed that every evaluation or measurement of the unknown function f is expensive, i.e. Caused costs, in the sense that the implementation of a test procedure for measuring the unknown function causes a lot of effort, as is e.g. is the case when a test procedure is carried out in the test facility. Due to the "expensive" measurement of the unknown function, it is desirable that only a few measurements have to be carried out for the optimization or that the costs for the measurements (especially determined by the time and material expenditure) are as low as possible.
Unter gewissen Vorannahmen, wie z.B. der Stetigkeit der unbekannten Funktion, kann die Qualitätsfunktion mit einer Gaußprozess-Regression in einem Gaußprozessmodell bzw. einem Funktionsmodell approximiert werden. Ein Gaußscher Prozess ist ein universeller Funktionsapproximator, der als Surrogatfunktion für die unbekannte Qualitätsfunktion benutzt wird. Üblicherweise basieren numerische Optimierungsalgorithmen auf sehr vielen, sehr billigen Auswertungen / Vermessungen der Optimierungsfunktionen. Wenn die Funktionsauswertungen jedoch aufwendig sind, wie z. B. das Durchführen einer der obigen Testverfahren, kann man die herkömmlichen Optimierungsalgorithmen nicht mehr verwenden. Stattdessen nutzt man das Bayes'sche Optimierungsverfahren, das eine Modellierung der Qualitätsfunktion in Form einer Surrogatfunktion beinhaltet. Dabei beschreibt die Qualitätsfunktion das Verhalten des Systems und gibt einen Qualitätswert abhängig von den Parametern, mit denen das System betrieben wird, an.Under certain assumptions, e.g. the continuity of the unknown function, the quality function can be approximated with a Gaussian process regression in a Gaussian process model or a function model. A Gaussian process is a universal function approximator that is used as a surrogate function for the unknown quality function. Usually numerical optimization algorithms are based on many, very cheap evaluations / measurements of the optimization functions. However, if the function evaluations are complex, such as If, for example, one of the above test procedures is carried out, the conventional optimization algorithms can no longer be used. Instead, the Bayesian optimization method is used, which includes modeling of the quality function in the form of a surrogate function. The quality function describes the behavior of the system and gives a quality value depending on the parameters with which the system is operated.
Dazu kann nach einem Vermessen der Qualitätsfunktion an mehreren Auswertungspunkten, d.h. Test-Materialparametern und Beobachtung der entsprechenden Funktionswerte, d.h. der jeweilige Qualitätswert (thermische Leitfähigkeit) mithilfe des Gaußprozesses ein Modell der Qualitätsfunktion aufgestellt werden. Eine Eigenschaft des Gauß-Prozesses ist, dass in Bereichen in der Nähe der vermessenen Test-Materialparameter die Modellvorhersage sehr gut ist und die Qualitätsfunktion gut approximiert wird. Dies spiegelt sich in einer geringen Unsicherheit des Funktionsmodells wider. Fernab von Auswertungspunkten werden die Modellvorhersagen über die Qualitätsfunktion schlecht und die Unsicherheit nimmt mit zunehmendem Abstand zu den vermessenen Test- Materialparametern zu.For this purpose, after measuring the quality function at several evaluation points, i.e. Test material parameters and observation of the corresponding functional values, i.e. the respective quality value (thermal conductivity) a model of the quality function can be set up using the Gaussian process. A property of the Gaussian process is that in areas in the vicinity of the measured test material parameters, the model prediction is very good and the quality function is approximated well. This is reflected in a low level of uncertainty in the functional model. Far away from evaluation points, the model predictions about the quality function become poor and the uncertainty increases with increasing distance from the measured test material parameters.
Eine mögliche Strategie, um die Qualitätsfunktion zu optimieren, ist, die Qualitätsfunktion an vielen verschiedenen Stellen (z.B. auf einem regelmäßigen Gitter) auszuwerten und den niedrigsten beobachteten Funktionswert als das Ergebnis der Optimierung anzunehmen. Dieses Vorgehen ist ineffizient und es sind viele Messvorgänge mit den Testverfahren mit entsprechend hohem Aufwand notwendig, um das Optimum aufzufinden.A possible strategy to optimize the quality function is to evaluate the quality function in many different places (e.g. on a regular grid) and to take the lowest observed function value as the result of the optimization. This procedure is inefficient and many measurement processes with the test procedures are necessary with a correspondingly high level of effort to find the optimum.
Sind für die gegebene Optimierungsaufgabe mehrere Qualitätsfunktionen relevant, wie zum Beispiel thermische Leitfähigkeit und Verarbeitbarkeit, können mehrere Gaußprozessmodelle verwendet werden.If several quality functions are relevant for the given optimization task, such as thermal conductivity and processability, several Gaussian process models can be used.
Anstelle dieses Ansatzes wird ein Gaußprozessmodell verwendet, um neue Test-Materialparameter auszuwählen.Instead of this approach, a Gaussian process model is used to select new test material parameters.
Dazu wird in Block
Beim Bayes'schen Optimierungsverfahren werden also mithilfe der Akquisitionsfunktion die Vermessungen zum Bestimmen der Qualitätsfunktion so optimiert, dass diese nicht unbedingt insgesamt die geringste Unsicherheit aufweisen, sondern eine möglichst hohe Aussagekraft über die Lage des Optimums, d. h. denjenigen Materialparametersatz, an dem der größtmögliche Qualitätswert erreicht werden kann, haben.In the Bayesian optimization method, the measurements for determining the quality function are optimized with the aid of the acquisition function in such a way that they do not necessarily have the lowest uncertainty overall, but rather the highest possible information about the position of the optimum, i.e. H. have the material parameter set at which the highest possible quality value can be achieved.
Die Akquisitionsfunktion nutzt allgemein Parameter der Qualitätsfunktion, die durch ein Gauß-Prozess-Modell beschrieben wird, wie z.B. den Gaußprozess-Mittelwert µ (x) und die Gauß-Prozess-Standardabweichung σ (x). Ein Beispiel ist die sogenannte Lower-Confidence-Bound (LCB) Akquisitionsfunktion oder die Upper-Confidence-Bound (UCB) Akquisitionsfunktion, die wie folgt beschrieben werden: LCB(x) = µ (x) - kσ (x) bzw. UCB(x) = µ (x) + kσ (x). Der Faktor k wird in der Praxis oft konstant z.B. auf einen bestimmten Wert festgelegt, wie z.B. k = 2. Dieses neue Kriterium kann effizient mit gängigen gradienten-basierten Methoden minimiert bzw. maximiert werden und das Minimum von LCB(x) bzw. das Maximum von UCB(x) bildet dann die neuen Test-Materialparameter für die Qualitätsfunktion. Hierbei ist zu beachten, dass für die Optimierung der Akquisitionsfunktion eine Optimierungsdomäne definiert werden muss, in der nach den nächsten Test-Materialparametern gesucht wird. Diese Domäne wird typischerweise aufgrund von Erfahrungs- und/oder Expertenwissen gewählt.The acquisition function generally uses parameters of the quality function, which is described by a Gaussian process model, e.g. the Gaussian process mean µ (x) and the Gaussian process standard deviation σ (x). An example is the so-called Lower Confidence Bound (LCB) acquisition function or the Upper Confidence Bound (UCB) acquisition function, which are described as follows: LCB (x) = µ (x) - kσ (x) or UCB ( x) = µ (x) + kσ (x). The factor k is often constant in practice e.g. set to a certain value, such as k = 2. This new criterion can be efficiently minimized or maximized with common gradient-based methods and the minimum of LCB (x) or the maximum of UCB (x) then forms the new test material parameters for the quality function. It should be noted here that an optimization domain must be defined for the optimization of the acquisition function, in which the next test material parameters are searched for. This domain is typically chosen based on experience and / or expert knowledge.
Neben den obigen Akquisitionsfunktionen sind andere Akquisitionsfunktionen bekannt, wie z.B. Expected Improvement (EI), Probability of Improvement (PI) oder sogenannte Entropy Search Methoden, die auf informations-theoretischen Überlegungen basieren.Besides the above acquisition functions, other acquisition functions are known, such as e.g. Expected Improvement (EI), Probability of Improvement (PI) or so-called entropy search methods that are based on information-theoretical considerations.
Im vorliegenden Fall berücksichtigt die Akquisitionsfunktion zunächst die Summe aus der modellierten thermischen Leitfähigkeit und der durch das Leitfähigkeits-Gaußprozessmodell bestimmten thermischen Leitfähigkeit wie folgt: UCB(x) = +ƒphys(x) + µ (x) + kσ (x) und maximiert diese, um den nächsten Test-Materialparametersatz zu ermitteln. Die Optimierung erfolgt unter einer Nebenbedingung, die das Verarbeitbarkeits-Gaußprozessmodell berücksichtigt. Insbesondere kann die Maximierung der obigen Upper Confidence Bound UCB unter der Nebenbedingung erfolgen, dass die erwartete Verarbeitbarkeit gemäß dem Verarbeitbarkeits-Gaußprozessmodell einen vorgegebenen Verarbeitsbarkeitsschwellenwert von z.B. 0,9 übersteigt (wobei eine Verarbeitbarkeit umso besser ist, je höher der Betrag des Verarbeitungsmaßes ist). Insbesondere kann hierbei der Prognosefehler der Verarbeitbarkeit berücksichtigt werden, indem die erwartete Verarbeitbarkeit um die entsprechende Standardabweichung (Schätzfehler aus dem Verarbeitbarkeits-Gaußprozessmodell) reduziert wird, so dass das Kriterium der Nebenbedingung den um die Standardabweichung der erwarteten Verarbeitbarkeit reduzierten Wert mit dem vorgegebenen Verarbeitsbarkeitsschwellenwert vergleicht.In the present case, the acquisition function first takes into account the sum of the modeled thermal conductivity and the thermal conductivity determined by the conductivity Gaussian process model as follows: UCB (x) = + ƒ phys (x) + µ (x) + kσ (x) and maximized this to determine the next test material parameter set. The optimization takes place under a secondary condition that takes into account the processability Gaussian process model. In particular, the above Upper Confidence Bound UCB can be maximized under the constraint that the expected processability according to the processability Gaussian process model exceeds a specified processability threshold of, for example, 0.9 (the processability being better the higher the amount of processing). In particular, the processability forecast error can be taken into account by reducing the expected processability by the corresponding standard deviation (estimation error from the processability Gaussian process model), so that the secondary condition criterion compares the value reduced by the standard deviation of the expected processability with the specified processability threshold.
Nach der Optimierung der Akquisitionsfunktion steht der nächste Test-Materialparametersatz zur Verfügung, mit dem eine erneute Vermessung durchgeführt werden kann.After optimizing the acquisition function, the next test material parameter set is available, with which a new measurement can be carried out.
Durch Anwenden einer Akquisitionsfunktion auf die Summe aus modellierter thermischer Leitfähigkeit und der durch das Leitfähigkeits-Gaußprozessmodell ermittelte Leitfähigkeitsdifferenz unter der Nebenbedingung, dass die erwartete Verarbeitbarkeit abzüglich eines von deren Standardabweichung abhängigen Terms größer ist als ein vorgegebener Verarbeitsbarkeitsschwellenwert, wird ein neuer Satz von Materialparametern ausgewählt.A new set of material parameters is selected by applying an acquisition function to the sum of the modeled thermal conductivity and the conductivity difference determined by the conductivity Gaussian process model under the constraint that the expected processability minus a term dependent on its standard deviation is greater than a specified processability threshold.
In Schritt
In Schritt
Der Materialparametersatz kann aus der Menge von Materialparametersätzen ausgewählt werden, für die die Summe des Erwartungswerts des Leitfähigkeits-Gaußprozessmodells und des Funktionswerts des vorgegebenen Leitfähigkeitsmodells größer ist als die vorgegebene minimale thermische Leitfähigkeit.The material parameter set can be selected from the set of material parameter sets for which the sum of the expected value of the conductivity Gaussian process model and the functional value of the predefined conductivity model is greater than the predefined minimum thermal conductivity.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Materialparametersatz abhängig von einem vorgegebenen Konfidenzniveau ausgewählt werden, so dass nur ein Materialparametersatz ausgewählt wird, bei dem die Summe des Erwartungswerts des Leitfähigkeits-Gaußprozessmodells und des Funktionswerts des vorgegebenen Leitfähigkeitsmodells und der maximalen Grenze eines Toleranzbandes um den Erwartungswert des Leitfähigkeits-Gaußprozessmodells, das angibt, dass sich der tatsächliche Wert der thermischen Leitfähigkeit mit einer durch das Konfidenzniveau vorgegebenen Wahrscheinlichkeit innerhalb des Toleranzbandes befindet, größer ist als die vorgegebene minimale thermische Leitfähigkeit.According to a further embodiment, the material parameter set can be selected as a function of a predetermined confidence level, so that only one material parameter set is selected in which the sum of the expected value of the conductivity Gaussian process model and the functional value of the predetermined conductivity model and the maximum limit of a tolerance band around the expected value of the conductivity -Gauss process model, which indicates that the actual value of the thermal conductivity is within the tolerance band with a probability predetermined by the confidence level, is greater than the predetermined minimum thermal conductivity.
Anschließend wird in Schritt
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CN117748507B (en) * | 2024-02-06 | 2024-05-03 | 四川大学 | Distribution network harmonic access uncertainty assessment method based on Gaussian regression model |
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