印制板组装件三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法与流程

1.本发明涉及印制板组装件三防领域，具体地，涉及一种印制板组装件三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法。


背景技术：

2.三防涂层(膜)可以避免在复杂环境下工作的电子设备印制板组装件受到潮气、盐雾以及霉菌的影响而引发系统故障。当前印制板组装件的三防需求已经逐渐由军工、航天产品逐步向消费级电子产品推广。高效率地针对三防喷涂进行规划、设计以及参数优化已经成为了电子产品生产的重要需求。而消费级电子产品形状的多样性，其上高密度分布的各类元器件形式与结构的多样性，局部三防喷涂需求的多样性，使得高效率三防喷涂规划与参数设计以及优化成为了一个重要的问题。
3.当前针对三防喷涂的研究更多偏向于结构件，即面向各类曲面，以合理的模型进行分割与喷涂轨迹规划。而面向印制板组装件上复杂高密度分布的元器件的结构多样性缺乏适用的方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于印制板组装件三防喷涂的仿真与工艺参数设计优化的方法，该方法充分考虑喷涂对象在三维空间上的复杂结构情况，并充分考虑漆膜在三维空间上的粘附与流动扩散情况，以计算仿真的结果评估喷涂规划与设计的效果，并能够指导优化。该方法使得针对印制板组装件复杂情况的三防喷涂设计更有依据，并能够及时发现规划与参数设计在实施中的潜在缺陷，提升批量产品三防喷涂实施的高效与经济性。
5.根据本发明提供的印制板组装件三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法，包括如下步骤：
6.步骤s1：根据产品对应的工艺场景确定三防材料、印制板组装件对象以及喷涂要求；
7.步骤s2：依据所述工艺场景确定三防喷涂的计算模型，所述计算模型包括喷涂场景三维空间模型、喷涂流量密度分布模型、漆层粘附与流动扩散模型以及喷涂扫描过程模型；
8.步骤s3：依据所述工艺场景通过所述计算模型开展印制板组装件三防的喷涂与参数优化确定最优喷涂参数；
9.步骤s4：根据最优喷涂参数开展喷涂实施。
10.优选地，所述喷涂场景三维空间模型包括印制板基板、元器件、印制板上方区域的三维空间；
11.所述喷涂场景三维空间模型为空间离散体素模型，每个体素在计算模型中以对应的体素属性描述其坐标位置预设置空间范围内的材料变化情况；
12.所述三防喷涂的计算模型通过计算喷涂场景三维空间中各体素的属性随扫描喷涂的时间演化完成对三防喷涂过程的仿真。
13.优选地，所述喷涂流量密度分布模型，用于描述印制板上方空间范围的三防材料喷涂流量密度的分布情况；
14.所述漆层粘附与流动扩散模型，用于描述印制板以及其上元器件上漆液喷涂粘附与漆膜在表面的流动扩散情况，包括漆液喷涂到印制板组装件材料上的粘附系数以及漆膜间剂量梯度相关的流动扩散模型；
15.所述喷涂扫描过程模型，用于描述喷头扫描喷涂的运行轨迹与模式，包括扫描喷涂的喷头中心在三维空间模型中印制板平面上投影的坐标路径函数ps，喷涂扫描各中心坐标点位的停留时间td以及总体扫描次数ns。
16.优选地，所述三防喷涂场景三维空间模型中的体素属性包括：材料μ、粘附时间ts以及体素材料占有率π；
17.所述材料μ至少包括喷涂空间、涂层材料以及元器件与印制板基板材料。
18.优选地，所述步骤s2包括如下步骤：
19.步骤s21：初始化喷涂场景三维空间体素模型与喷涂扫描过程模型；
20.步骤s22：以δt为时刻单位进行迭代计算扫描喷涂的位置并刷新扫描空间的所有体素的π与μ属性；
21.步骤s23：当时刻迭代累积到达依据空间各体素属性μ标记最终喷涂效果，其中，(i,j,k)表示体素位置。
22.优选地，所述步骤s3包括如下步骤：
23.s31：确定待优化的喷涂参数；
24.s32：初始化所述计算模型，设定工艺场景参数，建立n组待优化参数模型，随机初始化待优化参数；
25.s33：将各组待优化参数模型独立并行代入所述计算模型进行喷涂效果仿真计算；
26.s34：将喷涂效果进行评估计算，通过仿真模型中体素状态计算涂层在印制板组装件上各处的厚度，以关键位置厚度偏差的均方根与禁止喷涂区域厚度均值的综合函数评估喷涂参数设计效果；
27.s35：重复s33-s34步骤，直至当喷涂参数设计效果满足设计要求满或达到迭代次数上限。
28.优选地，所述喷涂流量密度分布模型采用依据喷涂试验厚度分布测试获得的经验模型或者喷嘴形状截取的多重高斯分布模型。
29.优选地，所述流动扩散模型为：
30.fd(i,j,k)＝∑df(t
s(nb)
(i,j,k))
·
(π
(nb)
(i,j,k)-π(i,j,k))
31.其中π
(nb)
(i,j,k)为体素(i,j,k)邻居体素属性π；df函数为流动扩散系数，其随着粘附时间增加而减小；t
s(nb)
(i,j,k)为体素(i,j,k)邻居体素的漆膜粘附时间。
32.优选地，所述体素属性随着时间演化的过程为：
[0033][0034][0035]
其中，是t时刻(i,j,k)位置体素材料占有率情况，为基于该体素邻居位置的材料情况的漆液粘附系数，fs是喷涂流量密度模型，fd是流动扩散模型，δt是一个迭代时刻的单位时间，π
full
是体素空间满占的剂量，f为漆液喷涂流量。
[0036]
优选地，所述喷涂扫描过程模型的建立方法为：
[0037]
根据扫描中心位置的间距ds在扫描空间的投影平面上构建扫描点位位置表；
[0038]
依据喷涂要求设定不同位置的喷涂停留时间td；
[0039]
对于无需或者禁止喷涂的区域设置td＝0；
[0040]
依据喷涂扫描策略将扫描点位进行排序，构建坐标路径函数p
s。
[0041]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0042]
1、本发明提供了一种面向印制板组装件三防喷涂规划与设计的快速高效的方法，使得三防喷涂的规划与设计过程更有依据，在面向批量化产品生产时，能降低因设计与规划的缺陷而导致的返修的风险；
[0043]
2、本发明在印制板组装件三防喷涂规划与设计中充分面向印制板组装件产品空间形状各异，其上元器件形状、结构、分布存在的差异对三防喷涂效果产生的影响的情况，更贴合生产实际场景，计算结果更准确；
[0044]
3、本发明在印制板组装件三防喷涂规划与设计中充分考虑了印制板以及元器件上漆膜的粘附、流动扩散以及随时间固化的情况，更贴合生产实际，其仿真效果与评估结论更可靠。
附图说明
[0045]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0046]
图1为本发明实施实例中印制板组装件样品三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法的流程图；
[0047]
图2为本发明实施实例中印制板组装件样件模型与扫描规划；
[0048]
图3为本发明实施实体中印制板组装件样件局部元器件的模型空间体素模型；
[0049]
图4为本发明实施实例中印制板组装件样件局部元器件喷涂仿真效果。
具体实施方式
[0050]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0051]
如图1所示，在本发明实施例中，本发明提供的一种印制板组装件样品三防喷涂仿
真与工艺参数设计优化方法，本发明以图2中的一块试验印制板组装件为目标进行三防喷涂仿真与工艺参数设计优化，喷涂采用选择性自动涂覆设备，采用为圆形口喷头，三防漆为聚氨酯类。
[0052]
针对该印制板组装件进行三防喷涂仿真与工艺参数设计优化，具体过程包括以下步骤：
[0053]
步骤s1：根据产品对应的工艺场景确定三防材料、印制板组装件对象以及喷涂要求；
[0054]
步骤s2：依据所述工艺场景确定三防喷涂的计算模型，所述计算模型包括喷涂场景三维空间模型、喷涂流量密度分布模型、漆层粘附与流动扩散模型以及喷涂扫描过程模型；
[0055]
步骤s3：依据所述工艺场景通过所述计算模型开展印制板组装件三防的喷涂与参数优化确定最优喷涂参数；
[0056]
步骤s4：根据最优喷涂参数开展喷涂实施。
[0057]
在本发明实施例中，在步骤s2中首先建立喷涂场景三维空间模型，该模型需要覆盖包括印制板基板、元器件、印制板上方区域的三维空间。图3中(a)为该空间体素模型在印制板组装件样件局部bga元器件处截面的示意图,(b)为相邻体素示意图，如图所示，每个体素在计算模型中以其属性描述其坐标位置预设置是空间范围内的材料变化情况，其属性具体包括：材料μ、粘附时间ts、体素材料占有率π。所述空间范围如可以设置1毫米以内。体素材料属性μ包括元素{air,coating,component,board}，分别代表喷涂空间(空气)、涂层材料、元器件与基板，体素属性随着时间演化计算方法依据：
[0058][0059][0060]
其中，是t时刻(i,j,k)位置体素的材料占有率情况，为基于该体素邻居位置的材料情况的漆液粘附系数，fs是喷涂流量密度模型，fd是流动扩散模型，δt是一个迭代时刻的单位时间，π
full
是体素空间满占的剂量，f为漆液喷涂流量。
[0061]
在步骤s2中，确定喷涂流量密度分布模型。因为选用圆形喷口，结合喷涂试验的厚度分布，喷涂流量密度分布采用了三重高斯分布模型。
[0062]
在步骤s2中，确定漆层粘附与流动扩散模型。该模型计算方法为：
[0063]
fd(i,j,k)＝∑df(t
s(nb)
(i,j,k))
·
(π
(nb)
(i,j,k)-π(i,j,k))
[0064]
其中π
(nb)
(i,j,k)为体素(i,j,k)邻居体素的π属性，df函数为流动扩散系数，其随着粘附时间增加而减小。依据选用的聚氨酯类漆牌号与实施环境湿度属性确定df函数。
[0065]
在步骤s2中，确定喷涂扫描过程模型。根据设备参数与喷涂需要的厚度确定扫描中心位置的间距ds，并以此间距在在扫描空间的投影平面上构建扫描点位位置表；依据喷涂要求设定不同位置的喷涂停留时间td，在此实例中预设为各点时间相同；对于无需或者禁止喷涂的元器件玻璃二极管区域其td＝0；依据设备的喷涂扫描策略，选择了serpentine模式，将扫描点位进行排序连接，构建坐标路径函数ps，轨迹示意如图2所示。
[0066]
在步骤s3中通过步骤s2中建立的模型进行计算迭代获得最优的工艺参数设计，其中每一次仿真迭代计算都是以时间微元为单位的迭代计算演化，其具体的实施步骤包括：
[0067]
步骤s21：初始化三防喷涂场景三维空间体素模型与喷涂扫描过程模型；
[0068]
步骤s22：以δt为时刻单位进行迭代计算扫描喷涂的位置并刷新扫描空间的所有体素的π与μ属性；
[0069]
步骤s23：当时刻迭代累积到达依据空间各体素属性μ标记最终喷涂效果。
[0070]
在步骤s21中，初始化三维空间体素模型，即将各体素元素材料属性进行设置，其中air材料的体素占有率为0。
[0071]
在步骤s22中时刻δt为单个体素满占的剂量与扫描中心剂量密度比值的1/10。
[0072]
在步骤3中对模型系数的优化，实施例选择了粒子群优化算法，其具体的实施步骤包括：
[0073]
s31：确定待优化的喷涂参数；
[0074]
s32：初始化所述计算模型，设定工艺场景参数，建立n组待优化参数模型，随机初始化待优化参数；
[0075]
s33：将各组待优化参数模型独立并行代入所述计算模型进行喷涂效果仿真计算；
[0076]
s34：将喷涂效果进行评估计算，通过仿真模型中体素状态计算涂层在印制板组装件上各处的厚度，以关键位置厚度偏差的rms与禁止喷涂区域厚度均值的综合函数评估喷涂参数设计效果；
[0077]
s35：重复s33-s34步骤，直至当喷涂参数设计效果满足设计要求满或达到迭代次数上限。
[0078]
在步骤s31中，选择喷涂停留时间td组成的向量定义为待优化的粒子x＝{t
d1
，t
d2
，t
d3
···
t
dn
}。
[0079]
在步骤s32中，初始化模型与粒子群。粒子规模为30，粒子的计算迭代次数设置为100000。首先在预设时间的基础上通过随机扰动，初始化每个粒子。初始化所有粒子的速率为0。
[0080]
在步骤s33中将各组粒子代入模型进行并行仿真。
[0081]
在步骤s34中参数优化的过程即为粒子更新的过程，粒子速率的迭代函数为：
[0082][0083]
其中，t为迭代的时刻，p
i(t)
为该粒子的历史位置最优点，为所有粒子的最优点，为避免计算迭代收敛到局部最优位置，惯性系数ω取0.8，学习系数c1，c2取0.2，随机因数r1，r2取[0,1]范围的随机值。
[0084]
粒子的位置更新则计算为：
[0085][0086]
对每个粒子的适应值函数为：
[0087]
[0088]
(x,y)为印制板平面上体素坐标，n
coating
(x,y)为(x,y)坐标位置印制板法向方向上为coating状态的体素个数，用以描述该位置涂层厚度。
[0089]
即为印制板组装件表面法线方向各处三防漆层满占体素数量的均方根。对于每个粒子在计算适应值的同时，需要计算禁止喷涂区域厚度均值f
fib
。针对粒子更新迭代计算为：
[0090][0091][0092]
f(p
i(t)
)为t时刻粒子pi的适应值，f
fib
为禁止喷涂区域厚度的均值。
[0093]
如此迭代计算，完成最优参数的筛选。最终获得的最优参数应用于实际喷涂实施。印制板组装件样件局部元器件实施喷涂仿真效果如图4中(a)、(b)、(c)所示。
[0094]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

技术特征：
1.一种印制板组装件三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1：根据产品对应的工艺场景确定三防材料、印制板组装件对象以及喷涂要求；步骤s2：依据所述工艺场景确定三防喷涂的计算模型，所述计算模型包括喷涂场景三维空间模型、喷涂流量密度分布模型、漆层粘附与流动扩散模型以及喷涂扫描过程模型；步骤s3：依据所述工艺场景通过所述计算模型开展印制板组装件三防的喷涂与参数优化确定最优喷涂参数；步骤s4：根据最优喷涂参数开展喷涂实施。2.根据权利要求1所述的印制板组装件三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法，其特征在于，所述喷涂场景三维空间模型包括印制板基板、元器件、印制板上方区域的三维空间；所述喷涂场景三维空间模型为空间离散体素模型，每个体素在计算模型中以对应的体素属性描述其坐标位置预设置空间范围内的材料变化情况；所述三防喷涂的计算模型通过计算喷涂场景三维空间中各体素的属性随扫描喷涂的时间演化完成对三防喷涂过程的仿真。3.根据权利要求2所述的印制板组装件三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法，其特征在于，所述喷涂流量密度分布模型，用于描述印制板上方空间范围的三防材料喷涂流量密度的分布情况；所述漆层粘附与流动扩散模型，用于描述印制板以及其上元器件上漆液喷涂粘附与漆膜在表面的流动扩散情况，包括漆液喷涂到印制板组装件材料上的粘附系数以及漆膜间剂量梯度相关的流动扩散模型；所述喷涂扫描过程模型，用于描述喷头扫描喷涂的运行轨迹与模式，包括扫描喷涂的喷头中心在三维空间模型中印制板平面上投影的坐标路径函数p
s
，喷涂扫描各中心坐标点位的停留时间t
d
以及总体扫描次数n
s
。4.根据权利要求2所述的印制板组装件三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法，其特征在于，所述三防喷涂场景三维空间模型中的体素属性包括：材料μ、粘附时间t
s
以及体素材料占有率π；所述材料μ至少包括喷涂空间、涂层材料以及元器件与印制板基板材料。5.根据权利要求4所述的印制板组装件三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法，其特征在于，所述步骤s2包括如下步骤：步骤s21：初始化喷涂场景三维空间体素模型与喷涂扫描过程模型；步骤s22：以δt为时刻单位进行迭代计算扫描喷涂的位置并刷新扫描空间的所有体素的π与μ属性；步骤s23：当时刻迭代累积到达依据空间各体素属性μ标记最终喷涂效果，其中，(i,j,k)表示体素位置。6.根据权利要求1所述的印制板组装件三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法，其特征在于，所述步骤s3包括如下步骤：
s31：确定待优化的喷涂参数；s32：初始化所述计算模型，设定工艺场景参数，建立n组待优化参数模型，随机初始化待优化参数；s33：将各组待优化参数模型独立并行代入所述计算模型进行喷涂效果仿真计算；s34：将喷涂效果进行评估计算，通过仿真模型中体素状态计算涂层在印制板组装件上各处的厚度，以关键位置厚度偏差的均方根与禁止喷涂区域厚度均值的综合函数评估喷涂参数设计效果；s35：重复s33-s34步骤，直至当喷涂参数设计效果满足设计要求满或达到迭代次数上限。7.根据权利要求1所述的印制板组装件三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法，其特征在于，所述喷涂流量密度分布模型采用依据喷涂试验厚度分布测试获得的经验模型或者喷嘴形状截取的多重高斯分布模型。8.根据权利要求1所述的印制板组装件三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法，其特征在于，所述流动扩散模型为：f
d
(i,j,k)＝∑d
f
(t
s(nb)
(i,j,k))
·
(π
(nb)
(i,j,k)-π(i,j,k))其中π
(nb)
(i,j,k)为体素(i,j,k)邻居体素属性π；d
f
函数为流动扩散系数，其随着粘附时间增加而减小；t
s(nb)
(i,j,k)为体素(i,j,k)邻居体素的漆膜粘附时间。9.根据权利要求4所述的印制板组装件三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法，其特征在于，所述体素属性随着时间演化的过程为：为：其中，是t时刻(i,j,k)位置体素材料占有率情况，为基于该体素邻居位置的材料情况的漆液粘附系数，f
s
是喷涂流量密度模型，f
d
是流动扩散模型，δt是一个迭代时刻的单位时间，π
full
是体素空间满占的剂量，f为漆液喷涂流量。10.根据权利要求3所述的印制板组装件三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法，其特征在于，所述喷涂扫描过程模型的建立方法为：根据扫描中心位置的间距d
s
在扫描空间的投影平面上构建扫描点位位置表；依据喷涂要求设定不同位置的喷涂停留时间t
d
；对于无需或者禁止喷涂的区域设置t
d
＝0；依据喷涂扫描策略将扫描点位进行排序，构建坐标路径函数p
s。

技术总结
本发明提供了一种印制板组装件三防喷涂仿真与工艺参数设计优化方法，包括如下步骤：根据产品对应的工艺场景确定三防材料、印制板组装件对象以及喷涂要求；依据所述工艺场景确定三防喷涂的计算模型，所述计算模型包括喷涂场景三维空间模型、喷涂流量密度分布模型、漆层粘附与流动扩散模型以及喷涂扫描过程模型；依据所述工艺场景通过所述计算模型开展印制板组装件三防的喷涂与参数优化确定最优喷涂参数；根据最优喷涂参数开展喷涂实施。本发明能够使得三防喷涂的规划与设计过程更有依据，在面向批量化产品生产时，能降低因设计与规划的缺陷而导致的返修的风险。的缺陷而导致的返修的风险。的缺陷而导致的返修的风险。


技术研发人员：李源 潘叶 柴艳红 黄赛帅 左堃罡
受保护的技术使用者：上海航天电子通讯设备研究所
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/8/9