一种多粒度SMT产线能耗建模方法

本发明是一种多粒度SMT产线能耗建模方法，隶属于能耗检测与能效控制领域。

目前全球集成电路产业正进入重大调整变革期，美、日、韩以及部分欧洲国家都在不断追加对集成电路产业的研发与制造投入。加快推进新一代集成电路的技术研发与制造能力建设，发展高新技术，抢占新一代信息技术市场制高点已成为实现经济结构转型的重要举措之一。

集成电路封装基板又可称为IC封装基板(integrated circuit PackageSubstrate)，提供了芯片和组装电路板之间的电气互连，同时为芯片提供保护、机械支撑和散热通道，并正在承担更多的系统集成功能。表面贴装技术(Surface MountedTechnology，SMT)是在裸装基板上贴片，构建集成电路芯片的载体。

尽管地方政府对集成电路封装基板制造业大力支持，推进SMT产业，但项目组对市内及周边地区企业调研发现，SMT技术业已成熟，但国内外竞争激烈，如何实现节能降耗，进一步压缩工艺成本，提高单位产品能效是该行工业积极探索的问题，为集成电路及相关产品的研发、生产提供了新的契机，抢抓新一轮发展机遇，增强产品竞争力，推动产业实现跨越式发展，是当前SMT行业面临的“卡脖子”问题。

据不完全统计，我国拥有离散制造系统和机械设备，世界保有量第一，能耗总量大，其能量利用率平均低于30％，欧美等国甚至认为实际制造所需能量仅需总耗能的15％。SMT封装系统作为典型的离散系统，主要工艺包含数控钻孔、电路互联孔化、贴感光膜、曝光、显影、蚀刻、剥膜、AOI光学检查、印刷油墨、表面处理、通断测试、补强/贴胶、冲切、封装/组装、功能性测试、外观检测等。通用半导体双面柔性SMT封装过程至少需要40道工序，生产流程长、加工设备种类多，能耗总量巨大，能效精细化管控研究意义非凡。本专利提出一种多粒度SMT产线能耗建模方法，对建立拥有自主知识产权、可持续发展、推动本地区集成电路封装产业以及智能制造产业核心技术的发展，提高企业的核心竞争力等方面有积极的意义。主要表现为如下几个方面：

①加强集成电路封装技术能效精准控制、节能降耗共性技术攻关，促进设备级、产线级、系统级等多层多粒度多来源能耗建模技术，为SMT产线精准在线能效优化技术、高保真物理空间-孪生空间映射技术等核心技术领域研究提供基础，最终助力SMT产线能耗度量、预测、控制和孪生演化的实现。

②深入推进集成电路封装技术、智能制造技术同信息网络融合创新，赋值制造服务，推动SMT封装产线的智能能耗管理落地，实现制造过程同信息网络融合，完成高位价值链转型，将产生巨大经济效益。

本专利提出一种多粒度SMT产线能耗建模方法，构建三元矩阵组，利用实时属性、功率和累计计时，实现SMT设备能耗、工艺能耗、产线能耗、订单能耗、车间或企业能耗的实时能耗、状态能耗与运行总能耗的建模与计算。

首先构建属性attribution矩阵(简称[a]矩阵)，矩阵为[total×3]阶矩阵，矩阵为total维横向量，表示参与能量流建模的total台设备；矩阵的3维列向量表征设备的三种状态，分别表征启动＝starting，休眠＝dormant，工作状态＝working。 [a]矩阵如下所示：

表示SMT产线n设备i在启动阶段的布尔属性，“0”表征未处于工作状态，“1”表征处于工作状态；表示SMT产线n设备i在休眠阶段的布尔属性，“0”表征未处于休眠状态，“1”表征处于休眠状态；表示示SMT 产线n设备i在工作阶段的布尔属性，“0”表征未处于工作状态，“1”表征处于工作状态。互斥且可同时为“0”，此时表征停机状态。

其次，构建功率power矩阵(简称[p]矩阵)和计时timer矩阵(简称[t]矩阵)

同理，[p]矩阵的意义类似，但[p]矩阵是静态矩阵，记录每条产线每台设备各个状态下的功率。[t]矩阵表征维持该种状态的时间，是累积结果。

然后，设定标准采集时间t，t表征在单位t时间内，工作状态的布尔属性未改变，从精确角度考虑，t趋近于极限小才可表征t时间段内布尔属性未改变状态。但工程应用需同时兼顾理论与实际，计算能力浪费和通信带宽占用等也需考虑在内，因此设定合理t十分有必要。本发明将t设定为生产节拍。因此t矩阵的累加计算公式为：

三矩阵的能耗矩阵计算公式为：

“·”表示点乘，[E]表示能耗。

之后，构建多粒度SMT产线能耗计算范式，具体包括设备能耗、工艺能耗、产线能耗、订单能耗、车间或企业能耗的实时能耗、状态能耗与运行总能耗等。如表1所示。

最终，依托表1中计算公式，得到多粒度SMT产线能耗数据与能量流向。

图1基于三矩阵的多粒度能耗建模流图；

图2某SMT车间及产线工艺；

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

如图2所示，SMT主要工艺包含数控钻孔、电路互联孔化、贴感光膜、曝光、显影、蚀刻、剥膜、AOI光学检查、印刷油墨、表面处理、通断测试、补强/贴胶、冲切、封装/组装、功能性测试、外观检测等。通用半导体双面柔性SMT 封装过程至少需要40道工序，其中单轴自动切台、三工位贴合机、0.5M/0.6M/1M 接驳台、3.6M平行移栽机、1M升降机、各类测试机、暂存机、开式固定台压力机、自动对位非平行光曝光机等能耗相对较低(功率低于1KW)，未进行本案例分析；本案例主要的能耗监测设备包括：冲床、UV固化炉、自动光学检测机、高精密双台式网印记、全自动锡膏印刷机、全自动视觉异形贴装机、模组型高速多功能贴片机、全自动离线喷码机、自动贴片机、10温区N2双轨回流焊、点胶机以及印刷机等12台设备。

经调研发现，某SMT产线1、2、5采购时间、基本配置大体相同，其功率[p]矩阵如表2所示，计时[t]矩阵如表3所示，属性[a]矩阵如表4所示。

表2 某SMT产线1、2、5的[p]矩阵

No. 设备 Starting(KW) Dormant(KW) Working(KW) 1 冲床 35 0.8 8.5 2 UV固化炉 26 0.8 6.5 3 自动光学检测机 16 0.8 3 4 高精密双台式网印记 24 0.8 4.7 5 全自动锡膏印刷机 7 0.5 1.5 6 全自动视觉异形贴装机 13 0.8 2.5 7 模组型高速多功能贴片机 48 0.8 10 8 全自动离线喷码机 31 0.8 4.8 9 自动贴片机 28 0.8 5 10 10温区N2双轨回流焊 83 1 16.5 11 点胶机 12 0.5 2.3 12 印刷机 8 0.5 1.5

其中，Starting(KW)为网络资源整理，Dormant(KW)为工程师经验(未实地测量)，Working(KW)为铭牌工作电压。

表3 某SMT产线1、2、5的计时[t]矩阵

No. 设备 Starting(h) Dormant(h) Working(h) 1 SMT1冲床 0.28 1.16 6.57 2 SMT1-UV固化炉 0.23 1.17 6.60 3 SMT1自动光学检测机 0.07 1.19 6.74 4 SMT1高精密双台式网印记 0.17 1.18 6.66 5 SMT1全自动锡膏印刷机 0.03 1.20 6.78 6 SMT1全自动视觉异形贴装机 0.03 1.20 6.77 7 SMT1模组型高速多功能贴片机 0.25 1.16 6.59 8 SMT1全自动离线喷码机 0.11 1.18 6.71 9 SMT1自动贴片机 0.03 1.20 6.77 10 SMT1-10温区N2双轨回流焊 0.38 1.14 6.47 11 SMT1点胶机 0.03 1.20 6.78 12 SMT1印刷机 0.01 1.20 6.79 13 SMT2冲床 0.28 1.78 5.95 14 SMT2-UV固化炉 0.23 1.79 5.98 15 SMT2自动光学检测机 0.21 1.79 6.00 16 SMT2高精密双台式网印记 0.17 1.80 6.03 17 SMT2全自动锡膏印刷机 0.03 1.83 6.14 18 SMT2全自动视觉异形贴装机 0.03 1.83 6.13 19 SMT2模组型高速多功能贴片机 0.25 1.78 5.97 20 SMT2全自动离线喷码机 0.11 1.82 6.08 21 SMT2自动贴片机 0.03 1.83 6.13 22 SMT2-10温区N2双轨回流焊 0.77 1.66 5.57 23 SMT2点胶机 0.03 1.83 6.14 24 SMT2印刷机 0.04 1.83 6.13 25 SMT5冲床 0.28 5.33 2.39 26 SMT5-UV固化炉 0.23 5.36 2.41 27 SMT5自动光学检测机 0.07 5.47 2.46 28 SMT5高精密双台式网印记 0.17 5.41 2.43 29 SMT5全自动锡膏印刷机 0.03 5.50 2.47 30 SMT5全自动视觉异形贴装机 0.06 5.48 2.46 31 SMT5模组型高速多功能贴片机 0.25 5.35 2.40 32 SMT5全自动离线喷码机 0.11 5.45 2.45 33 SMT5自动贴片机 0.03 5.50 2.47 34 SMT5-10温区N2双轨回流焊 0.38 5.26 2.36 35 SMT5点胶机 0.03 5.50 2.47 36 SMT5印刷机 0.02 5.51 2.47

表4 某SMT产线1、2、5的属性[a]矩阵

利用公式(1)-(15)分别计算设备能耗、工艺能耗、产线能耗、订单能耗、车间或企业能耗的实时能耗、状态能耗与运行总能耗等，具体如表5-8所示：

表5 某SMT产线1单台设备各状态能耗

表6 某SMT产线1贴片机组和回流焊工艺能耗

表7 某SMT产线1产线能耗

某订单涵盖SMT产线1、2和5。其订单能耗如表8所示。

表8 某订单在某SMT产线1、2和5共3条产线上的总能耗