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硅通孔热机械可靠性研究

硅通孔热机械可靠性研究

作者：任嘉硕西安理工大学

学位级别：硕士

基于硅通孔(Through-Silicon Via,TSV)技术的三维封装技术通过在晶圆中刻蚀通孔,再于通孔中填充导体材料如铜、铝等即可形成层间互连线,从而实现了电学信号的垂直互连和芯片的堆叠,不仅缩短了互连线长度还可以将不同器件整合堆叠实现异... 详细信息

基于硅通孔(Through-Silicon Via,TSV)技术的三维封装技术通过在晶圆中刻蚀通孔,再于通孔中填充导体材料如铜、铝等即可形成层间互连线,从而实现了电学信号的垂直互连和芯片的堆叠,不仅缩短了互连线长度还可以将不同器件整合堆叠实现异构集成。然而,TSV结构中填充金属铜和衬底硅之间热膨胀系数的不匹配会在TSV制造过程中和日常使用中产生残余热应力和微裂纹等可靠性问题。此外,各层芯片间TSV不同的互连方式对键合点可靠性的影响同样值得关注。针对上述问题,本文采用有限元分析软件ANSYS Workbench对硅通孔热机械可靠性进行了研究,主要工作内容如下:1.对于单根TSV结构,分析了 TSV结构在不同载荷下填充金属铜的弹塑性对热应力的影响。首先在退火状态下,通过与理想弹性铜填充的TSV进行对比,突出了铜的弹塑性特性对TSV结构的热应力分布的影响,结果表明,铜的弹塑性会降低TSV结构的热应力。随后进一步研究了在热循环作用下TSV结构内部等效应力、应变的变化规律,分析了温度循环下金属铜的弹塑性行为。最后结合Engelmaier疲劳寿命预测模型计算了退火过程中产生的残余应力和累积塑性应变对TSV结构的热循环寿命的影响。结果表明,叠加退火过程后TSV结构寿命为40663个热循环。2.对于TSV垂直开关,分析了退火过程产生的内部径向应力对TSV垂直开关自身载流子迁移率的影响。通过正交试验法求得TSV垂直开关结构参数对其自身载流子迁移率影响的主次顺序,结果表明TSV直径是影响垂直开关迁移率的关键因素,其次是铜柱高度,氧化层厚度对其迁移率影响最小。分析了两种阵列产生的内部径向应力叠加对TSV垂直开关迁移率的影响,结果表明,等边三角形阵列在相同距离上产生的应力叠加对TSV垂直开关载流子迁移率影响更小。3.对于TSV垂直堆叠芯片,以三层硅片Cu-Cu键合为例,研究了 400℃键合温度下堆叠芯片的翘曲现象以及各层间键合点的应力分布。结果表明,在三层结构中,中间层芯片的翘曲程度相对较低。由于不同层间芯片翘曲程度存在差异,两层键合点之间存在16MPa的应力差。进一步探讨了键合温度、键合点大小以及键合点密度等因素对芯片形变和应力的影响。结果表明,键合温度降低会降低芯片整体应力水平;键合点尺寸增大使得最大等效应力增加但是不同层的形变减小。键合点密度增加会使芯片形变增加。考虑到键合点的非理想因素,在键合点处设置了裂纹,分析了裂纹深度以及温度变化对J积分的影响。结果表明,J积分随着裂纹深度变大而变大,但裂纹整体拓展趋势发生改变,温度升高使得裂纹扩展断裂可能性增加。4.针对RDL-TSV互连结构,通过在不同键合点的不同侧设置裂纹,对比了 J积分的变化情况。仿真结果显示,键合点外侧的J积分值更大,这意味着该位置的裂纹更容易扩展,从而对结构的可靠性产生更大威胁。对TSV结构的SiO2氧化层预设裂纹进行分析。探讨了裂纹长度、TSV间距以及氧化层厚度对裂纹J积分的影响。结果表明,随着裂纹长度的增加,裂纹J积分值也相应增大,但增长趋势会逐渐减缓。由于应力叠加效应,TSV间距减小会显著增加裂纹J积分值;氧化层厚度的增加则能有效减小J积分的数值,从而提高结构的可靠性。

关键词：硅通孔三维集成电路热应力可靠性有限元分析

基于多级光谱序列特征分析的高光谱影像分类方法

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基于多级光谱序列特征分析的高光谱影像分类方法

作者：任嘉骐西安理工大学

学位级别：硕士

高光谱成像能够捕获连续波段的光谱反射率信息,进而生成具备高维、高分辨率和信息深度的图像,常被应用于遥感探测等领域。在各类高光谱影像处理任务中,高光谱图像分类一直作为研究热点之一,其本质是根据高光谱影像的光谱与空间特征将每... 详细信息

高光谱成像能够捕获连续波段的光谱反射率信息,进而生成具备高维、高分辨率和信息深度的图像,常被应用于遥感探测等领域。在各类高光谱影像处理任务中,高光谱图像分类一直作为研究热点之一,其本质是根据高光谱影像的光谱与空间特征将每个像素精准地归入预定义的类别。近年来,随着深度学习理论的快速发展,高光谱分类的精度不断提高,但目前仍然存在数据冗余、维度过高以及样本失衡等挑战。现有研究中,多位学者在分类之前对高光谱数据先进行了降维处理,虽然解决了维度灾难问题,但也会导致光谱信息的丢失,导致分类精度不够高。同时,由于高光谱影像的光谱和空间特征复杂且数据冗余严重,已提出的深度学习高光谱分类网络常存在特征提取不充分的问题。此外,已提出的高光谱影像数据集多存在地物目标数量不均衡的问题,进一步导致了分类网络精度不够高、泛化性能不强等问题。针对以上问题,本文通过对高光谱影像数据特征进行深度解析,提出了一种基于多级谱序列特征分析的分类算法(MSA-Former),在有效解决高光谱数据维度灾难问题的同时获得了较高的分类精度,主要内容如下:(1)针对现有高光谱影像分类方法中降维处理导致的信息损失问题,本文构建的MSA-Former分类网络能够对输入的高维度光谱图像直接进行特征提取,从而保留了更多的空谱特征和谱间相关性。在网络结构上,MSA-Former网络依赖于多头自注意力机制,可以有效地捕获序列数据中长期依赖性,在不降维的情况下直接对数百个连续的光谱信号进行编码与特征提取,从而有效地提取出高光谱影像中谱段间的长期依赖性,为高精度分类提供保障。(2)针对高光谱图像的光谱和空间特征提取不充分问题,本文在构建的MSA-Former分类网络中设计了一种多级光谱序列特征提取模块,能够在高数据冗余、高维度条件下充分提取图像的空谱特征。在空间维度上,不同层级提取出的特征具有不同粒度,可用于对目标的整体趋势和细节进行感知,所设计多级光谱序列特征提取模块获得的较大粒度稀疏特征有助于把握整体情况,而较小粒度的密集特征更适合捕捉细微细节;同样,多级光谱序列特征提取模块能够对不同长度的光谱特征进行层级编码,从而增强对地物目标整体光谱特征的感知,并提高对不同地物目标间细微光谱差异的捕捉能力。(3)针对高光谱图像数椐集不同种类地物数量不均衡的问题,本文在高光谱分类网络训练中引入了一种加权交叉熵损失函数,可以根据高光谱分类数据集中不同种类地物的分布求解权值来对交叉熵损失函数进行调整,从而优化模型对于不同类别地物目标的关注程度,进而获得最佳的地物分类网络模型。本文通过消融实验证明了各个主要模块对分类精度的有效性,并在5个公开的高光谱影像数据集上的进行了对比实验,证明了MSA-Former方法能够有效地从高光谱图像中恢复空间和光谱信息,改善高光谱图像的质量,提升分类精度。同时,MSA-Former将Kappa系数提升了1%～3%,这也进一步验证了本文引入的加权交叉熵损失函数在处理样本数量不均衡带来的负面影响时的有效性。

关键词：高光谱影像深度学习特征提取 Transformer

室内可见光通信亮度可控混合多层OFDM调制方法

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中国激光 2024年第2期51卷 97-105页

作者：任嘉伟汪涛徐志坚曲晶中国人民解放军战略支援部队信息工程大学信息系统工程学院河南郑州450001

针对室内可见光通信的通照一体需求,为实现高效数据通信和调光控制相结合,在多层非对称裁剪光正交频分复用(LACO-OFDM)信号分时正负叠加调光方法的基础上,通过在LACO-OFDM信号上叠加一个经过设计的周期信号来产生叠加的LACO-OFDM(SLACO-... 详细信息

针对室内可见光通信的通照一体需求,为实现高效数据通信和调光控制相结合,在多层非对称裁剪光正交频分复用(LACO-OFDM)信号分时正负叠加调光方法的基础上,通过在LACO-OFDM信号上叠加一个经过设计的周期信号来产生叠加的LACO-OFDM(SLACO-OFDM)信号,可以在不引入额外干扰的情况下,降低多层信号的峰均功率比。再利用正负SLACO-OFDM信号按比例结合的方式来实现混合调光。分析了通信和调光约束条件下,层间功率比例因子和混合比例因子的设置方法。提出的混合SLACO-OFDM具有更小的峰均功率比,充分利用了发光二极管(LED)整个动态范围。仿真结果表明,提出的调制方法相对于传统的多层传输方式可以获得更好的误码率性能,相对于常见调光调制方式可以获得更高的频谱效率。

关键词：光通信可见光通信调光控制峰均功率比混合多层调制

局地气候分区视角下城市气候与人居环境研究进展

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生态学报 2024年第11期44卷 4489-4506页

作者：杨俊任嘉义于文博东北大学文法学院沈阳110000 东北大学江河建筑学院沈阳110000

城市气候与人居环境交互影响。局地气候分区(Local Climate Zone, LCZ)推动了城市形态刻画与气候演变规律探索,为城市气候与人居环境研究提供了统一框架。学术界对其研究大多聚焦在城市热环境和气候风险方面,正在向多要素气候模拟和考... 详细信息

城市气候与人居环境交互影响。局地气候分区(Local Climate Zone, LCZ)推动了城市形态刻画与气候演变规律探索,为城市气候与人居环境研究提供了统一框架。学术界对其研究大多聚焦在城市热环境和气候风险方面,正在向多要素气候模拟和考虑社会经济因素方向发展。审查了主题、方法和主要结论,发现“局地气候分区”、“城市热岛”、“地表温度”、“管理”和“社区”出现频率最高。采用文献计量和专题分析方法,梳理并总结了2012—2023年6月LCZ城市气候与人居环境研究在LCZ制图、相互作用和适应性策略三方面的进展,并展望了未来的研究重点。结果表明,(1)全球已在超过280座城市开展了LCZ研究,LCZ全球数据集的推广扩大了研究尺度且丰富了研究内容;(2)大多研究分析了风热环境为主的气候要素在局地尺度上的时空特征,探讨产生异质性的原因及其对人居环境的作用机理,揭示了城市蓝绿空间对于优化冷却效果、防范和治理热源等缓解性策略的重要性。其中自2018年起LCZ热环境研究向多元化发展,研究区域开始出现大都市圈或城市群;(3) LCZ能够辅助识别人居环境中高度暴露和脆弱的地区,近年来的研究趋向于在气候/生态风险评估中寻找适应性策略,且更加关注易感人群和低收入者。综述将有利于LCZ框架下城市气候与人居环境研究现状和发展趋势的宏观把握,为后续研究提供思路。

关键词：局地气候分区城市气候人居环境热风险适应性策略

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单光源双向可见光通信系统上行链路性能研究

单光源双向可见光通信系统上行链路性能研究

作者：任嘉玮西安理工大学

学位级别：硕士

可见光通信(Visible Light Communication,VLC)具有无电磁辐射、传输速率高、绿色环保等特点,是6G通信网络的关键技术之一。基于光逆向反射原理的可见光通信系统结构简单,是突破可见光通信发展瓶颈的解决方案,特别适合非对称通信业务。... 详细信息

可见光通信(Visible Light Communication,VLC)具有无电磁辐射、传输速率高、绿色环保等特点,是6G通信网络的关键技术之一。基于光逆向反射原理的可见光通信系统结构简单,是突破可见光通信发展瓶颈的解决方案,特别适合非对称通信业务。但是终端的移动性不仅影响LED至终端链路的传输性能,也影响终端逆向反射链路的性能,即上行链路性能。为了促进可见光通信系统在室内多种场景的应用,论文研究了“猫眼”结构的可见光通信系统,分析了终端移动性对逆向反射链路传输性能的影响。论文主要研究内容如下:1.基于“猫眼”逆向调制结构的单光源双向可见光通信系统,构建了逆向反射链路光路模型,分析了不同入射角对逆向反射光束的影响,结合终端的移动性,分别在接收端与光源端共轴和非共轴时,推导了有效入射角范围和终端最大垂直移动距离的计算表达式,并进行了实验验证。2.建立了上行链路光传输模型,分析了反射面和光源接收端探测器表面的光斑位置、非相干辐射照度与链路距离的关系;采用几何光学原理,优化设计了非平面的终端反射面结构,以扩大光束有效入射角范围并提升光传输效率。3.根据传输损耗模型,推导了上行链路接收光功率的计算表达式,分析了脉冲幅度调制(PAM)、脉冲宽度调制(PWM)、脉冲位置调制(PPM)、移频键控(FSK)四种不同调制方案下,终端移动性对上行链路信噪比的影响,探讨了上行链路的误码率性能及功率需求。研究结果表明:(1)在“猫眼”逆向调制结构中,非平行光入射符合终端可移动的上行链路模型,终端移动会对入射角产生影响。当终端远离LED时,有效入射角区间减小。增大光学透镜口径,减小焦距或减小光源与接收端透镜光轴的距离,能够增大终端最大垂直移动距离。(2)接收端与终端共轴时,终端远离光源的速度越大,入射角度范围减小的越明显,随着终端运动时间持续增大,变化趋于平缓。接收端与终端非共轴时,终端垂直移动的距离越大,入射角越大,有效入射角区间减小。运动方向会影响入射角度的变化趋势,与水平夹角越大,入射角变化越显著。(3)上行链路的接收光功率会受到光束入射角和链路距离的影响,其中链路距离的影响更为明显。在链路距离相同的条件下,上行链路的信噪比与聚焦透镜口径有关,口径越大,信噪比越高。(4)8-PPM调制方案在链路水平距离2.5m内获得更好的误码率性能,4FSK在链路距离大于2.5m时,误码率性能更好。

关键词：可见光通信上行链路 “猫眼”逆向调制结构终端移动性误码率性能

一种新型应用于平面电容层析成像系统的电容阵列传感器设计

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电子测量与仪器学报 2024年第6期38卷 195-203页

作者：郭志恒任嘉铭辽宁石油化工大学信息与控制工程学院抚顺113000

平面电容层析成像(ECT)技术适用于复合材料表面/亚表面缺陷探伤检测,或传感器安装受限制等无损检测应用领域。针对常规平面ECT系统所采用的方形结构阵列传感器灵敏度分布均匀性较差、中心区域成像质量不高的问题,提出了一种新型结构阵... 详细信息

平面电容层析成像(ECT)技术适用于复合材料表面/亚表面缺陷探伤检测,或传感器安装受限制等无损检测应用领域。针对常规平面ECT系统所采用的方形结构阵列传感器灵敏度分布均匀性较差、中心区域成像质量不高的问题,提出了一种新型结构阵列平面电容传感器,该传感器由7个单元传感电极构成蜂巢结构阵列。新型结构阵列传感器由COMSOLTM专业软件进行建模分析,并设定静电场边界条件,求解并获得传感器的电场分布、极间电容值以及计算灵敏度矩阵。通过与相同尺寸的3×3方形阵列传感器进行比较,来评估新型结构阵列传感器的关键性能,即极间电容变化值和灵敏度分布均匀性。此外,传感器实物采用印刷电路板技术设计制作,结合线性反投影算法进行图像重建,比较和验证两种结构传感器的成像性能。经过数值成像实验和实物重建图像测试,结果表明,新型结构阵列传感器有利于电容传感信号检测,改善了传感器灵敏度分布均匀性,提高了平面ECT系统中心区域成像质量。

关键词：平面电容传感器蜂巢结构阵列电容层析成像灵敏度图

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一种基于CNN自编码器的空间调制技术

电讯技术 2024年

作者：任嘉欣王旭东吴楠大连海事大学信息科学技术学院

针对传统空间调制系统结构优化及复杂度较高的缺陷，提出了一种基于自动编码器的空间调制系统设计方案（AE-SM-MIMO）。该方案通过使用卷积神经网络来构建系统的编码器和解码器，进行空间调制的端到端学习，进而实现不同发射天线、接收... 详细信息

针对传统空间调制系统结构优化及复杂度较高的缺陷，提出了一种基于自动编码器的空间调制系统设计方案（AE-SM-MIMO）。该方案通过使用卷积神经网络来构建系统的编码器和解码器，进行空间调制的端到端学习，进而实现不同发射天线、接收天线以及调制方式下信息比特流的传输与接收，在系统误码性能和复杂度之间提供了较好的平衡。在瑞利衰落信道环境下，将所提出的基于卷积神经网络（CNN）的AE-SM-MIMO系统方案与传统的空间调制系统进行性能对比，实验结果表明AE-SM-MIMO系统方案可获得接近最大似然检测算法的误码性能，并表现出了良好的适应性和泛化能力。此外，相比于传统最大似然检测算法和最大比合并检测算法，在4发2收BPSK调制方式下AE-SM-MIMO系统方案需要更少的计算时间，分别减少了78%和26%，大大降低了系统的时间复杂度。

关键词：空间调制自编码器卷积神经网络瑞利衰落信道

基于出错认知模型的矿山救援AR头盔界面交互设计研究

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包装工程 2024年第16期45卷 463-470页

作者：李向洲任嘉炜徐州工程学院江苏徐州221018 徐州市工业设计学会江苏徐州221018 比亚迪汽车工业有限公司深圳518118

目的为更好地减少矿山救援过程中的出错行为,提高矿山救援的成效。方法从出错认知理论出发,分析救援场景下对任务中相关信息的视觉认知行为,从认知加工的四个过程分析得出矿山救援场景下的出错因子,以矿山救援场景AR交互信息为研究对象... 详细信息

目的为更好地减少矿山救援过程中的出错行为,提高矿山救援的成效。方法从出错认知理论出发,分析救援场景下对任务中相关信息的视觉认知行为,从认知加工的四个过程分析得出矿山救援场景下的出错因子,以矿山救援场景AR交互信息为研究对象进行出错因子认知模拟实验,获得矿山救援场景相较于其他场景具有特殊性的AR头盔交互界面信息设计影响要素。结论依据实验结论,对矿山救援AR头盔交互界面开展信息设计,以提高救援效率,最终输出初步的交互设计方案,通过降低交互界面的认知难度,提高救援人员的反应速度和准确度,保证该系统可以有效降低任务失败率。

关键词： AR头盔矿山救援出错认知模型生理反应实验界面交互

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用于核电机组复杂管线小支管的动力吸振器设计与试验研究

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核动力工程 2024年第1期45卷 106-114页

作者：任志英任嘉鑫刘天彦李振何明圆梁盛涛福州大学机械工程及自动化学院金属橡胶与振动噪声研究所福州360116 中国核动力研究设计院反应堆工程研究所成都610213 福建福清核电有限公司福州350318

核电机组复杂管线小支管长期无规律地振动会导致管道疲劳断裂、破损而引发泄漏,甚至发生核电安全事故。目前常采用加固或减振的方式,但效果不佳,某些频率下的振动峰值难以降低。针对上述问题,本论文设计了一种结构简单、安装方便且质量... 详细信息

核电机组复杂管线小支管长期无规律地振动会导致管道疲劳断裂、破损而引发泄漏,甚至发生核电安全事故。目前常采用加固或减振的方式,但效果不佳,某些频率下的振动峰值难以降低。针对上述问题,本论文设计了一种结构简单、安装方便且质量可调的动力吸振器。通过模拟实际振动工况参数,然后对有无动力吸振器的小支管进行动力学建模分析,并以加速度传递率为参考对动力吸振器相关参数进行设计,获得动力吸振器的最优质量、刚度以及阻尼。最后实物制作并进行试验验证,结果表明,本论文所设计的动力吸振器将小支管在共振频率下的三向振动降低了60%以上(大于工程要求的5 dB);通过微调质量块个数扩大了吸振频段的可调节范围,能够满足不同工况的需求;增加金属橡胶材料进一步增强了动力吸振器的吸振效果,相比无阻尼结构可以将减振性能提高10%以上。本研究为核电机组复杂管线小支管的减振提供了有效方法。

关键词：核电管线小支管动力吸振器金属橡胶三向减振