張菊

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

信息化時(shí)代的來臨，刺激了信息產(chǎn)業(yè)，尤其是微電子元器件作為信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，不可避免地得到了迅猛發(fā)展，而與其息息相關(guān)的半導(dǎo)體制造設(shè)備需求也日益凸顯。晶圓半導(dǎo)體制造工藝包括半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)、晶片制備、薄膜成型、曝光、印刷、摻雜工藝、蝕刻工藝、劃片、封裝等，其中精密劃片設(shè)備是集成電路半導(dǎo)體加工后封裝工藝中的重要組成部分，它廣泛應(yīng)用于厚膜電路、鈮酸鋰、石英等材料的開槽劃片加工，也適用于切割各種晶體、陶瓷、玻璃、礦石和金屬等。

1 結(jié)構(gòu)仿真

精密劃片機(jī)的劃切精度是微米級(jí)的，這就要求設(shè)備具有精度高、性能穩(wěn)定等性能，結(jié)構(gòu)的微小變形量就可影響設(shè)備的加工工藝，所以本文主要討論劃片機(jī)懸臂工作臺(tái)與橋型工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)ANSYS Workbench仿真分析。

1.1 靜力學(xué)基礎(chǔ)

線性靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析用來分析結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷作用下的響應(yīng)。一般情況下，比較關(guān)注的是結(jié)構(gòu)在靜力作用下的位移、約束反力、應(yīng)力以及應(yīng)變等參數(shù)。由經(jīng)典力學(xué)理論得到的物體動(dòng)力學(xué)通用方程為：

式中：[M]是質(zhì)量矩陣；[C]是阻尼矩陣；[K]為剛度系數(shù)矩陣是位移矢量；是力矢量。

線性靜力結(jié)構(gòu)分析中，所有與時(shí)間有關(guān)的選項(xiàng)都被忽略，于是由式（1）簡(jiǎn)化得到式（2）：

在線性靜力結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中，位移矢量!"X就是通過上面的矩陣方程得到的。

分析應(yīng)當(dāng)滿足以下假設(shè)條件：[K]矩陣必須是連續(xù)的，且為線性彈性材料，遵循小變形理論，但是可以包括部分非線性邊界條件；!"F為靜力載荷，同時(shí)不考慮隨時(shí)間變化的載荷，不考慮慣性（如質(zhì)量、阻尼等）影響。

1.2 懸臂工作臺(tái)網(wǎng)格化

此裝配體是由Solidworks建立模型，通過相應(yīng)接口導(dǎo)入ANSYS Workbench中。導(dǎo)入裝配體時(shí)，程序就會(huì)在兩個(gè)實(shí)體之間自動(dòng)生成接觸副。在默認(rèn)情況下，ANSYS Workbench對(duì)裝配體定義的是對(duì)稱接觸，這樣任何一邊都可以滲透到另一邊。

該裝配體結(jié)構(gòu)仿真的接觸控制方程選擇MPC方程，MPC方程僅適用于綁定接觸，對(duì)接觸面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)定義了約束方程，部件之間沒有任何相互滑動(dòng)。除此之外，Workbench還提供了Augmented Lagrange、Normal Lagrange等控制方程。

懸臂工作臺(tái)式劃片機(jī)適用于最大尺寸為6英寸工件的加工，主體結(jié)構(gòu)由x軸、y軸和z軸構(gòu)成，x軸運(yùn)動(dòng)方向是左右，y軸是前后運(yùn)動(dòng)，z軸是做上下運(yùn)動(dòng)，分別由導(dǎo)軌絲杠導(dǎo)向，其機(jī)械主體結(jié)構(gòu)如圖1，劃片機(jī)的關(guān)鍵部件主軸安裝于套筒內(nèi)。

針對(duì)懸臂工作臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析前需先定義材料屬性，在線性靜力結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中，材料屬性只需要定義彈性模量以及泊松比。只有存在任何慣性載荷，密度才需要定義。定義相應(yīng)部件的材料屬性時(shí)，包括鑄件材料的物理特性：

圖1 懸臂工作臺(tái)裝配

彈性模量 E=1.5×105MPa，泊松比 μ=0.25，密度 ρ=7.25×10-6kg/mm3；

鋼的物理特性：

彈性模量 E=2.06×105MPa，泊松比 μ=0.3，密度 ρ=7.9×10-6kg/mm3。

Workbench的網(wǎng)格劃分采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分策略，對(duì)懸臂工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 懸臂工作臺(tái)網(wǎng)格化

1.3 懸臂工作臺(tái)仿真分析

施加裝配體約束與載荷，載荷外力即為主軸的等效質(zhì)量F=100 N，狀態(tài)如圖3所示。

施加大基座下面的3個(gè)固定約束，如圖4所示。

打開解法器Solve，本文根據(jù)部件的復(fù)雜程度選用了迭代求解器，此法利用前處理矩陣[Q]求解方程：

圖3 懸臂工作臺(tái)加載

圖4 懸臂工作臺(tái)固定約束分布

式中：假設(shè)[Q]=[K]-1,在這種情況下然而前處理器通常不是[K]-1，故[Q]越接近預(yù)處理效果就越好。本仿真中存在固定約束，所以加入弱彈簧，這樣就可以通過阻止奇異矩陣來阻止可能實(shí)現(xiàn)的剛性位移。仿真結(jié)果包括位移形變及應(yīng)力分布。位移形變Total Deformation總體

通過靜力仿真分析，可以得到y(tǒng)向分別運(yùn)行到前、中、后（方向遵循圖1所示）不同位置時(shí)的最大變形量及最大應(yīng)力，結(jié)果如表1。

表1 懸臂工作臺(tái)在y向不同位置處參數(shù)

圖5 懸臂工作臺(tái)位移形變

圖6 懸臂工作臺(tái)應(yīng)力分布

由表1可知，無論是最大變形還是最大應(yīng)力都發(fā)生在y向工作臺(tái)的前部。

1.4 橋型工作臺(tái)網(wǎng)格化

橋型工作臺(tái)最大加工工件尺寸是8英寸，鑒于行程以及剛性、穩(wěn)定性能等因素考慮，整機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)改為橋型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，主軸的安裝位置也改為了懸掛式。整體結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 橋型工作臺(tái)裝配

對(duì)橋型工作臺(tái)三軸結(jié)構(gòu)運(yùn)用ANSYS Work-bench軟件進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，如圖8。當(dāng)結(jié)構(gòu)特征出現(xiàn)不規(guī)則或者突變時(shí)，進(jìn)行較細(xì)網(wǎng)格劃分，默認(rèn)劃分網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格。

圖8 橋型工作臺(tái)網(wǎng)格化

1.5 橋型工作臺(tái)加載及仿真

加載結(jié)構(gòu)受到的約束與載荷，3個(gè)固定約束面位于下表面，呈三角形排列，靜力載荷100 N向下作用于z向溜板的正下方，如圖9所示。

圖9 橋型工作臺(tái)加載

裝配體的形變位移效果圖和應(yīng)力大小分布分別如圖10和圖11。其中的紅色區(qū)域是該結(jié)構(gòu)變形量最大的位置。

通過靜力仿真分析，可以得到y(tǒng)向分別運(yùn)行到前、中、后（方向遵循圖7所示）不同位置時(shí)的最大變形量及最大應(yīng)力，結(jié)果如表2。

表2 橋型工作臺(tái)在y向不同位置處參數(shù)

圖10 橋型工作臺(tái)位移形變

圖11 橋型工作臺(tái)應(yīng)力分布

2 分析總結(jié)

通過ANSYS Workbench軟件對(duì)懸臂工作臺(tái)和橋型工作臺(tái)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果給出了兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變形的方向和應(yīng)力分布。橋型工作臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)比懸臂工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)更具優(yōu)越性，剛度大，變形量小，最大變形量減小了17%；雖然最大應(yīng)力增大為0.92203 MPa，但與懸臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化不大。ANSYS Workbench仿真軟件為機(jī)械設(shè)計(jì)可靠性分析提供了方便，為模型的建立提供更多途徑，與更多建模軟件建立了接口連接。只要模型與條件合適，僅僅通過計(jì)算機(jī)軟件就可仿真出結(jié)構(gòu)的變形、響應(yīng)等結(jié)果，在很大程度上節(jié)省了人力、財(cái)力的投入，減少了不必要的損失與浪費(fèi)。

[1] 蒲廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解.北京：中國(guó)水利水電出版社.2010.

[2] 馬巖，袁慧珠.劃片機(jī)金剛石砂輪刀片性能研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2008，37(11)：30-37.