劃片機工作臺仿真分析

張菊

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

信息化時代的來臨，刺激了信息產業，尤其是微電子元器件作為信息產業的基礎，不可避免地得到了迅猛發展，而與其息息相關的半導體制造設備需求也日益凸顯。晶圓半導體制造工藝包括半導體晶體生長、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，其中精密劃片設備是集成電路半導體加工后封裝工藝中的重要組成部分，它廣泛應用于厚膜電路、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 結構仿真

精密劃片機的劃切精度是微米級的，這就要求設備具有精度高、性能穩定等性能，結構的微小變形量就可影響設備的加工工藝，所以本文主要討論劃片機懸臂工作臺與橋型工作臺的結構ANSYS Workbench仿真分析。

1.1 靜力學基礎

線性靜力學結構分析用來分析結構在給定靜力載荷作用下的響應。一般情況下，比較關注的是結構在靜力作用下的位移、約束反力、應力以及應變等參數。由經典力學理論得到的物體動力學通用方程為：

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

線性靜力結構分析中，所有與時間有關的選項都被忽略，于是由式（1）簡化得到式（2）：

在線性靜力結構分析當中，位移矢量!"X就是通過上面的矩陣方程得到的。

分析應當滿足以下假設條件：[K]矩陣必須是連續的，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，同時不考慮隨時間變化的載荷，不考慮慣性（如質量、阻尼等）影響。

1.2 懸臂工作臺網格化

此裝配體是由Solidworks建立模型，通過相應接口導入ANSYS Workbench中。導入裝配體時，程序就會在兩個實體之間自動生成接觸副。在默認情況下，ANSYS Workbench對裝配體定義的是對稱接觸，這樣任何一邊都可以滲透到另一邊。

該裝配體結構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，對接觸面間的相對運動定義了約束方程，部件之間沒有任何相互滑動。除此之外，Workbench還提供了Augmented Lagrange、Normal Lagrange等控制方程。

懸臂工作臺式劃片機適用于最大尺寸為6英寸工件的加工，主體結構由x軸、y軸和z軸構成，x軸運動方向是左右，y軸是前后運動，z軸是做上下運動，分別由導軌絲杠導向，其機械主體結構如圖1，劃片機的關鍵部件主軸安裝于套筒內。

針對懸臂工作臺的機械結構進行有限元分析前需先定義材料屬性，在線性靜力結構分析當中，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。定義相應部件的材料屬性時，包括鑄件材料的物理特性：

圖1 懸臂工作臺裝配

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的網格劃分采用自適應網格劃分策略，對懸臂工作臺結構的整體網格劃分結果如圖2所示。

圖2 懸臂工作臺網格化

1.3 懸臂工作臺仿真分析

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

施加大基座下面的3個固定約束，如圖4所示。

打開解法器Solve，本文根據部件的復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 懸臂工作臺加載

圖4 懸臂工作臺固定約束分布

式中：假設[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現的剛性位移。仿真結果包括位移形變及應力分布。位移形變Total Deformation總體

通過靜力仿真分析，可以得到y向分別運行到前、中、后（方向遵循圖1所示）不同位置時的最大變形量及最大應力，結果如表1。

表1 懸臂工作臺在y向不同位置處參數

圖5 懸臂工作臺位移形變

圖6 懸臂工作臺應力分布

由表1可知，無論是最大變形還是最大應力都發生在y向工作臺的前部。

1.4 橋型工作臺網格化

橋型工作臺最大加工工件尺寸是8英寸，鑒于行程以及剛性、穩定性能等因素考慮，整機的機械結構改為橋型結構，結構相對復雜，主軸的安裝位置也改為了懸掛式。整體結構如圖7。

圖7 橋型工作臺裝配

對橋型工作臺三軸結構運用ANSYS Work-bench軟件進行自適應網格劃分，如圖8。當結構特征出現不規則或者突變時，進行較細網格劃分，默認劃分網格為四面體網格。

圖8 橋型工作臺網格化

1.5 橋型工作臺加載及仿真

加載結構受到的約束與載荷，3個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 橋型工作臺加載

裝配體的形變位移效果圖和應力大小分布分別如圖10和圖11。其中的紅色區域是該結構變形量最大的位置。

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

表2 橋型工作臺在y向不同位置處參數

圖10 橋型工作臺位移形變

圖11 橋型工作臺應力分布

2 分析總結

通過ANSYS Workbench軟件對懸臂工作臺和橋型工作臺的整體機械結構進行仿真分析，結果給出了兩種結構設計變形的方向和應力分布。橋型工作臺的整體結構比懸臂工作臺的結構更具優越性，剛度大，變形量小，最大變形量減小了17%；雖然最大應力增大為0.92203 MPa，但與懸臂結構應力變化不大。ANSYS Workbench仿真軟件為機械設計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，僅僅通過計算機軟件就可仿真出結構的變形、響應等結果，在很大程度上節省了人力、財力的投入，減少了不必要的損失與浪費。

[1] 蒲廣益.ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解.北京：中國水利水電出版社.2010.

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