基于FLUENT 的全自動激光劃片機(jī)輔助噴嘴射流特性研究

曹正第，蔣興橋，劉荒，韓華超

（沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110043）

近年來，全自動激光劃片機(jī)在晶圓切割領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛，憑借其效率高、劃切精度高、污染小等特點，得到了越來越多的生產(chǎn)廠商的青睞。隨著人力成本的逐年提高，全自動激光劃片機(jī)是其未來發(fā)展的方向。受材料、工藝、溫濕度等諸多因素影響，晶圓會出現(xiàn)不同程度的翹曲情況，而在自動上下料非接觸搬運晶圓時，會造成因翹曲導(dǎo)致的切割平臺真空吸附失效，從而造成圖像模糊，無法自動對準(zhǔn)等一系列問題，最終導(dǎo)致全自動激光劃片機(jī)穩(wěn)定性降低。本文提出了一種全新的輔助噴嘴結(jié)構(gòu)，利用吹氣壓力使翹曲芯片與切割平臺貼合，配合吸盤真空吸附，使翹曲晶圓亦能可靠吸附。

1 輔助噴嘴結(jié)構(gòu)分析

通過分析晶圓的翹曲方式發(fā)現(xiàn)晶圓的翹曲分兩種，一種為中間平整四周凸起，另一種為中間凸起四周平整，翹曲的高度差最大為1mm，所以，為保證每個晶圓都能夠可靠吸附，設(shè)計出兩路噴嘴結(jié)構(gòu)，分為中心噴嘴和3 個環(huán)形噴嘴。并結(jié)合晶圓大小、劃切工藝、激光輸出光斑大小、光源、結(jié)合切割平臺尺寸設(shè)計出輔助噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中，a 為全自動激光劃片機(jī)中實際應(yīng)用的輔助噴嘴結(jié)構(gòu)；b 為輔助噴嘴結(jié)構(gòu)三維模型圖，圖中深色部分為中心輔助噴嘴結(jié)構(gòu)，簡記為結(jié)構(gòu)1，如圖2（a）；淺色部分為環(huán)形氣腔輔助噴嘴結(jié)構(gòu)，簡記為結(jié)構(gòu)2，如圖2（b）所示，以上兩個氣室互不相通。其中，中心輔助噴嘴結(jié)構(gòu)由過渡進(jìn)氣管、輔助噴嘴、輔助連接件組成；環(huán)形氣腔輔助噴嘴結(jié)構(gòu)由上腔體板、下腔體板和3 個噴氣管組成。噴嘴的噴距、噴嘴直徑和入口壓力是影響切割平臺受到噴氣壓力的關(guān)鍵因素，結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2 的噴距、噴嘴直徑和進(jìn)氣壓力分別用H、A、P1和L、B、P2。

圖1 輔助噴嘴整體結(jié)構(gòu)

圖2 輔助噴嘴結(jié)構(gòu)剖面圖

2 數(shù)值計算方法

2.1 控制方程

根據(jù)計算模型，控制方程為納維-斯托克斯（N-S）方程：

其中：

其中，Cp為定壓比熱容，Pr 為普朗特系數(shù)。

2.2 湍流模型

通過查閱文獻(xiàn)[4]，并結(jié)合結(jié)構(gòu)的實際情況和介質(zhì)，輔助噴嘴噴射在切割平臺上會產(chǎn)生邊界層，并且會有較大的壓力梯度和流動分離，為盡量與實際情況相符，湍流模型選用SST k-ω 模型，SST k-ω 模型是一種二方程混合模型，它是標(biāo)準(zhǔn)k-ω 模型的變形。使用混合函數(shù)將標(biāo)準(zhǔn)k-e 模型與k-w 模型結(jié)合起來度，包含了轉(zhuǎn)捩和剪切選項，并且考慮了湍流剪應(yīng)力的傳波。所以，SST k-ω 模型可以用來仿真有壁面限制的流動，與本文實際最為近似。

2.3 FLUENT 有限元仿真軟件的參數(shù)設(shè)置與網(wǎng)格剖分

本文應(yīng)用FLUENT 有限元仿真軟件對輔助噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，因為中心噴嘴距三個輸出端的環(huán)形噴嘴的距離數(shù)倍于輸出口直徑，相互影響較小，為便于仿真計算分別對中心輔助噴嘴結(jié)構(gòu)和環(huán)形氣腔輔助噴嘴結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行仿真分析。

將進(jìn)氣口設(shè)為壓力入口，根據(jù)不同工況給定；出氣口設(shè)為壓力出口，因所選取的計算域足夠大，射流已充分發(fā)展，所以，壓力出口值可認(rèn)為為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力值。而將切割平臺設(shè)置為無滑移固體壁面邊界。FLUENT 中空氣密度設(shè)為理想氣體，并采用壓力基求解器求解。

本文的網(wǎng)格劃分采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并且考慮到氣體在噴嘴的收縮處會被加速，所以，為了更好地反應(yīng)出氣流在出口處的流動，本文對噴嘴的出口處的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。并且在噴嘴射流的軸線附近和吸盤處是氣流特征變化最為明顯和重要的地方，以上兩個部分網(wǎng)格亦需要加密，而流場中其他的區(qū)域網(wǎng)格可以稀疏些，以便簡化計算縮短仿真時間。中心輔助噴嘴結(jié)構(gòu)二維和環(huán)形氣腔輔助噴嘴結(jié)構(gòu)的三維仿真模型網(wǎng)格剖分分別如圖3（a）、（b）所示。

圖3 網(wǎng)格剖分圖

3 仿真結(jié)構(gòu)及分析

為使翹曲晶圓能與切割平臺可靠貼合，需要給翹曲晶圓一個垂直方向的力，本結(jié)構(gòu)通過輔助噴嘴給翹曲晶圓一個壓力，而該壓力的大小又與噴嘴的噴距、噴嘴直徑和入口壓力直接決定，結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2 的噴距、噴嘴直徑和入口壓力跟別用H、A、P1和L、B、P2。本文給出不同工況下的流場速度云圖，為便于分析，將速度用無量綱的馬赫數(shù)Ma 表示，馬赫數(shù)為速度與聲速的比值。本文重點分析壓力的分布，又給出流場中的靜壓變化云圖。

3.1 中心輔助噴嘴結(jié)構(gòu)仿真分析

在噴距H=25mm、噴嘴直徑A=8mm 的情況下，改變?nèi)肟趬毫1分別為0.4、0.5、0.6MPa，得到速度云圖和靜壓云圖。圖4（a）（b）（c）、圖5（a）（b）（c）分別為入口壓力為0.4、0.5、0.6MPa 的速度云圖和靜壓云圖，其中，速度云圖不同顏色變化為馬赫數(shù)，靜壓云圖不同顏色變化為壓強(qiáng)，單位為Pa。

圖4 不同入口壓力下速度云圖

圖5 不同入口壓力下靜壓云圖

從以上仿真結(jié)果中可以看出，流速與壓強(qiáng)成反比的關(guān)系，流速大的地方壓強(qiáng)小，反之亦然，這就非常符合能量守恒定律，在切割平臺上流速為0 而壓強(qiáng)較大。入口壓力為0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa 時，所對應(yīng)的最大速度馬赫數(shù)為1.33、1.58、1.79；所對應(yīng)的最大靜壓為0.38MPa、0.45MPa、0.51MPa。不同入口壓力下，切割平臺所承受的壓力分布如圖6 所示。

圖6 不同入口壓力下切割平臺所承受的壓力分布

對比以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著入口壓力的增加，切割平臺所承壓的壓力逐步變大，但入口壓力為0.6MPa 相對于0.5MPa 時提升不是太大，且進(jìn)氣壓力為0.5MPa 左右時在切割平臺上產(chǎn)生的壓力完全可以使翹曲芯片可靠吸合，綜合以上考慮，選取進(jìn)氣壓力為0.5MPa。

下面考慮噴距H 不同時，分別為22、25、28mm，噴嘴直徑A=8mm，進(jìn)氣壓力為0.5MPa，由于速度云圖和靜壓云圖與上面相似，這里只給出不同噴距下的切割平臺所承受的壓力分布，如圖7 所示。

圖7 不同噴距下的切割平臺所承受的壓力分布

從圖中可以看出，不同噴距下壓力峰值出現(xiàn)的位置略有差異，這是由于進(jìn)氣口在側(cè)面，導(dǎo)致豎向出氣口氣流略有傾斜，從圖7 可以看出這一現(xiàn)象，噴距改變會導(dǎo)致切割面峰值位置略有變化，由于這一變化差異不大，對本結(jié)構(gòu)影響較小；圖中h=25mm 時壓力最大，22mm 時壓力最小，出現(xiàn)這一變化是由于氣流為超音速狀態(tài)出現(xiàn)了激波柵格結(jié)構(gòu)所致。本結(jié)構(gòu)結(jié)合光源強(qiáng)弱、焦距等情況選擇噴距H 為25mm。

接下來，考慮噴嘴直徑A 不同時，分別為6、7、8mm，噴距H=25mm，進(jìn)氣壓力為0.5MPa，由于速度云圖、靜壓云圖、壓力分布圖與上面相似，為節(jié)約篇幅不再給出，從仿真數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)出噴口較大時，切割平臺所承受的壓力較大，在考慮激光輸出和加工的實際情況，噴嘴直徑選擇為8mm。

3.2 環(huán)形氣腔輔助噴嘴結(jié)構(gòu)仿真分析

環(huán)形氣腔輔助噴嘴結(jié)構(gòu)仿真分析采用三維仿真分析，由于分析方法與中心輔助噴嘴結(jié)構(gòu)相似，這里就不再具體給出，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得出噴距L=5mm、噴嘴直徑B=4mm，入口壓力P2=0.5MPa 時，割平臺所承受的壓力最為合適，速度云圖和靜壓云圖如圖8、9 所示。

圖8 環(huán)形氣腔輔助噴嘴結(jié)構(gòu)速度云圖

圖9 環(huán)形氣腔輔助噴嘴結(jié)構(gòu)靜壓云圖

4 結(jié)語

本文提出一種應(yīng)用于非接觸搬運晶圓的全自動劃片機(jī)中的輔助噴嘴結(jié)構(gòu)，通過大量分析晶圓的翹曲方式，得出該結(jié)構(gòu)由中心噴嘴和環(huán)形氣腔輔助噴嘴組成，應(yīng)用FLUENT 有限元仿真軟件，通過改變影響吹氣壓力的三個重要參數(shù)噴距、噴嘴直徑、入口壓力，對輔助噴嘴的射流特性進(jìn)行仿真分析，得出輔助噴嘴的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。通過該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，在實際生產(chǎn)中，翹曲晶圓亦能與切割平臺可靠吸附，大幅提高了全自動激光劃片機(jī)的穩(wěn)定性。