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机械毕业设计:硅片加工后温度分布数值模拟研究

时间:2016-03-15 00:37来源:毕业设计网 作者:友好论文中心 点击:
1. 研究的背景与意义 集成电路(IC)是采用半导体加工工艺,在单晶硅基体上制作出基本元器件,再通过布线的方法将元器件连接完整的电子电路。IC是信息产业的基石,也是国家构建信息社会的基

1.    研究的背景与意义

集成电路(IC)是采用半导体加工工艺,在单晶硅基体上制作出基本元器件,再通过布线的方法将元器件连接完整的电子电路。IC是信息产业的基石,也是国家构建信息社会的基础。同时IC作为一种高新技术,对于国家的经济和社会发展有巨大的促进作用。半导体产业同时作为一种新型产业,在传统产业的升级改造中有重要作用。现在产业IC中使用的半导体材料主要包括硅,锗,砷化镓,其中硅材料消耗在半导体器件占用90%以上。硅在半导体中是生产总量最大,技术最成熟的材料。正是高纯度、高精度、高表面质量的单晶硅片有力的促进了IC产业的发展。
国内外学者对于硅片加工后温度分布情况进行了大量分析,运用不同的方法进行了仿真分析和实验研究,大量的实验、数值分析和解析的方法被用于建立温度场模型。
在早期的分析中,大量的工作集中于用实验的方法来获得硅片加工后的温度分布数值,例如热电偶法,红外辐射法,热量化学反应法。近来,许多前沿的方法被一些学者应用于温度的测量中,比如金相法和物理气相沉积薄膜法等。实验测量方法会比较耗时耗力和成本较高,因此,作为替代,数据分析和分析调查的方法近来被越来越多的应用于实际研究中。
总体上,现有的温度预测模型主要用于硅片加工后的峰值温度、平均温度、热分配比例关系、以及加工区域的温度场分布。从建模的角度看,现在越来越多地采用有限元方法(FEM)进行数值模拟,并预测加工区域的温度等参数情况。
对现有的制造工艺及新兴的加工技术有一个全面而深入的了解是生产高品质品的前提。对于硅片加工来说,加工产生的温度是特别重要的测量参数。但同时这一温度的准确获取存在极大的困难。迄今为止,虽然工业界和学术界已经对温度的测量方法做了大量系统而广泛的研究工作,但现有的温度测量方法还很难做到直接地从加工区域原位地记录和釆集温度数据,同时以极高的时间和空间分辨率实现加工区域的温度分布测量。
随着计算机计算能力的增强以及各种先进的计算方法的出现,复杂的热弹塑性力学计算己不再遥不可及。数值计算法是指利用计算机和数值计算方法对加工过程进行数值分析,由数值确定加工工艺参数和变形间的关系。同实验法相比,数值模拟法可以在即使不具备实验条件的基础上对课题开展深入的研究,节约大量的实验成本。更重要的是数值模拟法可以再现整个温度变化和变形过程,获取有用信息,对于掌握加热规律以及研究内部机理都是十分有利的。随着计算机时代的到来,人们越来越意识到数值模拟的重要性,并使之得到迅速的发展和广泛的应用。在对板材变形原理进行了分析后,我们可以通过计算再现硅片在加热的过程中内部变形的变化过程,从而得到形象的变形过程。数值模拟的方法很多,如有限差分法,有限元法,边界元法等等,其中有限元法是在工程界里面应用最广泛的方法之一。同其他数值方法相比有限元法的理论概念比较宽泛,能在不同水平上建立起对该方法的理解,适合不同层次适用者的要求。目前,世界上已有很多现成的程序系统可供 选用,例如国外的ANSYS,LSDYNA,MARC,AD烈AABAOUS,ALGOR等,这些现成的有限元软件为我们的研究工作提供了便利。
通过有限元针对硅片加工后的温度场进行模拟分析,是采用了数值分析的方法,利用有限元理论建立温度模型,分析得到的结果可以作为硅片加工过程的参数优化。有限元仿真相对于传统经验和解析模型,在温度场的分布中拥有巨大的优势,对于优化加工工艺参数从而提高加工状况具有很强的指导意义。

2.研究内容

本文的主要工作针对综合考虑加工过程中硅片的复杂热力耦合行为及热传导机制,构建一个用于预测加工温度分布及相关热力参数的解析模型。温度场模型以对流换热为边界条件,讨论边界条件的影响,综合考虑主要热源和次要热源的联合效应,以非统一的热量分配系数和非统一的热流密度为基础建立模型求解加工面的温度,进而对模型的预测结果进行实验验证,并利用模型预测和实验获得的热力数据,对加工过程中的热力耦合行为进行的分析与讨论,最终得出数据分析报告。本文的研究具有一定的理论意义和交大的实用价值。
本文的主要研究内容如下:
(一)通过对国内外温度分布数值模拟的分析和总结,指出本文的研究目的与意义;针对硅片加工研究现状与发展,分析了传统测量方法的不足之处,提出硅片加工温度分布的数值模拟意义。
(二)利用ANSYS软件进行数值模拟研究,进行硅片加热的温度场和变形的分析,建立硅片温度场的模型。对硅片感应加热成型进行有限元分析,包括硅片截面的温度分析,应力分析,变形分析等。
(三) 

2.2拟解决的关键问题

本文旨在解决传统控制阀设计生产中的如下问题:
(一)研发周期长、经费高、抗腐蚀、耐磨损能力差等问题。
(二)在控制阀模型建造前,从水力角度对黑水调节阀内固液两相流流场进行数值模拟和实验分析,最后通过数据的比对,确切地了解阀内流场的速度、压力随时间和位置变化的分布情况,结合Preston 方程预测磨损情况,所得结果将从控制阀的选材、加工工艺等方面对控制阀的设计方案进行优化。 (责任编辑:admin)
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