划片机工作台仿真分析

张菊

(北京中电科电子装备有限公司，北京 100176)

信息化时代的来临，刺激了信息产业，尤其是微电子元器件作为信息产业的基础，不可避免地得到了迅猛发展，而与其息息相关的半导体制造设备需求也日益凸显。晶圆半导体制造工艺包括半导体晶体生长、晶片制备、薄膜成型、曝光、印刷、掺杂工艺、蚀刻工艺、划片、封装等，其中精密划片设备是集成电路半导体加工后封装工艺中的重要组成部分，它广泛应用于厚膜电路、铌酸锂、石英等材料的开槽划片加工，也适用于切割各种晶体、陶瓷、玻璃、矿石和金属等。

1 结构仿真

精密划片机的划切精度是微米级的，这就要求设备具有精度高、性能稳定等性能，结构的微小变形量就可影响设备的加工工艺，所以本文主要讨论划片机悬臂工作台与桥型工作台的结构ANSYS Workbench仿真分析。

1.1 静力学基础

线性静力学结构分析用来分析结构在给定静力载荷作用下的响应。一般情况下，比较关注的是结构在静力作用下的位移、约束反力、应力以及应变等参数。由经典力学理论得到的物体动力学通用方程为：

式中：[M]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵；[K]为刚度系数矩阵是位移矢量；是力矢量。

线性静力结构分析中，所有与时间有关的选项都被忽略，于是由式（1）简化得到式（2）：

在线性静力结构分析当中，位移矢量!"X就是通过上面的矩阵方程得到的。

分析应当满足以下假设条件：[K]矩阵必须是连续的，且为线性弹性材料，遵循小变形理论，但是可以包括部分非线性边界条件；!"F为静力载荷，同时不考虑随时间变化的载荷，不考虑惯性（如质量、阻尼等）影响。

1.2 悬臂工作台网格化

此装配体是由Solidworks建立模型，通过相应接口导入ANSYS Workbench中。导入装配体时，程序就会在两个实体之间自动生成接触副。在默认情况下，ANSYS Workbench对装配体定义的是对称接触，这样任何一边都可以渗透到另一边。

该装配体结构仿真的接触控制方程选择MPC方程，MPC方程仅适用于绑定接触，对接触面间的相对运动定义了约束方程，部件之间没有任何相互滑动。除此之外，Workbench还提供了Augmented Lagrange、Normal Lagrange等控制方程。

悬臂工作台式划片机适用于最大尺寸为6英寸工件的加工，主体结构由x轴、y轴和z轴构成，x轴运动方向是左右，y轴是前后运动，z轴是做上下运动，分别由导轨丝杠导向，其机械主体结构如图1，划片机的关键部件主轴安装于套筒内。

针对悬臂工作台的机械结构进行有限元分析前需先定义材料属性，在线性静力结构分析当中，材料属性只需要定义弹性模量以及泊松比。只有存在任何惯性载荷，密度才需要定义。定义相应部件的材料属性时，包括铸件材料的物理特性：

图1 悬臂工作台装配

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

钢的物理特性：

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

Workbench的网格划分采用自适应网格划分策略，对悬臂工作台结构的整体网格划分结果如图2所示。

图2 悬臂工作台网格化

1.3 悬臂工作台仿真分析

施加装配体约束与载荷，载荷外力即为主轴的等效质量F=100 N，状态如图3所示。

施加大基座下面的3个固定约束，如图4所示。

打开解法器Solve，本文根据部件的复杂程度选用了迭代求解器，此法利用前处理矩阵[Q]求解方程：

图3 悬臂工作台加载

图4 悬臂工作台固定约束分布

式中：假设[Q]=[K]-1,在这种情况下然而前处理器通常不是[K]-1，故[Q]越接近预处理效果就越好。本仿真中存在固定约束，所以加入弱弹簧，这样就可以通过阻止奇异矩阵来阻止可能实现的刚性位移。仿真结果包括位移形变及应力分布。位移形变Total Deformation总体

通过静力仿真分析，可以得到y向分别运行到前、中、后（方向遵循图1所示）不同位置时的最大变形量及最大应力，结果如表1。

表1 悬臂工作台在y向不同位置处参数

图5 悬臂工作台位移形变

图6 悬臂工作台应力分布

由表1可知，无论是最大变形还是最大应力都发生在y向工作台的前部。

1.4 桥型工作台网格化

桥型工作台最大加工工件尺寸是8英寸，鉴于行程以及刚性、稳定性能等因素考虑，整机的机械结构改为桥型结构，结构相对复杂，主轴的安装位置也改为了悬挂式。整体结构如图7。

图7 桥型工作台装配

对桥型工作台三轴结构运用ANSYS Work-bench软件进行自适应网格划分，如图8。当结构特征出现不规则或者突变时，进行较细网格划分，默认划分网格为四面体网格。

图8 桥型工作台网格化

1.5 桥型工作台加载及仿真

加载结构受到的约束与载荷，3个固定约束面位于下表面，呈三角形排列，静力载荷100 N向下作用于z向溜板的正下方，如图9所示。

图9 桥型工作台加载

装配体的形变位移效果图和应力大小分布分别如图10和图11。其中的红色区域是该结构变形量最大的位置。

通过静力仿真分析，可以得到y向分别运行到前、中、后（方向遵循图7所示）不同位置时的最大变形量及最大应力，结果如表2。

表2 桥型工作台在y向不同位置处参数

图10 桥型工作台位移形变

图11 桥型工作台应力分布

2 分析总结

通过ANSYS Workbench软件对悬臂工作台和桥型工作台的整体机械结构进行仿真分析，结果给出了两种结构设计变形的方向和应力分布。桥型工作台的整体结构比悬臂工作台的结构更具优越性，刚度大，变形量小，最大变形量减小了17%；虽然最大应力增大为0.92203 MPa，但与悬臂结构应力变化不大。ANSYS Workbench仿真软件为机械设计可靠性分析提供了方便，为模型的建立提供更多途径，与更多建模软件建立了接口连接。只要模型与条件合适，仅仅通过计算机软件就可仿真出结构的变形、响应等结果，在很大程度上节省了人力、财力的投入，减少了不必要的损失与浪费。

[1] 蒲广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解.北京：中国水利水电出版社.2010.

[2] 马岩，袁慧珠.划片机金刚石砂轮刀片性能研究[J].电子工业专用设备，2008，37(11)：30-37.