硅片激光彎曲成形的數(shù)值模擬及試驗(yàn).pdf

1、單晶硅作為主要的半導(dǎo)體材料，不但具有良好的電子特性，而且具有很好的機(jī)械性能，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。在MEMS中三維硅微結(jié)構(gòu)元件主要通過刻蝕實(shí)現(xiàn)，因此都保留在原基體內(nèi)部，但如果利用硅的塑性在高溫下直接成形，則可將元件成形到基體外部，擴(kuò)大其使用范圍。激光彎曲成形是利用高能激光束以特定路徑掃描工件表面，借助非均勻溫度場產(chǎn)生的熱應(yīng)力實(shí)現(xiàn)塑性成形。它是一種高效、潔凈無模無外力的成形工藝，具有生產(chǎn)周期短、柔性大、精度高等特點(diǎn)。硅片激光彎曲成形，不但

2、是硅片彎曲成形的新方法，而且是激光彎曲成形在脆性材料方面的新應(yīng)用。 本文針對硅片脈沖激光彎曲成形的工藝特點(diǎn)，分析和描述了光脈沖動(dòng)態(tài)熱源的時(shí)空特性，借助有限元分析軟件ANSYS，針對脆性材料硅，利用APDL語言處理了熱源加載、計(jì)算收斂等問題，并對單元的網(wǎng)格劃分進(jìn)行了優(yōu)化，建立了硅片脈沖激光彎曲成形的數(shù)值仿真模型。 在數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，模擬了彎曲過程中的溫度場與應(yīng)力應(yīng)變。分析結(jié)果表明：脈沖激光掃描過程中，硅片上每點(diǎn)的溫度都會

3、隨著光脈沖的作用周期性變化，而且越靠近光斑中心，變化的幅度越大；對于脆性材料硅片，激光作用的每一個(gè)光脈沖都將引起自由端的上下振動(dòng)，只有當(dāng)掃描區(qū)的溫度超過塑性點(diǎn)，作用結(jié)果才能引起硅片的塑性變形，否則僅屬于彈性振動(dòng)。而對溫度分布特點(diǎn)的研究發(fā)現(xiàn)，硅片的脈沖激光彎曲成形機(jī)理不是簡單意義上的溫度梯度或屈曲機(jī)理，而是二者共同作用的結(jié)果。針對彎曲過程中的單脈沖能量、光斑半徑、掃描速度、脈沖頻率，論文分別進(jìn)行了單因素溫度場模擬，并利用MATLAB擬合工

4、具箱對溫度曲線進(jìn)行了擬合，推導(dǎo)出了對應(yīng)的溫度關(guān)系，用于更好的指導(dǎo)試驗(yàn)。 針對模擬結(jié)果，本文進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)。首先，依據(jù)光脈沖作用特點(diǎn)，試驗(yàn)選擇并制作了NiCr/NiSi薄膜熱電偶，并通過改變光斑中心位置的方式，測得了脈沖激光作用過程中，不同點(diǎn)不同時(shí)刻的溫度值，對溫度場模型進(jìn)行了修正。接著，通過試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了硅片的脈沖激光彎曲成形，并得到了彎曲質(zhì)量較優(yōu)的試驗(yàn)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了較好的統(tǒng)一。 本文的工