硅片激光弯曲成形的数值模拟及试验

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单晶硅作为主要的半导体材料,不但具有良好的电子特性,而且具有很好的机械性能,被广泛应用于各种领域。在MEMS中三维硅微结构元件主要通过刻蚀实现,因此都保留在原基体内部,但如果利用硅的塑性在高温下直接成形,则可将元件成形到基体外部,扩大其使用范围。激光弯曲成形是利用高能激光束以特定路径扫描工件表面,借助非均匀温度场产生的热应力实现塑性成形。它是一种高效、洁净无模无外力的成形工艺,具有生产周期短、柔性大、精度高等特点。硅片激光弯曲成形,不但是硅片弯曲成形的新方法,而且是激光弯曲成形在脆性材料方面的新应用。本文针对硅片脉冲激光弯曲成形的工艺特点,分析和描述了光脉冲动态热源的时空特性,借助有限元分析软件ANSYS,针对脆性材料硅,利用APDL语言处理了热源加载、计算收敛等问题,并对单元的网格划分进行了优化,建立了硅片脉冲激光弯曲成形的数值仿真模型。在数值模型的基础上,模拟了弯曲过程中的温度场与应力应变。分析结果表明:脉冲激光扫描过程中,硅片上每点的温度都会随着光脉冲的作用周期性变化,而且越靠近光斑中心,变化的幅度越大;对于脆性材料硅片,激光作用的每一个光脉冲都将引起自由端的上下振动,只有当扫描区的温度超过塑性点,作用结果才能引起硅片的塑性变形,否则仅属于弹性振动。而对温度分布特点的研究发现,硅片的脉冲激光弯曲成形机理不是简单意义上的温度梯度或屈曲机理,而是二者共同作用的结果。针对弯曲过程中的单脉冲能量、光斑半径、扫描速度、脉冲频率,论文分别进行了单因素温度场模拟,并利用MATLAB拟合工具箱对温度曲线进行了拟合,推导出了对应的温度关系,用于更好的指导试验。针对模拟结果,本文进行了验证性试验。首先,依据光脉冲作用特点,试验选择并制作了NiCr/NiSi薄膜热电偶,并通过改变光斑中心位置的方式,测得了脉冲激光作用过程中,不同点不同时刻的温度值,对温度场模型进行了修正。接着,通过试验实现了硅片的脉冲激光弯曲成形,并得到了弯曲质量较优的试验参数。试验结果表明,数值模拟结果与试验结果达到了较好的统一。本文的工作,建立了光脉冲的动态热源模型,解决了脉冲激光弯曲模拟中光源加载与计算难收敛问题,实现了脉冲激光弯曲成形脆性材料硅片的数值模拟与弯曲试验,并成功测得了光脉冲作用过程中不同时刻的温度值,达到了模拟与试验的较好统一。
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