壓印機(jī)電加熱平板溫度場仿真

摘要：納米壓印設(shè)備廣泛應(yīng)用于微光電子行業(yè)，加熱板是壓印機(jī)的核心部件，其表面的溫度均勻性是設(shè)備性能的重要指標(biāo)。本文采用有限元軟件，在300℃下，分別仿真了不銹鋼加熱板中加熱元件的數(shù)量，加熱元件的間距以及加熱元件的功率對加熱板溫度場的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了應(yīng)用于納米壓印設(shè)備的加熱板。

關(guān)鍵詞：壓印機(jī);溫度均勻性;熱場仿真

引言

壓印機(jī)在真空加熱下，熱量靠輻射傳導(dǎo)，導(dǎo)致不能通過熱對流的形式使得加熱板溫度趨于均勻，難以達(dá)到使用要求。因此只有通過加熱板結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)保證加熱板的溫度均勻性。

1 設(shè)計(jì)方案簡述

如圖1所示為加熱板組件的示意圖，其中加熱板為不銹鋼材質(zhì)，加熱元件為電阻加熱。通過控制加熱元件的分布間距（即b，c，d，e），加熱元件的邊界距離（a），以及每一根加熱管的功率即可調(diào)整加熱板上的溫度場。根據(jù)上述模型分析，其傳熱屬于二維熱傳導(dǎo)，其傳熱規(guī)律遵循傅里葉定律[1]。

2 熱場設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化

加熱管置于加熱板中，通過頂絲將加熱管和加熱板頂緊，在仿真過程中：（1）假設(shè)加熱管的熱量全部傳導(dǎo)到加熱板上;（2）熱管上的功率分布均勻?；谏鲜黾僭O(shè)，將加熱功率直接施加在加熱板上[2]。

2.1 加熱管數(shù)量對熱場的影響規(guī)律

在距離邊界值恒定的情況下，加熱管間距相等的情況下分別仿真了加熱板布置9，12根加熱管在300℃下的溫度云圖。從仿真結(jié)果可以看出，均勻區(qū)域呈同心圓分布，隨著加熱管數(shù)量的增加，高溫區(qū)域逐漸向加熱板邊緣延伸，且低溫區(qū)域的面積在逐漸減少。見圖2。

可見隨著加熱元件數(shù)量的增加，溫差也在逐漸增大。說明在不改變加熱元件距邊界的條件下，單純增加加熱管的數(shù)量不能提高加熱板的溫度均勻性。從上述溫度云圖可以看出，低溫段主要出現(xiàn)在加熱板的四個邊角上，因此要降低加熱板的溫差，需要提高邊角上的溫度值。

2.2 加熱元件的邊界距離對熱場的影響規(guī)律

從上述的仿真結(jié)果來看，其邊角處溫度值較低，因此在加熱元件數(shù)量一定的情況下，研究邊界距離對于溫度場的影響規(guī)律。

在邊界距離改變、加熱管間距相等的情況下分別仿真了a=1d～2d情況的11根加熱元件在300℃溫度云圖。

橫坐標(biāo)為加熱元件距離加熱板的邊界值，縱坐標(biāo)為最高溫度和最低溫度之間的溫差值，從上圖可以看出，隨著間距的大，溫差值在逐漸增加，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，邊界值越小越好，但是邊界值過小，容易導(dǎo)致安結(jié)構(gòu)安全隱患，因此一般選擇a=d.

2.3 加熱管之間的間距對于溫場的影響規(guī)律

從上述的仿真結(jié)果可以看，單純改變加熱管的數(shù)量和邊界距離不能有效地降低加熱板表面的溫差值。因此需要改變加熱板的間距來調(diào)整加熱板表面的溫差值。在距離邊界值恒定的情況下，及加熱管間距改變的情況下，采用work-bench優(yōu)化間距參數(shù)，其結(jié)果如圖4所示。

從仿真的結(jié)果來看，改變加熱元件之間的間距可以顯著降低加熱板表面的溫差，當(dāng)加熱元件之間的間距呈現(xiàn)b

從上述優(yōu)化結(jié)果來看，其溫差值基本上分布在8.5℃左右，滿足設(shè)的使用的±5℃的要求。可見改變加熱元件的布置形式，可以顯著改變熱板的溫度場分布。

2.4 加熱元件的功率對于溫度場的影響

根據(jù)上述的仿真結(jié)果可以得出：在加熱板溫度較低的地方，可以施加較大的功率;在溫度較高的區(qū)域施加較低的功率，通過改變功率值，來調(diào)整加熱板表面的溫差值。

圖6為改變加熱元件功率之后的仿真結(jié)果，其最大溫差值為4.7℃，可見改變加熱元件的功率可以顯著提高加熱板表面溫度均勻性。但是在實(shí)際使用過程中，改變每一個加熱元件的功率，存在外圍配置成本高，控制難度大的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

（1）在設(shè)計(jì)熱場時(shí)，采用有限元和試驗(yàn)相結(jié)合的方法能夠有效提高設(shè)計(jì)效率，減低設(shè)計(jì)成本。

（2）改變加熱元件之間的排布間距可以顯著改善加熱板表面的溫場，且能夠達(dá)到對于溫度場±5℃的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 閻承沛.真空熱處理工藝與設(shè)備設(shè)計(jì) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2]? 陶文銓.傳熱學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

作者簡介：劉永富，1983年8月，男，江蘇贛榆人，碩士研究生，高校講師，研究方向，機(jī)電一體化。

（作者單位：無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校）