壓印機電加熱平板溫度場仿真

摘要：納米壓印設備廣泛應用于微光電子行業，加熱板是壓印機的核心部件，其表面的溫度均勻性是設備性能的重要指標。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律，在此基礎設計了應用于納米壓印設備的加熱板。

關鍵詞：壓印機;溫度均勻性;熱場仿真

引言

壓印機在真空加熱下，熱量靠輻射傳導，導致不能通過熱對流的形式使得加熱板溫度趨于均勻，難以達到使用要求。因此只有通過加熱板結構的合理設計保證加熱板的溫度均勻性。

1 設計方案簡述

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，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整加熱板上的溫度場。根據上述模型分析，其傳熱屬于二維熱傳導，其傳熱規律遵循傅里葉定律[1]。

2 熱場設計及仿真優化

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）假設加熱管的熱量全部傳導到加熱板上;（2）熱管上的功率分布均勻?；谏鲜黾僭O，將加熱功率直接施加在加熱板上[2]。

2.1 加熱管數量對熱場的影響規律

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。從仿真結果可以看出，均勻區域呈同心圓分布，隨著加熱管數量的增加，高溫區域逐漸向加熱板邊緣延伸，且低溫區域的面積在逐漸減少。見圖2。

可見隨著加熱元件數量的增加，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律

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

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。

橫坐標為加熱元件距離加熱板的邊界值，縱坐標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，因此在設計時，邊界值越小越好，但是邊界值過小，容易導致安結構安全隱患，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律

從上述的仿真結果可以看，單純改變加熱管的數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優化間距參數，其結果如圖4所示。

從仿真的結果來看，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，當加熱元件之間的間距呈現b

從上述優化結果來看，其溫差值基本上分布在8.5℃左右，滿足設的使用的±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

根據上述的仿真結果可以得出：在加熱板溫度較低的地方，可以施加較大的功率;在溫度較高的區域施加較低的功率，通過改變功率值，來調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。

3 結論

（1）在設計熱場時，采用有限元和試驗相結合的方法能夠有效提高設計效率，減低設計成本。

（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，且能夠達到對于溫度場±5℃的要求。

參考文獻：

[1]? 閻承沛.真空熱處理工藝與設備設計 [M].北京：機械工業出版社，1998.

[2]? 陶文銓.傳熱學[M].西安：西北工業大學出版社，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，機電一體化。

（作者單位：無錫機電高等職業技術學校）