下一代積體電路製造磁懸浮平面電機熱模擬研究

《下一代積體電路製造磁懸浮平面電機熱模擬研究》是依託電子科技大學,由郝曉紅擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：下一代積體電路製造磁懸浮平面電機熱模擬研究
• 依託單位：電子科技大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：郝曉紅

項目摘要

積體電路（IC）特徵尺寸的進一步縮小，要求裝載半導體晶片的高速度磁懸浮平面電機（MLPA）具有納米量級的定位精度，並且隨著IC製造向極紫外光刻的邁進，MLPA 還必須適應真空的工作環境，這樣MLPA的熱量累積就成為一個不可忽視的關鍵問題。本項目旨在通過電磁學理論、傳熱學理論和溫度場分析，研究在真空環境中，耦合場（電-磁-熱）作用下MLPA的熱量累積現象。首先，根據MLPA繞組的結構形式，研究包含交流損耗和磁滯損耗的熱源計算模型；其次，採用集中參數法建立在耦合場作用下磁懸浮平面電機的傳熱模型；最後，採用有限元數值模擬和實驗研究相結合的方法進行熱模擬研究，並進行動態熱監測，得到耦合場條件下MLPA的溫度場分布特徵。該項目的成功實施，不但有望豐富MLPA的科學理論，而且可以為超高密度IC製造設計提供理論依據。

結題摘要

本項目主要圍繞下一代積體電路製造磁懸浮平面電機開展熱仿真方面的研究工作。取得的主要成果包括：（1）根據平面電機的繞組通電形式，將繞組陣列劃分為四個不同的區域，然後根據每個區域繞組的電流波形，基於等效熱路法建立了各分區繞組的二維熱阻網路模型，並藉助平板肋片內熱傳導溫度分布計算方法獲得了擴散熱阻的計算公式。基於該模型可以進行繞組陣列的溫升估算，為下一步平面電機冷卻技術的研究提供了基礎。（2）在進行平面電機溫升估算的過程中，發現繞組陣列的導熱係數是影響溫升的一個關鍵參數，而繞組陣列又是一個包含有多種材料，如鐵芯、銅、絕緣漆和灌封膠等的混合材料，其導熱係數沒有可借鑑的經驗公式，也沒有專門的測量設備，因此，項目組搭建了一套繞組陣列的導熱係數測量實驗平台，並申請了專利保護。該導熱係數的測量方法可用於其它混合材料導熱係數的測量。（3）平面電機的工作狀態決定了其溫度場是一個瞬態場。為了準確掌握其工作過程中的溫升情況，項目組建立了其二維瞬態熱阻網路模型，並在等效熱路法的基礎上，通過改變繞組電流的大小和載入方式，利用Laplace變換/逆變換獲得了繞組陣列溫度場的瞬態解。該理論計算結果與ANSYS有限元仿真結果具有很好的一致性，驗證了瞬態熱阻網路模型的有效性。利用該模型可以有效預測繞組陣列溫度的變化規律，並以此來指導平面電機結構設計及溫度控制。（4）對瞬態溫度場進行分析後還發現，平面電機在運行過程中，繞組陣列具有很高的溫度不均勻性，項目組搭建了小型平板熱管試驗台以去除繞組陣列的高溫點，實現溫度場均勻化。結果表明，使用平板熱管後，線圈繞組溫度具有很高的一致性。上述四個方面的成果都分別通過相應的研究論文和專利反應出來。