半导体贴片设备流体分析工况概述

半导体贴片设备流体分析工况概述

赵熙

苏州经贸职业技术学院机电技术学院，江苏 苏州市，215009

摘要：

随着全球电子工业的发展，微电子封装也发展成为独立的产业。封装技术不仅实现了电阻、电容等元器件的信号连接，还能够成为散热通道。因此，本文就半导体贴片设备中的流体流道散热的设计和散热工况进行研究，对建模方法的建立进行了探索，为后续半导体贴片设备的散热分析奠定了基础。

一、半导体贴片设备散热结构分析

散热结构模型主体设计参考半导体10nm贴片设备散热结构，其主要的结构构成包括：技术外罩（保护罩），金属压片板件，陶瓷加热结构，隔热块，以及合金金属底座。

图1、半导体贴片设备散热结构组成

图2、计算模型出口、入口示意图

图3 等轴测图

二、半导体贴片设备散热工况分析

在半导体贴片设备工作过程中，具体工况和工作条件如下：首先，加热棒以一定的加热功率给陶瓷加热片提供热源，待温度传感器监测到温度达到220℃后，停止加热，温度降到215℃后，启动加热程序，以此循环往复，保持陶瓷加热片的温度在215-220℃之间，保证该区域温度温度在设定的温度区间，并恒温2小时；其次，增加加热棒功率，使其迅速升温，并保证在10s时间内达到300℃，随后传感器发出指令，让加热棒维持在300±5℃的条件下保持60s时间；再次，停止加热棒加热，并用氮气通过散热通道涌入，形成速度热交换，从出气管路流出，达到快速冷却的目的，待温度传感器接收到加热棒端部温度下降到220℃后，保持陶瓷加热片的温度在215-220℃之间，保证该区域温度温度在设定的温度区间；最后，需要切断冷却气体的涌入通道。

图4、变化过程示意图

1、假设氮气和空气为不互溶的气体，进行两相流VOF计算

2、初始条件：流体域中充满空气，氮气从入口涌入

3、边界条件：入口流量10L/min，转化为流速12.03m/s，背压为大气压，出口回流为空气

4、时间步长为0.001s，计算步数：4000，瞬态分析总时长为4.0s

两相流计算-氮气、空气。1、假设氮气和空气为不互溶的气体，进行两相流VOF计算

2、初始条件：流体域中充满空气，氮气从入口涌入。3、边界条件：入口流量10L/min，转化为流速12.03m/s，背压为大气压，出口回流为空气。4、时间步长为0.001s，计算步数：1400，瞬态分析总时长为1.4s。

由监测面3速度矢量图，发现气体回流现象，可能会导致携带氧气进入共晶台，导致氧含量（氮气分布）波动。

而监测面5氮气分布云图，也验证了这一点。即在含氧量测头所在平面，X方向的左右两端氮气体积分数始终达不到1，原因是回流空气（氧气）的涌入导致该区域氮气达不到100%。

速度矢量图和氮气分布云图，发现X方向的左右两端（保护罩两端），有空气相气体回流。

图5、流体动态分析

图6、常规数值坐标结果

图7、对数坐标结果

图8、流道的优化（孔径、长度、位置和数量）

三、结论

本文研究了半导体贴片设备在升温、恒温、迅速升温、冷却、最后恒温过程中，加热棒工作过程和流体变化的工况分析。为下一步的半导体贴片设备温度流体分析模型奠定了基础。因此，接下来的研究中，将从半导体贴片设备流道结构建模和分析入手，通过仿真分析手段，进行流道的设计和优化。

基本流动规律为氮气由导流管路进入共晶台工艺面，首先会流动填充Z方向的两个侧面，再向X方向侧面逐渐流动填充。

在充盈氮气的过程中，由于优势流道的存在，即共晶台出口位置的存在，氮气大部分会首先从共晶台上部流出。

气体回流现象，可能会导致携带氧气进入共晶台，导致氧含量波动。

主要改进建议：改变共晶台上部几何结构，设置导流出口，避免携氧回流现象。

结构方面主要针对压片和隔热块两部分的优化，通过调整各部件的相对位置，气体的流动情况，材料属性等减少陶瓷加热片的降温时间。

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基金项目：2023年苏州经贸职业技术学院一般项目（自科类）半导体贴片设备氮气保护流体分析和优化，项目编号：YJ-ZK2305