硅片激光弯曲成形的数值模拟与试验

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1、独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果．尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料．与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。·'op作者签名：堕兰垒日期：2塑：L2大连理工大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意大连

2、理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：导师签名：i玺竺叁丝缝退丝里年上月上日大连理工大学硕士学位论文1绪论激光是由受激辐射经光放大形成的光辐射。激光技术是继原子能和计算机之后，迅速发展起来的又一项重大新科技。目前，激光技术已被广泛应用于各个领域，其发展远远超过人的预想。在激光的应用领域中，激光加工技术和设备以每年25％～3

3、0％的速度递增，是各种加工技术中增长速度最快和最有竞争力的。由于激光束具有单色性、相干性、能量高度集中性等优点，它已与计算机、生物工程、新型材料等构成了新技术革命的先导。激光加工技术集光、机、电、材料等技术为一体，形成了激光加工理论与先进制造技术，在航空航天、微电子、精密加工、精确计算等领域展示了特有的优势IⅧ。1．1课题背景激光弯曲成形(LaserBending)是一种高效、洁净的无模无外力成形工艺，具有生产周期短、柔性大、精度高等特点。该技术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

4、应力实现塑性成形。通过调整激光加工的各种工艺参数和选择合适的扫描轨迹，可以成形任意形状的弯曲件、异形件和其它复杂的三维曲面等零件，并能成形常温下难变形材料。因此受到国内外众多学者及工程界的广泛关注[4-71。与传统成形相比，激光热成形是一个复杂的瞬态热弹塑性变形过程，涉及传热学、弹塑性力学、材料科学等多学科【¨¨。其加热区域温度瞬态变化很大，同时存在加热与冷却过程，使得局部的温度、应力和应变在时间空间上剧烈变化。且伴随着温度变化，材料的力学性能与微观组织也产生较大变化。深入分析激光热变形的成形机理、温度场和

5、变形规律，对于指导试验，实现弯曲过程的精密控制有着重要的意义。单晶硅属典型脆性材料，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。而其三维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，进一步扩大其应用范围。借助激光弯曲成形硅片是激光弯曲成形在脆性材料领域的新应用，目前对于脆性材料的激光弯曲成形才刚刚起步【协埘，分析模拟脆性材料的激光弯曲过程，对于指导试验，激光参数的选择等意义重大。1．2激光弯曲

6、成形技术概述1．2．1激光弯曲成形工艺激光弯曲成形是基于材料的热膨胀冷缩特性，利用高能激光束扫描工件表面，在热作用区产生温度梯度，引起超过材料屈服强度的内应力，使板材产生所需变形的一种成硅片激光弯曲成形的数值模拟及试验形工艺。当激光束相对于板材的运动轨迹为直线时，便得到v形弯曲件；当运动轨迹不重复或为非直线时，便得到复合弯曲的异形件，如柱面件、盘形件、球形件及多种复杂形状的三维异形件等【9，141。激光弯曲成形的基本过程如图1．1所示：用适当形状和能量分布的激光束以一定速度沿一定轨迹扫描板材表面，使板材局部

7、瞬间加热至高温状态，在热作用区域内板厚方向上产生明显的温度梯度。一次或多次扫描后板材即可获得一定的弯曲形状，循环往复地进行这种加热和冷却过程，并且在扫描时通过控制加工工艺参数(激光输出能量、离焦量、扫描路径、扫描速度等)改变每次的弯曲形状，从而使板材得到所要求的弯曲形状。该过程主要包括加热和冷却两个阶段【15。16l：Z图1．1激光弯曲成形示意图Fig．1．1mustrationoflaserdeformationprocess在加热阶段，当高能量密度的激光束垂直照射到待弯曲板材的上表面时，照射处的温度在极

8、短的时间内急剧上升；同时沿厚度方向远离上表面处的材料，由于没有受到激光束的直接照射，其温度在短时间内无明显变化，这样被照射区域沿板材厚度方向就形成了强烈的温度梯度。板材上下表面问温差很大，致使板材上表面材料的膨胀量远远大于下表面，于是板材产生了背向激光束的弯曲。同时，在板材平面方向，被照射区周围的冷态材料要限制被照射区的热膨胀，使加热部位产生压缩应力，随着温度的升高，一方面材料的屈服应力迅速降低，一方面被照射区内