硅晶片激光加热仿真+专属工具箱预告

在半导体制造领域，硅晶片的加热工艺直接影响芯片的性能与良率，激光加热因具备精准控温、局部加热的优势，成为硅晶片加工中的关键技术环节。而仿真技术作为优化工艺参数、降低实验成本的核心手段，选择一款高效且精准的仿真软件至关重要。

本文将带您一览，如何运用 midas NFX 这款强大的多物理场仿真平台，对硅晶片的激光加热过程进行精确建模与分析。我们将略过繁琐的理论公式，聚焦于清晰的仿真逻辑与操作流程，展示NFX如何将复杂的物理问题转化为直观的可视化结果。

同时预告下期核心福利：激光加热能量函数专属工具箱，助力快速复现同类场景。

本文案例背景及基础物理模型，参考自多物理场仿真领域的相关公开技术资料。我们将完全基于midas NFX的建模环境进行重现与解析。

硅晶片激光加热是半导体封装、表面结构化中的关键工序，典型场景为：2英寸硅晶片在平台上以10 RPM转速旋转，10 W激光沿径向内外移动，对晶片加热1分钟。由于晶片热绝缘条件良好，仅通过顶面热辐射向20℃的腔室壁散热。

 

案例说明

本次仿真核心目标的是：捕捉晶片瞬态温度分布，输出全程最高/最低/平均温度变化，为激光扫描路径、功率参数优化提供数据支撑，避免局部过热导致晶片变形或性能衰减。

midas NFX作为集成化有限元平台，支持结构、热、流体多物理场耦合，全中文界面降低操作门槛，且能通过CPU+GPU并行运算提升仿真效率，完美适配此类瞬态热分析需求。

创建圆柱体模拟硅晶片，半径设为0.0254 m（2英寸），厚度2.75×10⁻⁴ m（275 μm）；

材料属性定义：在固体CFD材料库中选择硅材料，也可以自行修改参数。

采用四面体网格，厚度方向仅保留1个薄单元，平面方向控制单元尺寸合理性，既保证计算效率，又能精准捕捉移动热源的温度梯度变化。

a.激光热源施加：

将激光模拟为表面移动热源，采用高斯分布定义热通量，激光焦点沿x轴做三角波往复运动，光斑半径0.002 m。此处通过变量与波形函数联动，实现热源随时间、空间的动态变化（具体函数构建见下期工具箱）。

b.热辐射边界：

在晶片顶面设置热辐射条件，定义环境温度为20℃，关联表面辐射率参数，仅考虑顶面与腔室壁的热交换，忽略其他方向热损耗。激光工作波长下，吸收率等于辐射率。

 

一般情况吸收率等于辐射率

c.旋转域设置：

晶圆旋转可定义在激光运动路径中，晶圆顺时针旋转速度10RPM，即激光相对运动逆时针速度10RPM。此处无需定义旋转域。

a.求解参数配置：

选择瞬态分析类型，设置分析时长为60 s（1分钟加热过程），输出时间步按需求调整，确保捕捉温度峰值时刻的数据。

b.定义监控：

分析前定义监控点/面，可以提取全程最高、最低、平均温度等曲线。

求解完成后，利用NFX丰富的后处理功能，我们可以获得极具工程价值的可视化结果：

 

监控结果：晶圆最大温度

 

NFX：t=60s, Tmax=341℃，Tmin=250℃

 

reference：t=60s, Tmax=343℃，Tmin=250℃

 

与参考资料对比误差（最大误差<8%）

结论：两者精度高度吻合，误差处于工程可接受的精度范围内。

NFX 是一款功能强大的多物理场仿真软件，能够对流体流动、结构力学等进行高精度的仿真分析。该软件融合了易用性、全面性与专业性三大优势，提供多语言界面、流程引导式操作菜单以及可定制的仿真环境，能够帮助工程师快速掌握并投入使用。在功能层面，NFX支持结构、热、流体之间的耦合仿真，依托自研求解器并结合多线程网格划分与GPU加速技术，可高效完成从晶圆级、芯片级到封装级的大规模仿真任务。凭借面向半导体领域的专业技术资料与多渠道支持服务，NFX已成为半导体企业实现分析驱动设计、提升研发效率的可靠合作伙伴。

本次仿真中用到的“激光加热能量函数”，是我们针对半导体激光加工场景定制开发的工具箱。为帮助更多工程师快速复用该仿真能力，下一期公众 号内容将正式推出“NFX激光加热能量函数工具箱”！

该工具箱预设了高斯分布激光，可一键复 制NFX格式到midas NFX 中使用。无需手动编写函数，能大幅提升激光加热类仿真的效率与精准度，助力大家快速搞定同类课题。