压印机电加热平板温度场仿真

摘要：纳米压印设备广泛应用于微光电子行业，加热板是压印机的核心部件，其表面的温度均匀性是设备性能的重要指标。本文采用有限元软件，在300℃下，分别仿真了不锈钢加热板中加热元件的数量，加热元件的间距以及加热元件的功率对加热板温度场的影响规律，在此基础设计了应用于纳米压印设备的加热板。

关键词：压印机;温度均匀性;热场仿真

引言

压印机在真空加热下，热量靠辐射传导，导致不能通过热对流的形式使得加热板温度趋于均匀，难以达到使用要求。因此只有通过加热板结构的合理设计保证加热板的温度均匀性。

1 设计方案简述

如图1所示为加热板组件的示意图，其中加热板为不锈钢材质，加热元件为电阻加热。通过控制加热元件的分布间距（即b，c，d，e），加热元件的边界距离（a），以及每一根加热管的功率即可调整加热板上的温度场。根据上述模型分析，其传热属于二维热传导，其传热规律遵循傅里叶定律[1]。

2 热场设计及仿真优化

加热管置于加热板中，通过顶丝将加热管和加热板顶紧，在仿真过程中：（1）假设加热管的热量全部传导到加热板上;（2）热管上的功率分布均匀。基于上述假设，将加热功率直接施加在加热板上[2]。

2.1 加热管数量对热场的影响规律

在距离边界值恒定的情况下，加热管间距相等的情况下分别仿真了加热板布置9，12根加热管在300℃下的温度云图。从仿真结果可以看出，均匀区域呈同心圆分布，随着加热管数量的增加，高温区域逐渐向加热板边缘延伸，且低温区域的面积在逐渐减少。见图2。

可见随着加热元件数量的增加，温差也在逐渐增大。说明在不改变加热元件距边界的条件下，单纯增加加热管的数量不能提高加热板的温度均匀性。从上述温度云图可以看出，低温段主要出现在加热板的四个边角上，因此要降低加热板的温差，需要提高边角上的温度值。

2.2 加热元件的边界距离对热场的影响规律

从上述的仿真结果来看，其边角处温度值较低，因此在加热元件数量一定的情况下，研究边界距离对于温度场的影响规律。

在边界距离改变、加热管间距相等的情况下分别仿真了a=1d～2d情况的11根加热元件在300℃温度云图。

横坐标为加热元件距离加热板的边界值，纵坐标为最高温度和最低温度之间的温差值，从上图可以看出，随着间距的大，温差值在逐渐增加，因此在设计时，边界值越小越好，但是边界值过小，容易导致安结构安全隐患，因此一般选择a=d.

2.3 加热管之间的间距对于温场的影响规律

从上述的仿真结果可以看，单纯改变加热管的数量和边界距离不能有效地降低加热板表面的温差值。因此需要改变加热板的间距来调整加热板表面的温差值。在距离边界值恒定的情况下，及加热管间距改变的情况下，采用work-bench优化间距参数，其结果如图4所示。

从仿真的结果来看，改变加热元件之间的间距可以显著降低加热板表面的温差，当加热元件之间的间距呈现b

从上述优化结果来看，其温差值基本上分布在8.5℃左右，满足设的使用的±5℃的要求。可见改变加热元件的布置形式，可以显著改变热板的温度场分布。

2.4 加热元件的功率对于温度场的影响

根据上述的仿真结果可以得出：在加热板温度较低的地方，可以施加较大的功率;在温度较高的区域施加较低的功率，通过改变功率值，来调整加热板表面的温差值。

图6为改变加热元件功率之后的仿真结果，其最大温差值为4.7℃，可见改变加热元件的功率可以显著提高加热板表面温度均匀性。但是在实际使用过程中，改变每一个加热元件的功率，存在外围配置成本高，控制难度大的特点。

3 结论

（1）在设计热场时，采用有限元和试验相结合的方法能够有效提高设计效率，减低设计成本。

（2）改变加热元件之间的排布间距可以显著改善加热板表面的温场，且能够达到对于温度场±5℃的要求。

参考文献：

[1]  阎承沛.真空热处理工艺与设备设计 [M].北京：机械工业出版社，1998.

[2]  陶文铨.传热学[M].西安：西北工业大学出版社，2006.

作者简介：刘永富，1983年8月，男，江苏赣榆人，硕士研究生，高校讲师，研究方向，机电一体化。

（作者单位：无锡机电高等职业技术学校）