氣流控制對于半導體組裝設備的生產(chǎn)至關重要。這些過程需要清潔的環(huán)境和對空調系統(tǒng)的精細控制。作為生產(chǎn)設備的總制造商，Hirata公司使用熱流體分析工具scSTREAM來模擬不同類型的生產(chǎn)設備和其他設備的流動機理。使用scSTREAM有很多優(yōu)勢，可用于產(chǎn)品開發(fā)以及更好地演示效果。 

Hirata公司是日本生產(chǎn)設施設備制造商之一，主要專注于為汽車、半導體和家用電器行業(yè)制造工具和設備。他們通過遍布全國的七家工廠管理日本國內(nèi)市場的業(yè)務。他們還在包括美國、墨西哥和德國在內(nèi)的9個國家/地區(qū)擁有相關的公司。由Hirata公司管理的生產(chǎn)設備啟動項目在國內(nèi)外享有很高的聲譽。他們因使用各種核心技術（包括機器人技術，運輸工具控制，設備控制，清潔和精密儀器）來提供實時解決方案而備受認可。

Hirata公司的顯赫地位與其使用公司資源進行產(chǎn)品的開發(fā)、設計、零件生產(chǎn)、組裝和評估以及設施初創(chuàng)公司的政策密切相關。Hirata公司的最大優(yōu)勢在于具有制造組件的能力，從而可以平滑過渡到之后的組裝過程。這樣就可以穩(wěn)定地交付高質量的產(chǎn)品。為了實現(xiàn)這一優(yōu)勢，Hirata公司引進了大型工程機械，例如五軸加工中心，激光機和鋁壓鑄機。公司具有這些制造設備能夠使得成本和交貨時間最小化，并且提供一流的、可靠的生產(chǎn)設備。

公司開發(fā)的產(chǎn)品之一是靈活的組裝系統(tǒng)Hayate（圖1）。Mr. Takahiro Motoyama和Mr. Michitaka Matsumura 是在專業(yè)領域進行高級研究的分析專家。Mr. Motoyama是從事氣流分析的專家，Mr. Matsumura是結構分析的專家。每個部門分別處理簡單的分析（如線性分析），分析專家則負責更復雜的情況。這些包括材料非線性、接觸非線性和流體分析。

圖 1: Hayate, 一個靈活的組裝系統(tǒng)

使用scSTREAM模擬可視化氣流

為了滿足工程師的要求，Hirata公司于2007年開始使用scSTREAM，開發(fā)可視化氣流（基本上不可見）的功能。

盡管他們曾在實驗測試中嘗試使用氣流可視化技術，但發(fā)現(xiàn)還不足以解決許多設計問題。使用計算仿真來可視化氣流將有助于更好地理解物理現(xiàn)象，從而提高質量并降低成本。Hirata公司將這一職任務配給了Mr. Motoyama，他主導探索研究工作，找到了合適的流體分析工具。團隊最初尋找的是一種可以模擬移動物體的分析工具，例如大型基板傳輸機器人。由于公司的許多產(chǎn)品都是大型的、形狀簡單的設備， Hirata公司尋找了一種配備快速求解器的結構化網(wǎng)格分析工具。經(jīng)過廣泛的調查，他們決定使用滿足產(chǎn)品和預算要求的scSTREAM。

半導體生產(chǎn)設備的氣流分析

Hirata公司對用于生產(chǎn)半導體的EFEM（設備前端模塊）進行了一系列分析（圖2）。

圖 2:EFEM用于先前的半導體生產(chǎn)工藝（左）

EFEM的分析示例，顯示速度矢量和云圖（右）

在整個晶圓制造過程中，EFEM用于將晶圓從FOUP（Front-Opening Unified Pod，包含數(shù)十個晶圓的容器）轉移到制造設備。“用于半導體生產(chǎn)的空間必須絕對的干凈。空間越大，保持清潔的成本就越高。為了解決這個問題，我們采用了“微環(huán)境”的概念，僅在晶片的周圍保持清潔度。” Mr.Matsumura解釋說。EFEM使用微環(huán)境的概念來轉移晶圓。半導體器件的制造工藝包括七個階段，可以分為100多個步驟。EFEM用于許多階段，包括構圖、蝕刻和離子束注入，來轉移晶圓并保持晶圓周圍空間清潔。一個說明性的示例是連接到EFEM的蝕刻設備，連接到一個稱為加載端口的接口。當將FOUP放在裝載端口上時，端口將打開或關閉FOUP，從而使EFEM承載系統(tǒng)將晶片分配到蝕刻設備。

向客戶介紹N2的密度分布

Hirata公司進行了流量分析，研究EFEM中的氮擴散。為了避免晶片氧化，EFEM配備了氮氣吹掃功能，用氮氣填充FOUP內(nèi)部。大量氮泄漏到周圍環(huán)境可能對操作人員有害。因此，Hirata公司發(fā)現(xiàn)，客戶在購買過程中會提出的第一個問題是可能的氮泄漏量。同時，Hirata 公司的工程師也想了解如何通過傳感器的合理放置來在EFEM中有效氮氣分布。 

EFEM的長、寬為2 m，深為1 m。氮氣通過直徑20毫米的孔進入。對于這種大小的孔，計算域尺寸比孔大兩個數(shù)量級。這意味著在孔附近需要較高的網(wǎng)格密度，才能正確解決射流動力學問題。在與Cradle的工程師協(xié)商后，Hirata公司的工程師成功地確定了網(wǎng)格單元的理想尺寸。模型中的移動對象以Nastran格式輸出，并導入到scSTREAM預處理器中。大約需要700萬個網(wǎng)格元素才能正確表示包含數(shù)百個組件的EFEM。

Hirata公司的工程師對FOUP進行了分析，確定了在吹掃過程中氮氣是如何從下部的兩個出口分散的。他們還想知道當載體設備水平和垂直移動時，云圖如何變化（圖3）。Hirata公司認為，這一評估和可視化結果對于幫助他們證明設備的有效性，并最終確保銷售十分重要。

圖 3: 吹掃過程中可視化的N2濃度橫截面?zhèn)纫晥D（左）俯視圖（右）

scSTREAM的多樣化應用

隨著EFEM和FOUP分析的成功，Hirata公司現(xiàn)在將scSTREAM用于許多其他產(chǎn)品的開發(fā)。另一個產(chǎn)品是FFU（Fan Filter Unit，風扇過濾器單元），其設計允許清潔的空氣向下移動。這樣可減少堵塞，同時將內(nèi)部壓力保持在比周圍環(huán)境高3-5 Pa的水平，并保持0.3至0.5 m / s的流速。Hirata公司使用scSTREAM來確定理想的幾何形狀和孔的配置。他們還對用于玻璃電路板的載體設備的FFU進行了仿真。 

使用scSTREAM可以降低成本并縮短開發(fā)時間。可視化結果還被證明對于公司內(nèi)部和客戶演示都是有效的。Hirata公司希望在越來越多的產(chǎn)品開發(fā)過程中應用scSTREAM。

出色的售后服務提高了用戶滿意度

Hirata公司的工程師高度關心Cradle售后服務的質量和速度。一天之內(nèi)就回復了查詢結果。Mr. Motoyama說，它比日本以外的國際CFD軟件公司開發(fā)的其他工具都快得多。首先將復雜的查詢要求提交給代理商，然后將其轉發(fā)給開發(fā)人員。最后，花了兩到三天才能收到答復。“由于我們是日本的制造商，使用在日本開發(fā)的軟件意味著更大的收益。剛開始使用該軟件時，他們的售后極大地幫助了我們。那時，盡管對軟件了解甚少，但我們還是嘗試從涉及移動對象的非常復雜的分析開始。感謝Cradle工程師提供的支持，我們可以學習如何充分使用軟件。” Mr.Motoyama說。

Mr. Motoyama參加了由Cradle組織的scSTREAM研討會。“我記得Cradle的銷售工程師建議我參加計算力學工程師證書考試，激發(fā)了我學習CFD（計算流體動力學）的動力。” 他根據(jù)Cradle軟件用戶手冊和各種論文，研究了CFD理論。這也幫助了他更好地了解該軟件可以做什么和不能做什么。Mr. Motoyama說：“我需要獲得能夠正確判斷結果的能力，因此復習了CFD和流體工程的基礎。” 盡管復習了大學中CFD的基本內(nèi)容，但他說在被任命為Hirata公司的分析團隊成員之后，變得更加專注了。

使用新功能的進一步挑戰(zhàn)

當最初引進scSTREAM時，Hirata公司對大型方形設備進行了分析，這些設備使用scSTREAM的常規(guī)結構化網(wǎng)格功能可以很好地工作。現(xiàn)在，他們準備使用scSTREAM中的cut-cell功能繼續(xù)分析彎曲部件目標。“如果我們能夠正確使用cut-cell功能，我認為將能夠在不使用非結構化網(wǎng)格SC / Tetra軟件的情況下分析彎曲物體。我們期待著cut-cell功能的進一步發(fā)展。”Mr. Motoyama說。

Hirata公司在將scSTREAM引入產(chǎn)品開發(fā)過程中取得了穩(wěn)步的進展，希望在將來進一步擴大應用范圍。