氣流控制對于半導(dǎo)體組裝設(shè)備的生產(chǎn)至關(guān)重要。這些過程需要清潔的環(huán)境和對空調(diào)系統(tǒng)的精細(xì)控制。作為生產(chǎn)設(shè)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(shè)備和其他設(shè)備的流動機(jī)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(shè)施設(shè)備制造商之一，主要專注于為汽車、半導(dǎo)體和家用電器行業(yè)制造工具和設(shè)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(wù)。他們還在包括美國、墨西哥和德國在內(nèi)的9個(gè)國家/地區(qū)擁有相關(guān)的公司。由Hirata公司管理的生產(chǎn)設(shè)備啟動項(xiàng)目在國內(nèi)外享有很高的聲譽(yù)。他們因使用各種核心技術(shù)（包括機(jī)器人技術(shù)，運(yùn)輸工具控制，設(shè)備控制，清潔和精密儀器）來提供實(shí)時(shí)解決方案而備受認(rèn)可。

Hirata公司的顯赫地位與其使用公司資源進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)、零件生產(chǎn)、組裝和評估以及設(shè)施初創(chuàng)公司的政策密切相關(guān)。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(zhì)量的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)勢，Hirata公司引進(jìn)了大型工程機(jī)械，例如五軸加工中心，激光機(jī)和鋁壓鑄機(jī)。公司具有這些制造設(shè)備能夠使得成本和交貨時(shí)間最小化，并且提供一流的、可靠的生產(chǎn)設(shè)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(lǐng)域進(jìn)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(jié)構(gòu)分析的專家。每個(gè)部門分別處理簡單的分析（如線性分析），分析專家則負(fù)責(zé)更復(fù)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(gè)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(shí)驗(yàn)測試中嘗試使用氣流可視化技術(shù)，但發(fā)現(xiàn)還不足以解決許多設(shè)計(jì)問題。使用計(jì)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(zhì)量并降低成本。Hirata公司將這一職任務(wù)配給了Mr. Motoyama，他主導(dǎo)探索研究工作，找到了合適的流體分析工具。團(tuán)隊(duì)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(jī)器人。由于公司的許多產(chǎn)品都是大型的、形狀簡單的設(shè)備， Hirata公司尋找了一種配備快速求解器的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分析工具。經(jīng)過廣泛的調(diào)查，他們決定使用滿足產(chǎn)品和預(yù)算要求的scSTREAM。

半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的氣流分析

Hirata公司對用于生產(chǎn)半導(dǎo)體的EFEM（設(shè)備前端模塊）進(jìn)行了一系列分析（圖2）。

圖 2:EFEM用于先前的半導(dǎo)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(gè)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(gè)晶圓的容器）轉(zhuǎn)移到制造設(shè)備。“用于半導(dǎo)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(gè)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(zhuǎn)移晶圓。半導(dǎo)體器件的制造工藝包括七個(gè)階段，可以分為100多個(gè)步驟。EFEM用于許多階段，包括構(gòu)圖、蝕刻和離子束注入，來轉(zhuǎn)移晶圓并保持晶圓周圍空間清潔。一個(gè)說明性的示例是連接到EFEM的蝕刻設(shè)備，連接到一個(gè)稱為加載端口的接口。當(dāng)將FOUP放在裝載端口上時(shí)，端口將打開或關(guān)閉FOUP，從而使EFEM承載系統(tǒng)將晶片分配到蝕刻設(shè)備。

向客戶介紹N2的密度分布

Hirata公司進(jìn)行了流量分析，研究EFEM中的氮擴(kuò)散。為了避免晶片氧化，EFEM配備了氮?dú)獯祾吖δ埽玫獨(dú)馓畛銯OUP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(gè)問題是可能的氮泄漏量。同時(shí)，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?dú)夥植肌?nbsp;

EFEM的長、寬為2 m，深為1 m。氮?dú)馔ㄟ^直徑20毫米的孔進(jìn)入。對于這種大小的孔，計(jì)算域尺寸比孔大兩個(gè)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(xué)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(dǎo)入到scSTREAM預(yù)處理器中。大約需要700萬個(gè)網(wǎng)格元素才能正確表示包含數(shù)百個(gè)組件的EFEM。

Hirata公司的工程師對FOUP進(jìn)行了分析，確定了在吹掃過程中氮?dú)馐侨绾螐南虏康膬蓚€(gè)出口分散的。他們還想知道當(dāng)載體設(shè)備水平和垂直移動時(shí)，云圖如何變化（圖3）。Hirata公司認(rèn)為，這一評估和可視化結(jié)果對于幫助他們證明設(shè)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(yīng)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(gè)產(chǎn)品是FFU（Fan Filter Unit，風(fēng)扇過濾器單元），其設(shè)計(jì)允許清潔的空氣向下移動。這樣可減少堵塞，同時(shí)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(shè)備的FFU進(jìn)行了仿真。 

使用scSTREAM可以降低成本并縮短開發(fā)時(shí)間。可視化結(jié)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(yīng)用scSTREAM。

出色的售后服務(wù)提高了用戶滿意度

Hirata公司的工程師高度關(guān)心Cradle售后服務(wù)的質(zhì)量和速度。一天之內(nèi)就回復(fù)了查詢結(jié)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(fù)雜的查詢要求提交給代理商，然后將其轉(zhuǎn)發(fā)給開發(fā)人員。最后，花了兩到三天才能收到答復(fù)。“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(shí)，他們的售后極大地幫助了我們。那時(shí)，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(fù)雜的分析開始。感謝Cradle工程師提供的支持，我們可以學(xué)習(xí)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(jì)算力學(xué)工程師證書考試，激發(fā)了我學(xué)習(xí)CFD（計(jì)算流體動力學(xué)）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(jié)果的能力，因此復(fù)習(xí)了CFD和流體工程的基礎(chǔ)。” 盡管復(fù)習(xí)了大學(xué)中CFD的基本內(nèi)容，但他說在被任命為Hirata公司的分析團(tuán)隊(duì)成員之后，變得更加專注了。

使用新功能的進(jìn)一步挑戰(zhàn)

當(dāng)最初引進(jìn)scSTREAM時(shí)，Hirata公司對大型方形設(shè)備進(jìn)行了分析，這些設(shè)備使用scSTREAM的常規(guī)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格功能可以很好地工作。現(xiàn)在，他們準(zhǔn)備使用scSTREAM中的cut-cell功能繼續(xù)分析彎曲部件目標(biāo)。“如果我們能夠正確使用cut-cell功能，我認(rèn)為將能夠在不使用非結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)展，希望在將來進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍。