当模拟一个制造工艺时，例如对一个物体进行加热，有可能由于温度的变化而发生不可逆的损伤。这种损伤有可能是该工艺所需要的一个步骤。利用上一个解算子，我们可以在 COMSOL Multiphysics 中对这种损伤进行建模。这篇博客，我们将研究由激光加热的晶片上的薄涂层的“烤掉”问题。
加热晶片以去除材料的薄膜
以表面涂有一层非常薄的材料的硅晶片为例。这层薄膜可能是在以前的加工步骤中引入的，我们现在想通过用激光加热晶片来快速“烤掉”这层材料。在加热过程中，晶片被安装在一个旋转的平台上，激光热源在表面上来回移动。
以一层与晶片厚度相比非常薄的材料为例。我们可以假设这层薄膜不会对系统的热质量产生影响，也不会提供任何额外的传导热路径。但是，这个涂层会影响表面发射率。如果涂层未被损坏，发射率为 0.8。一旦涂层被烤掉，晶片那个区域的辐射率将变为 0.6。这将改变从激光热源吸收的热量和从硅晶片辐射到周围的热量。
当温度足够高时，一束激光在旋转的晶片上穿行，烧蚀了一个薄的表面涂层。
我们不会过多地关注涂层从晶片上被去除的过程。尽管实际过程可能包括相变、熔化、沸腾、烧蚀和化学反应，但在这个示例中，我们处理的是非常薄的材料层。因此，可以简单地认为，一旦晶片表面的温度超过 60°C，涂层立即消失。在相对于晶片的加热材料去除过程快速动态的假设下，这是一个有效的方法。
材料去除模型的实现
我们的建模从一个我们之前开发的暴露在移动热源下的旋转晶片模型开始。一个额外的边界方程将被添加到现有的模型中。因此，我们需要在一个随着硅晶片旋转而移动的坐标系中建立模型。
添加的方程将追踪晶片顶部边界的表面辐射率。由于我们只是想在温度高于指定值时改变表面辐射率，而在其他情况下保持不变，所以使用了上一个解算子。我们已经在之前的博客文章中介绍了上一个解算子的使用。现在我们将更具体地关注从晶片表面去除薄膜的建模问题。
边界常微分和微分代数方程接口的设置。注意形状函数的设置。
边界常微分和微分代数方程接口的域设置和初始值设置，该接口模拟晶片表面的发射率。
边界常微分和微分代数方程接口的设置如上所示。请注意，常数间断拉格朗日离散化被用来求解“发射率”场，即表面发射率。这种离散化相当于说，发射率在每个单元上将是一个常数，而该常数场在不同单元上可以是间断的。我们假设薄膜要么存在，要么不存在，所以表面发射率将有两种离散状态。场变量的初始值是表面辐射率的未损坏值。
热通量边界条件的设置使用计算的表面辐射率。
漫反射表面边界条件的设置使用计算的表面辐射率。
计算的表面辐射率在固体传热接口的两个地方使用，如上所示。施加的热通量边界条件和通过漫反射边界条件设置的环境温度辐射都参考了辐射率场。
由于表面发射率在每个单元上都是恒定的，所以使用 0.3 mm 的有限元网格大小来获得更平滑的损伤场的表示。另外，相对求解器的容差被设置为 1e-6。
下面的动画描述了仿真的结果。随着温度的上升，晶片表面的某些部分上升到烧蚀温度以上，表面发射率发生变化。一旦整个晶片表面被加热到所需温度以上，这个过程就完成了。
激光加热旋转晶片的温度场的动画(左)。深灰色表示损伤区(右)。
总结
我们已经证明了如何对材料状态的不可逆变化进行建模。在这个示例中，我们分析了从晶片表面去除一层热力学上可以忽略不计的材料的情况，并因此修改了结果的表面辐射率。这里介绍的上一个解算子的技术也可用于许多其他情况。你想到了什么？
如果你对文中的模相关模型感兴趣，请到我们的案例下载页面中下载。
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