Multiphysics Simulation模擬軟件 助力可靠結構和可穿戴系統

       消費者對小型化電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)產(chǎn)品的需求日益增長(cháng)，為微型元器件（例如，致動(dòng)器、控制器、驅動(dòng)器、傳感器和發(fā)射器）的設計專(zhuān)家帶來(lái)新的挑戰。從響應式設備和可穿戴式監視器，到節能型辦公室照明和工廠(chǎng)自動(dòng)化，工程師用可靠創(chuàng )新的產(chǎn)品在微型半導體元器件與我們的宏觀(guān)世界之間架起一座橋梁。這種需求變化激發(fā)工程師在數值模擬的虛擬世界中探索創(chuàng )新，發(fā)現新的解決方案。

       作為全球領(lǐng)先的半導體設計和制造企業(yè)，意法半導體擁有7,500多名研發(fā)人員。意法半導體的技術(shù)研發(fā)工程師Lucia Zullino解釋了他們的工作方向?！霸谖覀兊难芯款I(lǐng)域，我們需要分析非常小的微觀(guān)結構，并弄明白在各種環(huán)境和應用領(lǐng)域中，這些微型結構與不同配置的大型封裝的交互作用?！边x擇材料和設計對半導體制造至關(guān)重要，數值模擬在材料選擇和性能參數評估中發(fā)揮重要作用?！拔覀兊拇蟛糠止ぷ鞫际窃贑OMSOL Multiphysics模擬軟件上完成的，用它來(lái)驗證假設條件并優(yōu)化產(chǎn)品，”Zullino解釋道。 “意法半導體有大約30名工程師在用這個(gè)軟件，雖然我們屬于不同的部門(mén)，工作在不同的地區，但是我們堅持將過(guò)去幾個(gè)項目中使用過(guò)的數學(xué)建模技術(shù)知識積累起來(lái)并相互分享?！?/p>

       使用Multiphysics模擬軟件研發(fā)產(chǎn)品

       模擬技術(shù)用于理解多個(gè)物理場(chǎng)在每個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段的相互作用，例如，優(yōu)化外延反應器，以縮短晶圓生產(chǎn)周期；在濕蝕刻過(guò)程中控制反應物流動(dòng)變形；探究裸片與封裝的微觀(guān)交互作用。除研制芯片外，意法半導體的工程師還致力于微型致動(dòng)器的設計研制，例如，光學(xué)識別技術(shù)和攝像機所用的微鏡。另一個(gè)與致動(dòng)器相關(guān)的項目是，使用模擬方法研究噴墨打印頭的性能，并比較兩個(gè)不同的噴墨原理的效果：通過(guò)氣泡產(chǎn)生的壓力噴墨或使用由PZT（由鋯鈦酸鉛制成的陶瓷材料）驅動(dòng)的薄膜噴墨。

通過(guò)模擬分析方法，研究人員能夠確定，薄膜壓電打印頭更好地兼容多種墨水，打印速度更快，打印輸出質(zhì)量更高，打印頭壽命更長(cháng)。

       監測混凝土健康狀況

       多年來(lái)，政府和企業(yè)一直在應用各種傳感器技術(shù)來(lái)監測混凝土的性能。在一個(gè)開(kāi)發(fā)項目中，我們采用模擬方法分析混凝土的性質(zhì)，并預測嵌入式傳感器（圖1）監測隨年齡變化的參數并將信號傳遞到表面的能力。意大利已經(jīng)開(kāi)始在各種建筑物結構中應用這種結構健康監測（SHM）系統，評估混凝土的健康狀況，并記錄任何可能影響結構完整性和系統可靠性的意外應力。

圖1.嵌入式結構健康監測傳感器的外形結構，藍色部分是傳感器。

       穿戴醫療監測設備

       在過(guò)去的幾年里，意法半導體開(kāi)發(fā)出許多醫療用解決方案。其中一個(gè)原型項目采用貼片測量人體內器官（例如心臟）的生物阻抗（圖2）。研究人員利用人體器官的醫學(xué)影像數據創(chuàng )建了一個(gè)3D模型（圖3），在頻域中運行一個(gè)AC/DC模擬程序（圖4），并評估電極形狀和位置對生理參數測量的影響。模擬結果（圖5）與實(shí)際測量值的相關(guān)性很高，并且能夠開(kāi)發(fā)出能夠指示生理變化的可穿戴可配置貼片。這些傳感器將使醫生能夠監測心臟的各種狀況，獲得實(shí)時(shí)數據，以便使用最新技術(shù)為患者提供最佳護理。

圖2：人體器官生物阻抗測量方法

       圖3.使用CAD工具（中間）對計算機斷層掃描（CT）影像（左）進(jìn)行后處理，然后插值生成分析所需的體積（右）后構建的3D模型

圖4.人體軀干中的電壓電流分布的模擬結果

圖5.不同電極形狀和位置的生物阻抗測量值和模擬值的比較。

       我們可以更快地評估材料和結構，并篩選最好的材料和結構，這意味著(zhù)試驗時(shí)間更少，技術(shù)決策更有效，商業(yè)決策更快。

模擬技術(shù)可解決日益復雜的設計問(wèn)題

        “通過(guò)模擬，我們已經(jīng)發(fā)現了很多潛在問(wèn)題，并能更好地為外部世界優(yōu)化半導體設計?，F在，模擬可以加快內外部客戶(hù)的產(chǎn)品設計，“Zullino評論道。 她和她的同事們認為，在開(kāi)發(fā)的方方面面都有使用Multiphysics模擬的機會(huì )。她透露，封裝內部濕度和腐蝕可能性研究正在進(jìn)行中。 “我們可以更快地評估材料和結構，并篩選最好的材料和結構，這意味著(zhù)試驗時(shí)間更少，技術(shù)決策更有效，商業(yè)決策更快，”Zullino總結道?！芭c物理測試相比，我們可以實(shí)現新的解決方案并零成本驗證。模擬是推動(dòng)創(chuàng )新的關(guān)鍵工具之一?！?/p>