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Multiphysics Simulation模擬軟體強化可靠的結構和穿戴式系統
以數值模擬方式優化半導體應用解決方案

【作者: 意法半導體】   2021年03月19日 星期五

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消費者對小型化電子產品和物聯網(IoT)產品的需求日益成長,為微型元件(例如致動器、控制器、驅動器、感測器和發射器)的設計專家帶來全新的挑戰。從響應式裝置和穿戴式監視器,到節能型辦公室照明和工廠自動化,工程師利用可靠創新的產品在微型半導體元件與我們的宏觀世界之間架起一座橋樑。這種需求變化激發工程師在數值模擬的虛擬世界中探索創新,發現新的解決方案。


意法半導體擁有7,500多名研發人員。意法半導體的技術研發工程師Lucia Zullino解釋其工作方向。「在我們的研究領域,我們需要分析非常小的微觀結構,並試圖了解在各種環境和應用領域中,這些微型結構與不同配置的大型封裝的交互作用。選擇材料和設計對半導體製造至關重要,數值模擬在材料選擇和性能參數評估中發揮關鍵作用。我們的大部分工作都是在COMSOL Multiphysics模擬軟體上完成的,用它來驗證假設條件並優化產品。意法半導體擁有約30名工程師在使用這個軟體,雖然屬於不同的部門,且工作在不同的地區,但是我們堅持將過去幾個專案中使用過的數學建模技術知識積累起來並相互分享。」


使用Multiphysics模擬軟體研發產品

模擬技術用於理解多個物理在每個產品開發階段的相互作用,例如,優化外延反應器,以縮短晶圓生產週期;在濕蝕刻過程中控制反應物流動變形;探究裸片與封裝的微觀交互作用。除研製晶片外,意法半導體的工程師還致力於微型致動器的設計研製,例如,光學識別技術和攝像機所用的微鏡。另一個與致動器相關的專案是,使用模擬方法研究噴墨打印頭的性能,並比較兩個不同的噴墨原理的效果:透過氣泡產生的壓力噴墨或使用由PZT(由鋯鈦酸鉛製成的陶瓷材料)驅動的薄膜噴墨。


透過模擬分析方法,研究人員能夠確定,薄膜壓電打印頭更好地相容多種墨水,列印速度更快,列印輸出品質更高,打印頭壽命更長。


監測混凝土健康狀況

多年來,政府和企業一直在應用各種感測器技術來監測混凝土的性能。在一個開發專案中,我們採用模擬方法分析混凝土的性質,並預測嵌入式感測器(圖1)監測隨年齡變化的參數並將信號傳遞到表面的能力。義大利已經開始在各種建築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,並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感測器的外形結構,藍色部分是感測器。
圖1 : 嵌入式結構健康監測感測器的外形結構,藍色部分是感測器。

穿戴式醫療監測設備

在過去的幾年裡,意法半導體開發出許多醫療用解決方案。其中一個原型專案採用貼片測量人體內器官(例如心臟)的生物阻抗(圖2)。


圖2 : 人體器官生物阻抗測量方法
圖2 : 人體器官生物阻抗測量方法

研究人員利用人體器官的醫學影像資料創建了一個3D模型(圖3),在頻域中執行一個AC/DC模擬程式(圖4),並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)與實際測量值的相關性很高,並且能夠開發出能夠指示生理變化的可穿戴可配置貼片。這些感測器將使醫生能夠監測心臟的各種狀況,獲得即時資料,以便使用最新技術為患者提供最佳護理。



圖3 : 使用CAD工具(中間)對電腦斷層掃描(CT)影像(左)進行後處理,然後插值生成分析所需的體積(右)後構建的3D模型
圖3 : 使用CAD工具(中間)對電腦斷層掃描(CT)影像(左)進行後處理,然後插值生成分析所需的體積(右)後構建的3D模型

圖4 : 人體軀幹中的電壓電流分佈的模擬結果
圖4 : 人體軀幹中的電壓電流分佈的模擬結果

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。
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。

我們可以更快速地評估材料和結構,並篩選最好的材料和結構,這意味著試驗時間更少,技術決策更有效,商業決策更快。


模擬技術可解決日益複雜的設計問題

Zullino 表示,「透過模擬,我們已經發現了很多潛在問題,並能為外部世界優化半導體設計。現在,透過模擬可以加快內外部客戶的產品設計。封裝內部濕度和腐蝕可能性研究正在進行中。我們可以更快地評估材料和結構,並篩選最好的材料和結構,這意味著試驗時間更少,技術決策更有效,商業決策更快。相較於物理測試,我們可以實現新的解決方案並零成本驗證。模擬是推動創新的關鍵工具之一。」


(本文作者Jennifer HAND、Lucia ZULLINO任職於意法半導體)


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