Multiphysics Simulation模擬軟件助力可靠結構和可穿戴系統
前言：
意法半導體工程師使用數值模擬方法優化各種半導體應用解決方案
Jennifer HAND (Lucia ZULLINO)
消費者對小型化電子產品和物聯網(IoT)產品的需求日益增長，為微型元器件（例如，致動器、控制器、驅動器、傳感器和發射器）的設計專家帶來新的挑戰。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自動化，工程師用可靠創新的產品在微型半導體元器件與我們的宏觀世界之間架起一座橋梁。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。
作為全球領先的半導體設計和制造企業，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解釋了他們的工作方向。“在我們的研究領域，我們需要分析非常小的微觀結構，并弄明白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制造至關重要，數值模擬在材料選擇和性能參數評估中發揮重要作用。“我們的大部分工作都是在COMSOL Multiphysics模擬軟件上完成的，用它來驗證假設條件并優化產品，”Zullino解釋道。 “意法半導體有大約30名工程師在用這個軟件，雖然我們屬于不同的部門，工作在不同的地區，但是我們堅持將過去幾個項目中使用過的數學建模技術知識積累起來并相互分享。”
使用Multiphysics模擬軟件研發產品
模擬技術用于理解多個物理場在每個產品開發階段的相互作用，例如，優化外延反應器，以縮短晶圓生產周期；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。除研制芯片外，意法半導體的工程師還致力于微型致動器的設計研制，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項目是，使用模擬方法研究噴墨打印頭的性能，并比較兩個不同的噴墨原理的效果：通過氣泡產生的壓力噴墨或使用由PZT（由鋯鈦酸鉛制成的陶瓷材料）驅動的薄膜噴墨。
通過模擬分析方法，研究人員能夠確定，薄膜壓電打印頭更好地兼容多種墨水，打印速度更快，打印輸出質量更高，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傳感器技術來監測混凝土的性能。在一個開發項目中，我們采用模擬方法分析混凝土的性質，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。意大利已經開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
在過去的幾年里，意法半導體開發出許多醫療用解決方案。其中一個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影像數據創建了一個3D模型（圖3），在頻域中運行一個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）與實際測量值的相關性很高，并且能夠開發出能夠指示生理變化的可穿戴可配置貼片。這些傳感器將使醫生能夠監測心臟的各種狀況，獲得實時數據，以便使用最新技術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復雜的設計問題
“通過模擬，我們已經發現了很多潛在問題，并能更好地為外部世界優化半導體設計。現在，模擬可以加快內外部客戶的產品設計，“Zullino評論道。 她和她的同事們認為，在開發的方方面面都有使用Multiphysics模擬的機會。她透露，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，并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，”Zullino總結道。“與物理測試相比，我們可以實現新的解決方案并零成本驗證。模擬是推動創新的關鍵工具之一。”
