消費(fèi)者對(duì)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(zhǎng)，為微型元器件(例如，致動(dòng)器、控制器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器和發(fā)射器)的設(shè)計(jì)專(zhuān)家?guī)?lái)新的挑戰(zhàn)。從響應(yīng)式設(shè)備和可穿戴式監(jiān)視器，到節(jié)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(dǎo)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(fā)工程師在數(shù)值模擬的虛擬世界中探索創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)新的解決方案。

作為全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造企業(yè)，意法半導(dǎo)體擁有7,500多名研發(fā)人員。意法半導(dǎo)體的技術(shù)研發(fā)工程師Lucia Zullino解釋了他們的工作方向。“在我們的研究領(lǐng)域，我們需要分析非常小的微觀結(jié)構(gòu)，并弄明白在各種環(huán)境和應(yīng)用領(lǐng)域中，這些微型結(jié)構(gòu)與不同配置的大型封裝的交互作用。”選擇材料和設(shè)計(jì)對(duì)半導(dǎo)體制造至關(guān)重要，數(shù)值模擬在材料選擇和性能參數(shù)評(píng)估中發(fā)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(lái)驗(yàn)證假設(shè)條件并優(yōu)化產(chǎn)品，”Zullino解釋道。 “意法半導(dǎo)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(qū)，但是我們堅(jiān)持將過(guò)去幾個(gè)項(xiàng)目中使用過(guò)的數(shù)學(xué)建模技術(shù)知識(shí)積累起來(lái)并相互分享。”

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(yīng)器，以縮短晶圓生產(chǎn)周期;在濕蝕刻過(guò)程中控制反應(yīng)物流動(dòng)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(dǎo)體的工程師還致力于微型致動(dòng)器的設(shè)計(jì)研制，例如，光學(xué)識(shí)別技術(shù)和攝像機(jī)所用的微鏡。另一個(gè)與致動(dòng)器相關(guān)的項(xiàng)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(qū)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(zhǎng)。

監(jiān)測(cè)混凝土健康狀況

多年來(lái)，政府和企業(yè)一直在應(yīng)用各種傳感器技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)混凝土的性能。在一個(gè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，我們采用模擬方法分析混凝土的性質(zhì)，并預(yù)測(cè)嵌入式傳感器(圖1)監(jiān)測(cè)隨年齡變化的參數(shù)并將信號(hào)傳遞到表面的能力。意大利已經(jīng)開(kāi)始在各種建筑物結(jié)構(gòu)中應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(SHM)系統(tǒng)，評(píng)估混凝土的健康狀況，并記錄任何可能影響結(jié)構(gòu)完整性和系統(tǒng)可靠性的意外應(yīng)力。

圖1.嵌入式結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器的外形結(jié)構(gòu)，藍(lán)色部分是傳感器。

穿戴醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備

在過(guò)去的幾年里，意法半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)出許多醫(yī)療用解決方案。其中一個(gè)原型項(xiàng)目采用貼片測(cè)量人體內(nèi)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(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)創(chuàng)建了一個(gè)3D模型(圖3)，在頻域中運(yùn)行一個(gè)AC/DC模擬程序(圖4)，并評(píng)估電極形狀和位置對(duì)生理參數(shù)測(cè)量的影響。模擬結(jié)果(圖5)與實(shí)際測(cè)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(yī)生能夠監(jiān)測(cè)心臟的各種狀況，獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以便使用最新技術(shù)為患者提供最佳護(hù)理。

圖2：人體器官生物阻抗測(cè)量方法

圖3.使用CAD工具(中間)對(duì)計(jì)算機(jī)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(gòu)建的3D模型

圖4.人體軀干中的電壓電流分布的模擬結(jié)果

圖5.不同電極形狀和位置的生物阻抗測(cè)量值和模擬值的比較。

我們可以更快地評(píng)估材料和結(jié)構(gòu)，并篩選最好的材料和結(jié)構(gòu)，這意味著試驗(yàn)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(fù)雜的設(shè)計(jì)問(wèn)題

“通過(guò)模擬，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多潛在問(wèn)題，并能更好地為外部世界優(yōu)化半導(dǎo)體設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，模擬可以加快內(nèi)外部客戶(hù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，“Zullino評(píng)論道。 她和她的同事們認(rèn)為，在開(kāi)發(fā)的方方面面都有使用Multiphysics模擬的機(jī)會(huì)。她透露，封裝內(nèi)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(píng)估材料和結(jié)構(gòu)，并篩選最好的材料和結(jié)構(gòu)，這意味著試驗(yàn)時(shí)間更少，技術(shù)決策更有效，商業(yè)決策更快，”Zullino總結(jié)道。“與物理測(cè)試相比，我們可以實(shí)現(xiàn)新的解決方案并零成本驗(yàn)證。模擬是推動(dòng)創(chuàng)新的關(guān)鍵工具之一。”