消费者对小型化电子产品和物联网（IoT）产品的需求日益成长，为微型元件（例如致动器、控制器、驱动器、感测器和发射器）的设计专家带来全新的挑战。从响应式装置和穿戴式监视器，到节能型办公室照明和工厂自动化，工程师利用可靠创新的产品在微型半导体元件与我们的宏观世界之间架起一座桥樑。这种需求变化激发工程师在数值模拟的虚拟世界中探索创新，发现新的解决方案。


意法半导体拥有7,500多名研发人员。意法半导体的技术研发工程师Lucia Zullino解释其工作方向。「在我们的研究领域，我们需要分析非常小的微观结构，并试图了解在各种环境和应用领域中，这些微型结构与不同配置的大型封装的交互作用。选择材料和设计对半导体制造至关重要，数值模拟在材料选择和性能参数评估中发挥关键作用。我们的大部分工作都是在COMSOL Multiphysics模拟软体上完成的，用它来验证假设条件并优化产品。意法半导体拥有约30名工程师在使用这个软体，虽然属于不同的部门，且工作在不同的地区，但是我们坚持将过去几个专案中使用过的数学建模技术知识积累起来并相互分享。」


使用Multiphysics模拟软体研发产品

模拟技术用于理解多个物理在每个产品开发阶段的相互作用，例如，优化外延反应器，以缩短晶圆生产週期；在湿蚀刻过程中控制反应物流动变形；探究裸片与封装的微观交互作用。除研制晶片外，意法半导体的工程师还致力于微型致动器的设计研制，例如，光学识別技术和摄像机所用的微镜。另一个与致动器相关的专案是，使用模拟方法研究喷墨打印头的性能，并比较两个不同的喷墨原理的效果：透过气泡产生的压力喷墨或使用由PZT（由锆钛酸铅制成的陶瓷材料）驱动的薄膜喷墨。


透过模拟分析方法，研究人员能够确定，薄膜压电打印头更好地相容多种墨水，列印速度更快，列印输出品质更高，打印头寿命更长。


监测混凝土健康状况

多年来，政府和企业一直在应用各种感测器技术来监测混凝土的性能。在一个开发专案中，我们採用模拟方法分析混凝土的性质，并预测嵌入式感测器（图1）监测随年龄变化的参数并将信号传递到表面的能力。义大利已经开始在各种建筑物结构中应用这种结构健康监测（SHM）系统，评估混凝土的健康状况，并记录任何可能影响结构完整性和系统可靠性的意外应力。


图1 : 嵌入式结构健康监测感测器的外形结构，蓝色部分是感测器。
图1 : 嵌入式结构健康监测感测器的外形结构，蓝色部分是感测器。

穿戴式医疗监测设备

在过去的几年里，意法半导体开发出许多医疗用解决方案。其中一个原型专案採用贴片测量人体内器官（例如心脏）的生物阻抗（图2）。


图2 : 人体器官生物阻抗测量方法
图2 : 人体器官生物阻抗测量方法

研究人员利用人体器官的医学影像资料创建了一个3D模型（图3），在频域中执行一个AC/DC模拟程式（图4），并评估电极形状和位置对生理参数测量的影响。模拟结果（图5）与实际测量值的相关性很高，并且能够开发出能够指示生理变化的可穿戴可配置贴片。这些感测器将使医生能够监测心脏的各种状况，获得即时资料，以便使用最新技术为患者提供最佳护理。



图3 : 使用CAD工具（中间）对电脑断层扫描（CT）影像（左）进行后处理，然后插值生成分析所需的体积（右）后构建的3D模型
图3 : 使用CAD工具（中间）对电脑断层扫描（CT）影像（左）进行后处理，然后插值生成分析所需的体积（右）后构建的3D模型

图4 : 人体躯幹中的电压电流分佈的模拟结果
图4 : 人体躯幹中的电压电流分佈的模拟结果

图5 : 不同电极形状和位置的生物阻抗测量值和模拟值的比较。
图5 : 不同电极形状和位置的生物阻抗测量值和模拟值的比较。

我们可以更快速地评估材料和结构，并筛选最好的材料和结构，这意味着试验时间更少，技术决策更有效，商业决策更快。


模拟技术可解决日益复杂的设计问题

Zullino 表示，「透过模拟，我们已经发现了很多潜在问题，并能为外部世界优化半导体设计。现在，透过模拟可以加快内外部客户的产品设计。封装内部湿度和腐蚀可能性研究正在进行中。我们可以更快地评估材料和结构，并筛选最好的材料和结构，这意味着试验时间更少，技术决策更有效，商业决策更快。相较于物理测试，我们可以实现新的解决方案并零成本验证。模拟是推动创新的关键工具之一。」


（本文作者Jennifer HAND、Lucia ZULLINO任职于意法半导体）