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，為微型元器件(例如，致動器、控制器、驅(qū)動器、傳感器和發(fā)射器)的設(shè)計專家?guī)硇碌奶魬?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自動化，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)先的半導體設(shè)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。“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)計對半導體制造至關(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，用它來驗證假設(shè)條件并優(yōu)化產(chǎn)品，”Zullino解釋道。 “意法半導體有大約30名工程師在用這個軟件，雖然我們屬于不同的部門，工作在不同的地區(qū)，但是我們堅持將過去幾個項目中使用過的數(shù)學建模技術(shù)知識積累起來并相互分享。”

使用Multiphysics模擬軟件研發(fā)產(chǎn)品

模擬技術(shù)用于理解多個物理場在每個產(chǎn)品開發(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;在濕蝕刻過程中控制反應(yīng)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(shè)計研制，例如，光學識別技術(shù)和攝像機所用的微鏡。另一個與致動器相關(guān)的項目是，使用模擬方法研究噴墨打印頭的性能，并比較兩個不同的噴墨原理的效果：通過氣泡產(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(zhì)量更高，打印頭壽命更長。

監(jiān)測混凝土健康狀況

多年來，政府和企業(yè)一直在應(yīng)用各種傳感器技術(shù)來監(jiān)測混凝土的性能。在一個開發(fā)項目中，我們采用模擬方法分析混凝土的性質(zhì)，并預(yù)測嵌入式傳感器(圖1)監(jiān)測隨年齡變化的參數(shù)并將信號傳遞到表面的能力。意大利已經(jīng)開始在各種建筑物結(jié)構(gòu)中應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)系統(tǒng)，評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)測傳感器的外形結(jié)構(gòu)，藍色部分是傳感器。

穿戴醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備

在過去的幾年里，意法半導體開發(fā)出許多醫(yī)療用解決方案。其中一個原型項目采用貼片測量人體內(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)學影像數(shù)據(jù)創(chuàng)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(shù)測量的影響。模擬結(jié)果(圖5)與實際測量值的相關(guān)性很高，并且能夠開發(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)測心臟的各種狀況，獲得實時數(shù)據(jù)，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量值和模擬值的比較。

我們可以更快地評估材料和結(jié)構(gòu)，并篩選最好的材料和結(jié)構(gòu)，這意味著試驗時間更少，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(shè)計問題

“通過模擬，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多潛在問題，并能更好地為外部世界優(yōu)化半導體設(shè)計。現(xiàn)在，模擬可以加快內(nèi)外部客戶的產(chǎn)品設(shè)計，“Zullino評論道。 她和她的同事們認為，在開發(fā)的方方面面都有使用Multiphysics模擬的機會。她透露，封裝內(nèi)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(jié)構(gòu)，并篩選最好的材料和結(jié)構(gòu)，這意味著試驗時間更少，技術(shù)決策更有效，商業(yè)決策更快，”Zullino總結(jié)道。“與物理測試相比，我們可以實現(xiàn)新的解決方案并零成本驗證。模擬是推動創(chuàng)新的關(guān)鍵工具之一。”