借助具有多物理場(chǎng)功能的仿真工具，我們可以準(zhǔn)確地抓住產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作中的關(guān)鍵因素。在由國(guó)際科技媒體集團(tuán)AspenCore舉辦的2022國(guó)際集成電路展覽會(huì)暨研討會(huì)（IIC Shenzhen）的同期論壇“國(guó)際工業(yè)4.0技術(shù)與應(yīng)用論壇”上，COMSOL中國(guó)技術(shù)經(jīng)理張凱先生介紹了“半導(dǎo)體行業(yè)中的多物理場(chǎng)仿真”，并探討了仿真模型如何和數(shù)字孿生結(jié)合。OrTesmc

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半導(dǎo)體行業(yè)中的多物理場(chǎng)仿真

COMSOL是一家歐洲的企業(yè)，總部在瑞典，于1986年成立。1998年COMSOL發(fā)布了第一款產(chǎn)品COMSOL Multiphysics，這個(gè)軟件是一個(gè)仿真的平臺(tái)，它的特點(diǎn)是專注于多物理場(chǎng)仿真分析工具。2022年11月，COMSOL發(fā)布了COMSOL Multiphysics 6.1版本。在新版本中，不論是多物理場(chǎng)仿真分析還是創(chuàng)建App，軟件為用戶帶來(lái)了眾多新功能和性能提升。OrTesmc

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張凱在“國(guó)際工業(yè)4.0技術(shù)與應(yīng)用論壇”上介紹，在半導(dǎo)體行業(yè)，上下游都有很多問(wèn)題需要通過(guò)研發(fā)解決，這些問(wèn)題如果從底層開(kāi)始解決的話，會(huì)涉及很多的現(xiàn)象，甚至某些現(xiàn)象之間會(huì)相互作用。工程師需要考慮到這些相互作用，在仿真里面就叫多物理場(chǎng)。OrTesmc

半導(dǎo)體仿真涉及很多領(lǐng)域，如：制造過(guò)程里的結(jié)構(gòu)力學(xué)，CFD、傳熱、化學(xué)反應(yīng)，等離子體，光學(xué)，分子流，粒子追蹤等；芯片/板卡/封裝里的交流/直流電磁、傳熱、結(jié)構(gòu)力學(xué)等；以及晶體管里的載流子漂移-擴(kuò)散方程、薛定諤方程等。這些性能都可以通過(guò)仿真來(lái)分析。OrTesmc

舉個(gè)例子，一家日本公司，模擬用微波等離子體源去做鍍膜，通過(guò)仿真來(lái)分析里面的壓強(qiáng)、氣體配比、不同的功率產(chǎn)生里面反應(yīng)物的狀態(tài)。OrTesmc

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在封裝領(lǐng)域，半導(dǎo)體器件同樣涉及多物理場(chǎng)。如電氣特性（電流場(chǎng)、磁場(chǎng)、射頻、半導(dǎo)體），熱管理（溫度分布、對(duì)流散熱），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（熱應(yīng)力和變形、機(jī)械強(qiáng)度可靠性）等。OrTesmc

再舉個(gè)例子，IC芯片的一些工藝?yán)铮袝r(shí)候要做一些光刻等等的需求。這時(shí)清洗芯片的表面會(huì)產(chǎn)生一些張力，這些張力有可能造成塌陷，這個(gè)塌陷會(huì)受到這兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的間距的材料屬性的影響，通過(guò)仿真工程師就可以評(píng)估這里面臨界的寬度大小，則可以解決這個(gè)問(wèn)題。OrTesmc

仿真模型如何和數(shù)字孿生結(jié)合？

張凱解析道，前文所述的模型都是一些物理模型，它本質(zhì)上是一些器件或者工藝過(guò)程搭建一個(gè)虛擬的集合，制訂它的條件，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件去計(jì)算背后的原理，得到所需的設(shè)計(jì)參數(shù)。OrTesmc

在建模過(guò)程中，這些數(shù)據(jù)的來(lái)源往往都是有限的，比如說(shuō)像飛機(jī)，飛機(jī)在實(shí)際飛行過(guò)程中，它的姿態(tài)是隨著環(huán)境逐漸調(diào)整的，但是這個(gè)環(huán)境的變化我們事先是不知道的，這里面需要數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)的進(jìn)行處理、動(dòng)態(tài)交互，這就需要使用數(shù)字孿生的技術(shù)。OrTesmc

顧名思義是有一個(gè)真實(shí)的模型和一個(gè)虛擬的模型，這個(gè)虛擬模型里面有很多的因素，一個(gè)是有一些物理模型，還有各種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有可能是傳感器采集的，也有可能是歷史數(shù)據(jù)，也有可能是提前的仿真數(shù)據(jù)。這就可以結(jié)合實(shí)際過(guò)程或者設(shè)備實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)傳感器和物聯(lián)網(wǎng)，反饋給虛擬的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)通過(guò)一些運(yùn)算，像人工智能、數(shù)據(jù)處理、數(shù)智建模，以提供一些改進(jìn)或者調(diào)整的建議，發(fā)給實(shí)時(shí)的設(shè)備——這就是簡(jiǎn)單的數(shù)字孿生的結(jié)合。OrTesmc

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“我們的物理模型只是數(shù)字孿生里面的一環(huán)，這個(gè)過(guò)程中我們?cè)趪?guó)內(nèi)一些應(yīng)用，比如一些電動(dòng)汽車、電力行業(yè)已經(jīng)在用數(shù)字孿生的技術(shù)。”張凱說(shuō)道，“那么實(shí)際應(yīng)用中如何結(jié)合模型、仿真技術(shù)和數(shù)字孿生呢？以建筑為例，首先搭建一個(gè)模型，比如畫出一個(gè)混凝土的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)它的工作條件、材料等，在軟件里面可以把仿真材料搭建成APP，后面可以通過(guò)傳感器，采集這些環(huán)境的溫度、濕度等信息，這些信息就可以通過(guò)一些數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)反饋給我們的計(jì)算模型，它就可以計(jì)算我們?cè)谥暗臓顟B(tài)，之前的濕度下預(yù)測(cè)出來(lái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、固化，在當(dāng)前更新我們的環(huán)境數(shù)據(jù)之后，這個(gè)結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)的變化，這又是一個(gè)子模型的數(shù)字孿生的應(yīng)用。”OrTesmc

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