北(běi)京超算(suàn)—電子行業數值模拟解決方案

一、電子行業現狀和(hé)超算(suàn)數值模拟新思路

随著(zhe)我國各類基礎設施和(hé)電子産品開發正處于空前發展的(de)時(shí)期，在光(guāng)伏産業、LED新産品開發、電子元器件設計等工程領域中不斷湧現出新的(de)挑戰課題。在大(dà)量電子工程預測分(fēn)析中，固體力學、電磁學、傳熱(rè)學、材料擴散、及傳熱(rè)與變形耦合等方面的(de)數值模拟正發揮著(zhe)越來(lái)越重要的(de)作用(yòng)。

爲協助電子工程開發與研究人(rén)員(yuán)采用(yòng)數值模拟方法進行新産品的(de)開發和(hé)電子電路功能性研究，北(běi)京超算(suàn)開發了(le)SciFEA軟件，該軟件提供的(de)固體變形、材料擴散、電磁計算(suàn)和(hé)傳熱(rè)、熱(rè)固耦合等方面的(de)功能可(kě)以爲電子産品的(de)開發與研究提供計算(suàn)模拟支持,歡迎您登錄我們的(de)網站進行下(xià)載試用(yòng)。

電子産品設計往往需要考慮到多(duō)種物(wù)理(lǐ)過程的(de)複雜(zá)耦合，北(běi)京超算(suàn)可(kě)以在光(guāng)輸運、量子井效應、熱(rè)激發、電流、磁效應、固變形與應力等物(wù)理(lǐ)過程的(de)耦合方面爲用(yòng)戶提供定制開發，熱(rè)忱歡迎您就感興趣的(de)問題和(hé)我們進一步交流。

二、超算(suàn)軟件解決方案

SciFEA軟件提供的(de)固體計算(suàn)模塊、流體計算(suàn)模塊、熱(rè)固耦合模塊、材料擴散模塊、傳熱(rè)計算(suàn)模塊、熱(rè)固耦合模塊等，可(kě)以直接滿足電子行業電子元器件的(de)表面封裝、激光(guāng)焊接、熱(rè)激發、半導體二極管分(fēn)析等方面的(de)計算(suàn)需求。

半導體和(hé)集成電路制造是一個(gè)流程高(gāo)度複雜(zá)，資金高(gāo)度密集的(de)加工過程。如今，半導體（芯片或集成電路）越來(lái)越重要，越來(lái)越普遍，然而集成電路的(de)制造成本變得(de)越來(lái)越高(gāo)和(hé)工藝越來(lái)越複雜(zá)。合理(lǐ)的(de)對(duì)半導體器件與工藝進行仿真，對(duì)生産效率的(de)提高(gāo)有著(zhe)直接的(de)影(yǐng)響。下(xià)圖描述了(le)在半導體和(hé)集成電路制造中經常遇到的(de)物(wù)理(lǐ)場(chǎng)問題。

電子工程設計加工中的(de)多(duō)場(chǎng)耦合

SciFEA軟件可(kě)以采用(yòng)如下(xià)幾種方式幫助用(yòng)戶在電子設計加工中采用(yòng)數值模拟技術進行工程仿真和(hé)性能分(fēn)析：
1、直接采用(yòng)SciFEA軟件具有的(de)電、磁、力、光(guāng)、熱(rè)、流動、擴散等方面的(de)計算(suàn)模塊進行計算(suàn)模拟分(fēn)析；
2、結合用(yòng)戶的(de)設計需求，按照(zhào)用(yòng)戶定義的(de)分(fēn)析設計流程集成需要的(de)計算(suàn)模塊，形成以設計爲導向的(de)輔助分(fēn)析軟件工具。
3、提供考慮半導體制備中各種物(wù)理(lǐ)場(chǎng)耦合分(fēn)析功能模塊的(de)定制和(hé)計算(suàn)分(fēn)析；
4、電子器件物(wù)理(lǐ)性能大(dà)規模并行計算(suàn)分(fēn)析軟件開發和(hé)計算(suàn)服務。

三、SciFEA軟件—電子工程數值模拟相關案例

1.電子元器件材料加工

電子元器件材料的(de)均勻化(huà)處理(lǐ)、金屬的(de)拼接、器件塗層加工與制備、材料刻蝕等電子材料的(de)加工與制備過程，需要對(duì)材料的(de)各項加工過程進行計算(suàn)模拟，分(fēn)析獲得(de)優化(huà)的(de)産品性能的(de)時(shí)間和(hé)組分(fēn)含量控制。

SciFEA可(kě)以模拟材料擴散、反應、加工過程的(de)各成分(fēn)和(hé)性能的(de)變化(huà)，通(tōng)過建立計算(suàn)模型進行計算(suàn)分(fēn)析提升對(duì)IC設計方案性能的(de)認識。

鋅—銅互擴散圖Kirkendall效應


材料擴散過程模拟

2.半導體二極管計算(suàn)模拟分(fēn)析

考慮半導體器件的(de)典型二極管結構，考慮電勢，電子的(de)費米勢、空穴的(de)費米勢，考慮電子和(hé)空穴的(de)複合率，計算(suàn)模拟PN結附近電壓的(de)劇烈變化(huà)以及反偏壓變化(huà)。模拟分(fēn)析得(de)到電子勢和(hé)空穴勢在結區(qū)附近都有陡峭的(de)變化(huà)。在n型區(qū)空穴勢先下(xià)降，在n型區(qū)中靠近結區(qū)的(de)地方空穴的(de)數目比n型區(qū)中遠(yuǎn)離結區(qū)的(de)地方的(de)空穴更少，因此發生了(le)電子的(de)反向抽取。

加正偏壓的(de)p-i-n結構的(de)二極管

3. 薛定谔方程與泊松方程的(de)耦合求解

爲考慮半導體器件工作時(shí)的(de)量子效應，需要耦合求解薛定谔方程與泊松方程.對(duì)于一典型的(de)耦合雙量子井結構，通(tōng)過計算(suàn)模拟分(fēn)析得(de)到該量子井結構中各個(gè)能級的(de)位置以及能帶結構。

能帶圖、能級位置與相應的(de)波函數

4.固體變形分(fēn)析

SciFEA可(kě)以對(duì)半導體與集成電路的(de)固體元器件的(de)變形應力進行計算(suàn)分(fēn)析。包括電子器件的(de)加工過程、安裝配置過程、熱(rè)過程、時(shí)間松弛過程、延性變形過程進行計算(suàn)模拟分(fēn)析。下(xià)圖爲采用(yòng)SciFEA對(duì)結構熱(rè)變形和(hé)應力進行模拟分(fēn)析。

器件加工制備過程熱(rè)應力分(fēn)析

電位分(fēn)布雲圖

溫度分(fēn)布雲圖

熱(rè)固電耦合位移雲圖

熱(rè)固電耦合的(de)應力分(fēn)布圖

穩恒電流場(chǎng)電位雲圖

直流電機渦流制動器磁場(chǎng)分(fēn)布圖

四．攜手計算(suàn)

電子行業計算(suàn)在逐漸向多(duō)場(chǎng)多(duō)相發展，對(duì)電子科學的(de)認識正不斷被計算(suàn)技術吸收融合形成理(lǐ)論、實驗、數值模拟的(de)綜合體系，這(zhè)三個(gè)方面的(de)交叉滲透和(hé)促進，給電子産品創新提出了(le)許多(duō)挑戰性課題。超算(suàn)科技将攜手廣大(dà)科技工作者和(hé)工程師結合理(lǐ)論、實驗和(hé)數值模拟共同拓展電子行業的(de)發展。利用(yòng)超算(suàn)科技計算(suàn)模拟技術積累，我們希望在以下(xià)具體的(de)開發方向上和(hé)您攜手進行計算(suàn)模拟分(fēn)析與研究。
電子元器件表面封裝的(de)數值模拟；
電子設備運行中電磁場(chǎng)的(de)計算(suàn)模拟與研究；
電子設備制備過程多(duō)相多(duō)場(chǎng)、溫度、流動、組織生長(cháng)等模拟分(fēn)析；
基于GPU各物(wù)理(lǐ)過程的(de)高(gāo)性能計算(suàn)。