COMSOL中国：多物理场仿真在半导体行业中的应用

现实世界在本质上是一个多物理场的世界。我们每个人用的手机就是这样一个例子。手机中的天线用来接收电磁波；触摸屏或按键是用来与使用者进行交互的机械和电子元件；电池会发生化学反应，并包含离子运动和电子流动等等。这样一个小小的设备，包含着多种物理现象的相互作用。
借助具有多物理场功能的仿真工具，我们可以准确地抓住产品设计工作中的关键因素。在由国际科技媒体集团AspenCore举办的2022国际集成电路展览会暨研讨会（IIC Shenzhen）的同期论坛“国际工业4.0技术与应用论坛”上，COMSOL中国技术经理张凯先生介绍了“半导体行业中的多物理场仿真”，并探讨了仿真模型如何和数字孪生结合。

半导体行业中的多物理场仿真

COMSOL是一家欧洲的企业，总部在瑞典，于1986年成立。1998年COMSOL发布了第一款产品COMSOL Multiphysics，这个软件是一个仿真的平台，它的特点是专注于多物理场仿真分析工具。2022年11月，COMSOL发布了COMSOL Multiphysics 6.1版本。在新版本中，不论是多物理场仿真分析还是创建App，软件为用户带来了众多新功能和性能提升。

张凯在“国际工业4.0技术与应用论坛”上介绍，在半导体行业，上下游都有很多问题需要通过研发解决，这些问题如果从底层开始解决的话，会涉及很多的现象，甚至某些现象之间会相互作用。工程师需要考虑到这些相互作用，在仿真里面就叫多物理场。
半导体仿真涉及很多领域，如：制造过程里的结构力学，CFD、传热、化学反应，等离子体，光学，分子流，粒子追踪等；芯片/板卡/封装里的交流/直流电磁、传热、结构力学等；以及晶体管里的载流子漂移-扩散方程、薛定谔方程等。这些性能都可以通过仿真来分析。
举个例子，一家日本公司，模拟用微波等离子体源去做镀膜，通过仿真来分析里面的压强、气体配比、不同的功率产生里面反应物的状态。

在封装领域，半导体器件同样涉及多物理场。如电气特性（电流场、磁场、射频、半导体），热管理（温度分布、对流散热），结构设计（热应力和变形、机械强度可靠性）等。
再举个例子，IC芯片的一些工艺里，有时候要做一些光刻等等的需求。这时清洗芯片的表面会产生一些张力，这些张力有可能造成塌陷，这个塌陷会受到这两个结构之间的间距的材料属性的影响，通过仿真工程师就可以评估这里面临界的宽度大小，则可以解决这个问题。

仿真模型如何和数字孪生结合？

张凯解析道，前文所述的模型都是一些物理模型，它本质上是一些器件或者工艺过程搭建一个虚拟的集合，制订它的条件，通过计算机软件去计算背后的原理，得到所需的设计参数。
在建模过程中，这些数据的来源往往都是有限的，比如说像飞机，飞机在实际飞行过程中，它的姿态是随着环境逐渐调整的，但是这个环境的变化我们事先是不知道的，这里面需要数据动态的进行处理、动态交互，这就需要使用数字孪生的技术。
顾名思义是有一个真实的模型和一个虚拟的模型，这个虚拟模型里面有很多的因素，一个是有一些物理模型，还有各种数据，这些数据有可能是传感器采集的，也有可能是历史数据，也有可能是提前的仿真数据。这就可以结合实际过程或者设备实时的运行状态，通过传感器和物联网，反馈给虚拟的系统，这个系统通过一些运算，像人工智能、数据处理、数智建模，以提供一些改进或者调整的建议，发给实时的设备——这就是简单的数字孪生的结合。

“我们的物理模型只是数字孪生里面的一环，这个过程中我们在国内一些应用，比如一些电动汽车、电力行业已经在用数字孪生的技术。”张凯说道，“那么实际应用中如何结合模型、仿真技术和数字孪生呢？以建筑为例，首先搭建一个模型，比如画出一个混凝土的结构，设计它的工作条件、材料等，在软件里面可以把仿真材料搭建成APP，后面可以通过传感器，采集这些环境的温度、湿度等信息，这些信息就可以通过一些数据交换，实时反馈给我们的计算模型，它就可以计算我们在之前的状态，之前的湿度下预测出来的结构强度、固化，在当前更新我们的环境数据之后，这个结构的相关数据的变化，这又是一个子模型的数字孪生的应用。”