北京超算—电子行业数值模拟解决方案

一、电子行业现状和超算数值模拟新思路

随着我国各类基础设施和电子产品开发正处于空前发展的时期，在光伏产业、LED新产品开发、电子元器件设计等工程领域中不断涌现出新的挑战课题。在大量电子工程预测分析中，固体力学、电磁学、传热学、材料扩散、及传热与变形耦合等方面的数值模拟正发挥着越来越重要的作用。

为协助电子工程开发与研究人员采用数值模拟方法进行新产品的开发和电子电路功能性研究，北京超算开发了SciFEA软件，该软件提供的固体变形、材料扩散、电磁计算和传热、热固耦合等方面的功能可以为电子产品的开发与研究提供计算模拟支持,欢迎您登录我们的网站进行下载试用。

电子产品设计往往需要考虑到多种物理过程的复杂耦合，北京超算可以在光输运、量子井效应、热激发、电流、磁效应、固变形与应力等物理过程的耦合方面为用户提供定制开发，热忱欢迎您就感兴趣的问题和我们进一步交流。

二、超算软件解决方案

SciFEA软件提供的固体计算模块、流体计算模块、热固耦合模块、材料扩散模块、传热计算模块、热固耦合模块等，可以直接满足电子行业电子元器件的表面封装、激光焊接、热激发、半导体二极管分析等方面的计算需求。

半导体和集成电路制造是一个流程高度复杂，资金高度密集的加工过程。如今，半导体（芯片或集成电路）越来越重要，越来越普遍，然而集成电路的制造成本变得越来越高和工艺越来越复杂。合理的对半导体器件与工艺进行仿真，对生产效率的提高有着直接的影响。下图描述了在半导体和集成电路制造中经常遇到的物理场问题。

电子工程设计加工中的多场耦合

SciFEA软件可以采用如下几种方式帮助用户在电子设计加工中采用数值模拟技术进行工程仿真和性能分析：
1、直接采用SciFEA软件具有的电、磁、力、光、热、流动、扩散等方面的计算模块进行计算模拟分析；
2、结合用户的设计需求，按照用户定义的分析设计流程集成需要的计算模块，形成以设计为导向的辅助分析软件工具。
3、提供考虑半导体制备中各种物理场耦合分析功能模块的定制和计算分析；
4、电子器件物理性能大规模并行计算分析软件开发和计算服务。

三、SciFEA软件—电子工程数值模拟相关案例

1.电子元器件材料加工

电子元器件材料的均匀化处理、金属的拼接、器件涂层加工与制备、材料刻蚀等电子材料的加工与制备过程，需要对材料的各项加工过程进行计算模拟，分析获得优化的产品性能的时间和组分含量控制。

SciFEA可以模拟材料扩散、反应、加工过程的各成分和性能的变化，通过建立计算模型进行计算分析提升对IC设计方案性能的认识。

锌—铜互扩散图Kirkendall效应


材料扩散过程模拟

2.半导体二极管计算模拟分析

考虑半导体器件的典型二极管结构，考虑电势，电子的费米势、空穴的费米势，考虑电子和空穴的复合率，计算模拟PN结附近电压的剧烈变化以及反偏压变化。模拟分析得到电子势和空穴势在结区附近都有陡峭的变化。在n型区空穴势先下降，在n型区中靠近结区的地方空穴的数目比n型区中远离结区的地方的空穴更少，因此发生了电子的反向抽取。

加正偏压的p-i-n结构的二极管

3. 薛定谔方程与泊松方程的耦合求解

为考虑半导体器件工作时的量子效应，需要耦合求解薛定谔方程与泊松方程.对于一典型的耦合双量子井结构，通过计算模拟分析得到该量子井结构中各个能级的位置以及能带结构。

能带图、能级位置与相应的波函数

 

4.固体变形分析

SciFEA可以对半导体与集成电路的固体元器件的变形应力进行计算分析。包括电子器件的加工过程、安装配置过程、热过程、时间松弛过程、延性变形过程进行计算模拟分析。下图为采用SciFEA对结构热变形和应力进行模拟分析。

器件加工制备过程热应力分析

电位分布云图

温度分布云图

热固电耦合位移云图

热固电耦合的应力分布图

稳恒电流场电位云图

直流电机涡流制动器磁场分布图

四．携手计算

电子行业计算在逐渐向多场多相发展，对电子科学的认识正不断被计算技术吸收融合形成理论、实验、数值模拟的综合体系，这三个方面的交叉渗透和促进，给电子产品创新提出了许多挑战性课题。超算科技将携手广大科技工作者和工程师结合理论、实验和数值模拟共同拓展电子行业的发展。利用超算科技计算模拟技术积累，我们希望在以下具体的开发方向上和您携手进行计算模拟分析与研究。
电子元器件表面封装的数值模拟；
电子设备运行中电磁场的计算模拟与研究；
电子设备制备过程多相多场、温度、流动、组织生长等模拟分析；
基于GPU各物理过程的高性能计算。