北京超算—電子行業數值模擬解決方案

一、電子行業現狀和超算數值模擬新思路

隨著我國各類基礎(chu)設施(shi)和(he)電(dian)子(zi)產品(pin)開(kai)發(fa)正處于空(kong)前發(fa)展的(de)時(shi)期，在(zai)光(guang)伏產業、LED新產品(pin)開(kai)發(fa)、電(dian)子(zi)元(yuan)器(qi)件(jian)設計等(deng)工程(cheng)領域中(zhong)(zhong)不斷涌現出新的(de)挑(tiao)戰(zhan)課題(ti)。在(zai)大(da)量(liang)電(dian)子(zi)工程(cheng)預測分析(xi)中(zhong)(zhong)，固體力學(xue)、電(dian)磁學(xue)、傳(chuan)熱(re)學(xue)、材料擴(kuo)散(san)、及(ji)傳(chuan)熱(re)與變形耦(ou)合(he)等(deng)方(fang)面的(de)數值模(mo)擬正發(fa)揮(hui)著越來越重要的(de)作用。

為協助電子工程開發與研究人員采用數值模擬方法進行新產品的開發和電子電路功能性研究，北京超算開發了SciFEA軟件，該軟件提供的固體變形、材料擴散、電磁計算和(he)傳熱(re)、熱(re)固(gu)耦(ou)合等(deng)方面的(de)功能(neng)可以為電子(zi)產品的(de)開發與研究提供計算模擬(ni)支持(chi),歡(huan)迎您(nin)登(deng)錄(lu)我們的(de)網站進行下載(zai)試用。

電子產品(pin)設計往(wang)往(wang)需要考慮(lv)到多(duo)種物理(li)(li)過程(cheng)的(de)復雜耦合，北京超(chao)算可(ke)以(yi)在(zai)光輸運、量子井效(xiao)應、熱(re)激發、電流(liu)、磁效(xiao)應、固變形與應力等物理(li)(li)過程(cheng)的(de)耦合方面為用戶提(ti)供定(ding)制(zhi)開發，熱(re)忱(chen)歡迎(ying)您就感興(xing)趣的(de)問題和我們進(jin)一(yi)步交流(liu)。

二、超算軟件解決方案

SciFEA軟件(jian)提供的(de)固體(ti)(ti)計(ji)算模塊(kuai)(kuai)(kuai)、流體(ti)(ti)計(ji)算模塊(kuai)(kuai)(kuai)、熱固耦合模塊(kuai)(kuai)(kuai)、材料(liao)擴散模塊(kuai)(kuai)(kuai)、傳(chuan)熱計(ji)算模塊(kuai)(kuai)(kuai)、熱固耦合模塊(kuai)(kuai)(kuai)等(deng)，可以直接滿足電(dian)(dian)子行業電(dian)(dian)子元器件(jian)的(de)表面(mian)封裝、激光焊接、熱激發(fa)、半導體(ti)(ti)二極(ji)管(guan)分析等(deng)方(fang)面(mian)的(de)計(ji)算需求(qiu)。

半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)和集(ji)(ji)成(cheng)電路(lu)制(zhi)造(zao)(zao)是一個流程高(gao)度(du)復雜，資(zi)金高(gao)度(du)密集(ji)(ji)的(de)(de)加(jia)工過程。如(ru)今，半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)（芯片或(huo)集(ji)(ji)成(cheng)電路(lu)）越(yue)來越(yue)重要，越(yue)來越(yue)普遍，然(ran)而(er)集(ji)(ji)成(cheng)電路(lu)的(de)(de)制(zhi)造(zao)(zao)成(cheng)本變(bian)得越(yue)來越(yue)高(gao)和工藝越(yue)來越(yue)復雜。合(he)理(li)的(de)(de)對(dui)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)器件與工藝進行(xing)仿真，對(dui)生產效率的(de)(de)提高(gao)有著直接的(de)(de)影響。下圖描述了(le)在(zai)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)和集(ji)(ji)成(cheng)電路(lu)制(zhi)造(zao)(zao)中經(jing)常遇(yu)到的(de)(de)物(wu)理(li)場問題。

電子工程設計加工中的多場耦合

SciFEA軟件可以采用如下幾種方式幫助用戶在電子設計加工中采用數值模擬技術進行工程仿真和性能分析：
1、直接采用SciFEA軟件具有的電、磁、力、光、熱、流動、擴散等方面的計算模塊進行計算模擬分析；
2、結合用戶的設計需求，按照用戶定義的分析設計流程集成需要的計算模塊，形成以設計為導向的輔助分析軟件工具。
3、提供考慮半導體制備中各種物理場耦合分析功能模塊的定制和計算分析；
4、電子(zi)器(qi)件物理性能大規模并行計算分析軟件開發和計算服務。

三、SciFEA軟件—電子工程數值模擬相關案例

1.電子元器件材料加工

電(dian)(dian)子(zi)元(yuan)器件材(cai)料(liao)的均勻化(hua)處(chu)理、金屬的拼接、器件涂(tu)層(ceng)加(jia)(jia)工與制(zhi)備、材(cai)料(liao)刻蝕等電(dian)(dian)子(zi)材(cai)料(liao)的加(jia)(jia)工與制(zhi)備過(guo)程(cheng)，需要對(dui)材(cai)料(liao)的各(ge)項(xiang)加(jia)(jia)工過(guo)程(cheng)進(jin)行計算模擬，分(fen)析獲(huo)得優(you)化(hua)的產品性能的時間和組分(fen)含量控制(zhi)。

SciFEA可以模(mo)擬材(cai)料擴散、反應、加(jia)工過程的各成分(fen)和性能(neng)的變化，通過建立計(ji)算(suan)模(mo)型進行計(ji)算(suan)分(fen)析提升(sheng)對(dui)IC設計(ji)方案性能(neng)的認(ren)識。

鋅—銅互擴散圖Kirkendall效應


材料擴散過程模擬

2.半導體二極管計算模擬分析

考慮(lv)半導體器(qi)件(jian)的典型二(er)極管(guan)結(jie)(jie)構，考慮(lv)電(dian)(dian)勢(shi)(shi)，電(dian)(dian)子(zi)的費米勢(shi)(shi)、空(kong)(kong)(kong)穴(xue)(xue)的費米勢(shi)(shi)，考慮(lv)電(dian)(dian)子(zi)和空(kong)(kong)(kong)穴(xue)(xue)的復(fu)合率(lv)，計算模(mo)擬(ni)PN結(jie)(jie)附(fu)近電(dian)(dian)壓的劇(ju)烈變(bian)(bian)化(hua)以及反(fan)偏壓變(bian)(bian)化(hua)。模(mo)擬(ni)分析得到電(dian)(dian)子(zi)勢(shi)(shi)和空(kong)(kong)(kong)穴(xue)(xue)勢(shi)(shi)在結(jie)(jie)區(qu)(qu)附(fu)近都有陡峭的變(bian)(bian)化(hua)。在n型區(qu)(qu)空(kong)(kong)(kong)穴(xue)(xue)勢(shi)(shi)先下降，在n型區(qu)(qu)中靠近結(jie)(jie)區(qu)(qu)的地(di)方空(kong)(kong)(kong)穴(xue)(xue)的數(shu)目比n型區(qu)(qu)中遠(yuan)離結(jie)(jie)區(qu)(qu)的地(di)方的空(kong)(kong)(kong)穴(xue)(xue)更少，因此發生(sheng)了電(dian)(dian)子(zi)的反(fan)向抽取。

加正偏壓的p-i-n結構的二極管

3. 薛定諤方程與泊松方程的耦合求解

為考慮半導體(ti)器(qi)件工作時的(de)量子效應，需要耦合求解(jie)薛定諤方程與泊松方程.對于一典(dian)型的(de)耦合雙(shuang)量子井結構(gou)，通(tong)過(guo)計算模擬分(fen)析得到(dao)該量子井結構(gou)中各個能(neng)級的(de)位置以及能(neng)帶結構(gou)。

能帶圖、能級位置與相應的波函數

 

4.固體變形分析

SciFEA可以對半導體與集(ji)成電路(lu)的固體元器件的變(bian)(bian)形應(ying)力進行(xing)計算分析(xi)。包括電子器件的加工過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)、安裝配置過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)、熱過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)、時間(jian)松弛過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)、延(yan)性(xing)變(bian)(bian)形過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)進行(xing)計算模擬分析(xi)。下(xia)圖為采用SciFEA對結構熱變(bian)(bian)形和(he)應(ying)力進行(xing)模擬分析(xi)。

器件加工制備過程熱應力分析

電位分布云圖

溫度分布云圖

熱固電耦合位移云圖

熱固電耦合的應力分布圖

穩恒電流場電位云圖

直流電機渦流制動器磁場分布圖

四．攜手計算

電子行業計算在逐漸向多場多相發展，對電子科學的認識正不斷被計算技術吸收融合形成理論、實驗、數值模擬的綜合體系，這三個方面的交叉滲透和促進，給電子產品創新提出了許多挑戰性課題。超算科技將攜手廣大科技工作者和工程師結合理論、實驗和數值模擬共同拓展電子行業的發展。利用超算科技計算模擬技術積累，我們希望在以下具體的開發方向上和您攜手進行計算模擬分析與研究。
電子元器件表面封裝的數值模擬；
電子設備運行中電磁場的計算模擬與研究；
電子設備制備過程多相多場、溫度、流動、組織生長等模擬分析；
基于GPU各物理過(guo)程的高性能計(ji)算。