【案例展示】多物理场仿真软件介绍
本期案例来自上海交通大学微波与射频研究中心团队,团队针对集成电路技术发展过程中面临的挑战,通过FastCAE平台对自研多物理场仿真求解器进行功能拓展与集成,使用户可基于不同的电、热、应力场景和仿真需求,灵活设定参数进行快速准确的多物理场仿真,开发的多物理场仿真软件具有适应性强、占用内存小等显著优点。
本期内容将基于项目概述、软件架构、案例展示及效率对比、软件创新点四个方面进行展示。
1 项目概述
随着集成电路集成度的提高,设备整体功率密度也正在逐渐提高。更高的功率密度带来的热量使得集成电路的可靠性分析尤为重要。

图1 电子设备发展趋势
但集成电路温度的上升,往往会带来以下挑战:
一方面不均匀的温升导致的热膨胀会带来结构应力,影响结构可靠性;
另一方面温度的变化又会反过来影响电路的电特性,甚至影响器件的寿命。
随着集成电路冷却技术的发展,如微流道等技术更是为集成电路可靠性分析带来了流体分析的需要。因此,集成电路可靠性分析已经不再是单个物理场的分析,而是需要对多物理场效应进行联合分析。
本软件的研究目标为构建复杂电子系统的多物理场协同分析平台,能够快速求解集成电路和封装结构的稳态和瞬态电、热、应力特性,模拟不同材料和边界条件对结构多物理场特性分布的影响,辅助评估系统的可靠性。
2 软件架构
在软件架构分为前处理、求解器、后处理三层,仿真流程如图2所示。

图2 多物理场仿真软件架构
软件的前处理是基于FastCAE平台提供的用户交互界面,支持用户实现维护工程树结构、几何的显示与操作、各种求解参数的设置、自建库的导入、网格剖分、生成求解输入文件等操作。

图3 多物理场仿真软件用户界面
本软件输入文件包括几何结构的.step格式文件与.stl格式文件,分别用于导入几何结构和生成网格。分别对仿真计算的参数进行设置后,可以生成求解输入文件。

图4 查看自定义函数
自研多物理场求解算法程序读取FastCAE生成的求解输入文件后,可以根据用户不同的电、热、应力场景和仿真需求构建矩阵,并迭代耦合求解,求解计算后生成结果文件供FastCAE进行后处理显示。
3 案例展示及效率对比
本软件选取某型集成电路封装模型就瞬态温度时变曲线、稳态仿真温度等进行仿真,同时与COMSOL结果进行对比,能够明显发现其计算效率具有3~8倍的优势。

(a) ETS (b) COMSOL
图5 网格生成结果

(a) ETS (b) COMSOL
图6 瞬态仿真观察点温度时变曲线

(a) ETS (b) COMSOL
图7 稳态仿真温度分布结果
对软件进行计算效率对比,得到以下表格:
表1 稳态仿真和瞬态仿真的运行时间对比
| ETS | COMSOL | |
| 稳态 | 1s | 8s |
| 瞬态 | 7s | 22s |
相较于COMSOL,本软件在相同精度的仿真中效率优势显著,求解器精度可靠,效率高,具有完整的耦合体系,同时还支持求解器更新优化、其他物理场模块添加等可扩展性优势。
4 案例展示及效率对比
本软件不同于传统的单场仿真工具,团队构建了多物理场协同仿真分析平台,既能处理单场,又可以分析多场,提供了统一的仿真环境。基于FastCAE平台进行集成,求解、前后处理流程完整,功能整合度高,界面直观,操作流程化,参数设置灵活。
软件的多场求解器精度可靠,效率高,具有完整的耦合体系,且保留了极大的可扩展性,能够实现求解器的更新优化、其他物理场模块的添加等模块功能灵活扩展操作。
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