【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。