什么是3D實(shí)體建模

你肯定聽說過“3D實(shí)體建?！?。這個(gè)術(shù)語最早起源于驗(yàn)證工程界，現(xiàn)在已經(jīng)變得幾乎無處不在。娛樂媒體、3D打印、甚至家裝設(shè)計(jì)等主流行業(yè)如今都開始用這個(gè)詞，這幾乎成了我們這個(gè)時(shí)代的象征之一。工程界對3D實(shí)體建模有一個(gè)集體的理解，這往往不同于該術(shù)語的主流用法。3D實(shí)體建模不僅僅是物體的虛擬呈現(xiàn)，看起來很神奇并且可以使用3D打印機(jī)生產(chǎn)。對于大多數(shù)工程師來說，3D實(shí)體建模是有限元分析 (FEA, Finite Element Analysis) 的途徑。

有限元分析是對一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)值分析，為了方便分析，該系統(tǒng)被分解成許多小的、基本的部件（有限元）。利用有限元，工程師可以通過將大系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為多個(gè)小部件（或方程組）來理解一個(gè)大而復(fù)雜的系統(tǒng)。有限元分析軟件可以為每一個(gè)較小的部件生成相對簡單的方程，然后像拼圖一樣，通過重構(gòu)較小的部分求解出大系統(tǒng)的完整解決方案。

因?yàn)橛邢拊治鰪挠?jì)算上來說比較“昂貴”，用于有限元分析的3D實(shí)體模型必須平衡好幾何保真度（對真實(shí)結(jié)構(gòu)）的需求與仿真的難度和時(shí)間。為了進(jìn)行精確且成本合理的有限元仿真，工程師需要仔細(xì)將他們的3D實(shí)體模型進(jìn)行“網(wǎng)格化”。

如何為有限元分析的MEMS設(shè)計(jì)

建立3D實(shí)體模型

找一個(gè)軟件來生成實(shí)體模型很容易，也有能實(shí)現(xiàn)物體3D虛擬呈現(xiàn)的軟件。商業(yè)軟件供應(yīng)商提供的3D實(shí)體建模工具的設(shè)計(jì)考慮到了工程界人士的需求。設(shè)計(jì)師可以使用這些工具從草圖開始構(gòu)建3D幾何體，或從一組基本構(gòu)建塊（立方體、球體、棱柱體等）構(gòu)建完整模型。這些軟件包有非常豐富的庫，內(nèi)含可以加快創(chuàng)建及其復(fù)雜虛擬系統(tǒng)的實(shí)體建模特征。但是這些軟件包適合設(shè)計(jì)MEMS器件嗎？

MEMS器件不像大多數(shù)真實(shí)世界的結(jié)構(gòu)。MEMS器件在結(jié)構(gòu)的整體尺寸（毫米量級）和最小特征的尺寸（通常微米量級）之間存在巨大的深寬比差異。MEMS設(shè)計(jì)往往還包括很多幾何部件，這些部件用于模擬重復(fù)的幾何體，如刻蝕釋放孔或梳狀轉(zhuǎn)子和定子，即使使用最精密的3D實(shí)體建模軟件引擎重建MEMS設(shè)計(jì)都非常具有挑戰(zhàn)性。此外，MEMS的制造和IC芯片一樣，MEMS設(shè)計(jì)人員必須考慮到一些可能對于其他學(xué)科的工程師并不重要的復(fù)雜問題，例如光刻分辨率、沉積均勻度和非正交側(cè)壁刻蝕等。因此，理想的MEMS設(shè)計(jì)需要專門的3D建模和有限元分析工具。

從設(shè)計(jì)和工藝到3D實(shí)體模型

假設(shè)我們有了下一代MEMS傳感器的想法。為了高效地確定我們想法的可行性，我們需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)3D實(shí)體模型，用FEA進(jìn)行分析。我們應(yīng)該怎么做呢？使用與這種傳感器的構(gòu)建方式相匹配的方法自然會(huì)得到一個(gè)解決方案。

例如，我們想要建立一個(gè)商業(yè)MEMS慣性傳感器的3D實(shí)體模型（如圖1）：

圖1：ST微系統(tǒng)陀螺儀的俯視圖（來源：TechInsights）

MEMS常常在設(shè)計(jì)中被概念化，使用2D來代表3D結(jié)構(gòu)。圖1所示的MEMS器件的設(shè)計(jì)檔案示例如下方圖2所示。2D設(shè)計(jì)檔案（或設(shè)計(jì)幾何圖形）最終用于創(chuàng)建制造掩膜，在器件制造過程中將沉積的薄膜圖形化。構(gòu)建這個(gè)2D設(shè)計(jì)檔案需要大量的時(shí)間，理想情況下，我們希望利用這段時(shí)間來生成我們的3D實(shí)體模型。如果我們也有一個(gè)制造步驟列表，能從初始設(shè)計(jì)“構(gòu)建”MEMS器件，那么2D設(shè)計(jì)檔案就可以生成所需MEMS器件的3D模型。

圖2：ST陀螺儀的設(shè)計(jì)圖（使用TechInsights teardown的反向工程）

和CMOS芯片一樣，MEMS的制造是基于晶圓的。在MEMS制造中不使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械產(chǎn)品常見的鑄造、成形、壓制或其他制造工藝。MEMS制造涉及薄膜表面工藝和體微加工等工藝。這些工藝還包括在基板（如硅晶圓）上沉積材料所需的步驟和使用制造掩膜圖形化沉積的減成刻蝕步驟。工藝說明類似于配方，規(guī)定了適當(dāng)?shù)某练e厚度、光刻掩膜、刻蝕深度和其他步驟。

比起使用標(biāo)準(zhǔn)的3D實(shí)體建模軟件費(fèi)力地重新生成MEMS器件的2D呈現(xiàn)，更有效的解決方案是簡單地使用2D設(shè)計(jì)幾何檔案和工藝配方直接創(chuàng)建我們的3D模型。這個(gè)解決方案不僅更快，而且消除了轉(zhuǎn)換中無意間出錯(cuò)的可能性，確保我們的3D模型與實(shí)際掩膜數(shù)據(jù)的最高保真和匹配度。2D設(shè)計(jì)檔案和工藝說明的結(jié)合帶來了制造設(shè)施所產(chǎn)器件的3D虛擬呈現(xiàn)（圖3）。

圖3：由設(shè)計(jì)和工藝說明實(shí)現(xiàn)的3D實(shí)體模型

這個(gè)3D實(shí)體模型是后續(xù)有限元分析的切入點(diǎn)，可以用來研究我們設(shè)計(jì)的可行性。

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結(jié)語

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有限元分析被廣泛認(rèn)為是包括MEMS設(shè)計(jì)在內(nèi)的工程設(shè)計(jì)中必不可少的組成部分。為了進(jìn)行高效準(zhǔn)確的有限元仿真，首先需要?jiǎng)?chuàng)建合適的3D實(shí)體模型。目前有多種商用CAD軟件系統(tǒng)用于建立3D模型，這些3D模型可用于后續(xù)的有限元分析。然而，由于MEMS和半導(dǎo)體行業(yè)中所需的獨(dú)特幾何要求和制造技術(shù)，將通用的實(shí)體建模軟件用于MEMS和半導(dǎo)體行業(yè)非常困難、低效、進(jìn)而昂貴。工程師需要一種與MEMS和半導(dǎo)體行業(yè)使用的設(shè)計(jì)和制造方法一致的3D實(shí)體建模選項(xiàng)。CoventorMP就是這樣一款軟件，可以利用現(xiàn)有的2D設(shè)計(jì)檔案和制造工藝說明，創(chuàng)建適合有限元分析的3D實(shí)體模型。

審核編輯 ：李倩