SolidWorks建立和分析MEMS结构实体模型

　　本文介绍了SolidWorks建立和分析MEMS结构实体模型相关内容。

　　在集成电路制造业中，随着技术的发展，实体建模工具将不仅仅局限于帮助MEMS(Microelectromechanical System)设计师简化设计流程，充分利用有限元工具软件进行分析将是发展的趋势。因此，选择合适的实体建模工具对于MEMS设计能否取得成功是至关重要的。SolidWorks除了可以进行MEMS结构设计(在过程中可以进行分析并生成掩膜)外，还可以设计所有相关的产品封装和装配设备，下面就对SolidWorks 3D建模软件在MEMS设计方面的优势做一些介绍。

　　1.3D可视化

　　3D可视化可以让MEMS设计师对设计意图、正确的实施方法、碰撞检测和封装层叠的预装件检验一目了然。促进了企业内部及外部的沟通，帮助设计人员在设计早期看到明晰、精确的零件图和装配图，这不仅能让MEMS设计师更好地向同事解释设计意图。而且可以通过展示3D特性为学术演讲、融资等工作带来方便。

　　SolidWorks为设计师提供了真正的实体建模功能其中，SolidWorks Office Professional包含PhotoWorks, SolidWorks Animator和3D InstantWebsite软件，提供了照片级的效果图、丰富的动画和基于Web的完整设计展示。SolidWorks利用动态装配运动和碰撞检测功能实现零部件的干涉和特定间隙的检查。物理仿真通过展示网格化的零件和其在装配中的运转进一步进行运动检测。这种方式打破了表面微加工的设计惯例，确保了初始过程中的正确蚀刻和零件分离。

　　2.亚微米特性定义

　　SolidWorks实体建模软件使MEMS设计师可进行亚微米级的设计。事实上，用户能够在适当的微米级、纳米级甚至是埃级上进行设计。这种亚微米定义能力意味着利用SolidWorks特有的实体建模能力，能够将某些类型的格栅完全描述为立体模型。图1为用SolidWorks设计的齿轮，其厚度为10微米，直径为l20微米。每个齿的宽度是0.4微米，长度是10微米，蚀刻厚度为0.5微米。

　　3.阵列以及阵列的建立

　　SolidWorks允许对特征进行阵列，这节省了设计师的时间并简化了模型的构建。凸台和切口是两个能够在一个零件里阵列的特征。阵列可以通过直线、矩形或者通过曲线来定义。SolidWorks允许在装配体里采用阵列，也可定义阵列的阵列，支持线性阵列的圆周阵列，也支持圆周阵列的线性阵列。事实上，阵列的定义和阵列的阵列的定义是相互独立的，其中任何一种定义都可以通过直线、圆周和曲线几何图形完成。图2为每个齿轮含一个孔和切口的阵列。这种齿轮的辐射阵列如图左所示，它们的矩形阵列如图右所示，这样定义的阵列蚀刻起来比较容易。

　　4.配工管理

　　配置管理是指在单一文件或文档中控制设计变化，它可用于元件或装配件，也可用于制图，如掩膜制图等。配置管理能用较短的时间和较少的花费在单一文件中生成零件、装配件和工程图的多个版本。SolidWorks提供多层配置，用以优化配置的功用、组织和效率。

　　SolidWorks配置管理功能在为众多需求生成多种设计时，可以获得最大的灵活性，同时，可以很方便地从以前的设计中产生新的配置文件，通过数据重用加快开发速度，以适应市场的需求。

　　配置管理可创建多种不同版本的MEMS结构。该结构可以随着尺寸的增加而自动加大表面特征尺寸和蚀刻深度。用户可以在单个的SoIidWorks模型文件中对不同版本的MEMS设计实现简易的控制。

　　通过打开或关掉一个部件或装配件的配置，对不同设计要求的"What if"情景进行迅速浏览。此外，SolidWorks配置管理包括表面微加工和LIGA等多级处理的元件。通过使用单一零件的多个配置文件能很容易地生成相应的文件。如需要反映一个单独的版本或处理过程的状态，配置管理技术可对此产生一个单独的版本。这些版本可帮助用户比较设计方案，跟踪预期的性能，逐步展开工艺计划。

　　5支持复杂装配体的设计

　　对于设计充满MEMS器件的晶圆，3D CAD解决方案要求在不降低性能的情况下装配数以千计的部件。这些MEMS设备包括:加速计、孔、MOEMS镜，或者MST器件阵列，如微型齿轮等。

　　SolidWorks 3D建模软件依靠其大型装配模式帮助产品设计人员设计和装配成千上万的组件并对完成的装配件进行评估。对装配设计的评估包括运动仿真和物理仿真、干涉检查、碰撞检测、间隙信息和为一个装配件全范围的运动创建封套。在微加工操作中可设置清除设计规则。这些工具帮助MEMS设计人员识别在装配过程中必要的变化.这些变化可通过使用简单的拖放装配结构的重排列来实现。

　　许多企业通过推行并行设计来加速产品开发速度，这使得负责一个大型装配设计任务的几个设计人员或团队可以同时设计分离的组件或部件。SolidWorks 3D建模软件支持并行设计，其包括配置管理、自顶向下的设计技术和设计协同。

　　6.关联掩膜定义

　　关联性保证了一个模型的所有元素在电气上是关联或连接的。这意味着当设计的文件发生任何变化时，这个变化都会自动地在所有关联的文件上出现。SolidWorks内置的强大工具能理顺掩膜从相关联的DXF文件向GDS II文件格式的转换过程，而DXF文件则直接反映模型定义的变化。图4所示的正像掩膜是和一个实体模型相关联的，图9的左面图形是相对的负像掩膜。

　　自下而上的关联设计集中解决新组件的创建问题和将现有的组件集成到装配件中，这对在有严格限制的组件特性基础上进行设计是非常重要的。此外，SolidWorks在装配中做相关的综合检查的同时，要对每个部件进行编辑。关联设计可以给那些已经存在的装配添加新的组件。在MEMS设计中，这意味着一个组件在相关的全部装置模型中可被创建或修改，这些更改可以自动地贯穿于整个装配和制图过程中，以维持设计的最初意图。

　　7集成的有限元分析

　　设计人员可使用包含在SolidWorks中的COSMOSXpress FEA软件对当前的MEMS设计进行初始应力分析检查，此外，包含在COSMOSWorks分析软件中的COSMOS产品可对设计进行热、应力、变形、弯曲，非线性和电磁等项目指数的分析。同时，像MSC.Software这样的合伙伙伴也提供"经过认证的金牌产品解决方案"分析产品(MSC.visualNastran FEA for SolidWorks)和SolidWorks配合使用。

　　MEMS设计人员可以通过在设计初期使用COSMOSWorks进行有限元分析，来保证设计的可靠性。

　　(1)热分析

　　对于MEMS封装设计，热分析是非常重要的。将So1idWorks实体模型作为起点，COSMOS能对部件或装配件进行稳态或暂态的热分析。在网格划分以后，设计人员通过设置相关的约束条件，以及和模型几何特性相关的功率或热融化条件，来获得规定条件下温度分布的理想预测。

　　(2)静态分析

　　COSMOS静态分析是使设计避免即时灾难或长期故障的一个工具。如图5的跳水板分析显示，尽管不大的偏差可以通过一个浅的蚀刻(5微米)和一个薄的Diving Board (1微米)实现，但是移动元件单元中的合成应力将导致早期的故障。设计人员往往希望通过分析几个排列来找到最佳的状态。

　　(3)静电分析

　　对于大多数MEMS设备，尤其是那些性能取决于静电特性的设备，静电分析对于全面预测设备性能是必须的。图5显示的简单悬臂电子束模型被用来解决在固定和移动单元之间不同电位下的模型电子束偏差。该结果可被用来与振动和振荡的结果配合分析，以实现在现实环境中最优化的性能。

　　(4)流动过程分析

　　流动过程分析对MEMS应用非常重要。例如，无论设计者是否试图解决封装的热问题，都需要决定哪个热交换器具有最好的性能、而当设计MEMS孔或泵时，其工作可靠性也直接与流动性的处理方式有关。针对这方面的应用，COSMOSFLoWorks在简单明了的界面下提供了高效的流动动态分析。

　　8.设计再利用

　　SolidWorks提供了大量的数据转换形式，SolidWorks数据表中有其支持的数据格式。设计人员在将设计由2D CAD向SolidWorks转换时将感受到新功能的优越性，视图折叠功能可以使遗留的DWG或DXF草图很容易地导人SolidWorks并有效地创建新的3D模型。一个专门针对AutoCAD的输人向导将有助于使转移过程更加高效。当3D模型遗留的数据被导入SolidWorks后，FeatureWorks特征识别产品(SolidWorks OfEce Professional的一个插件)将通过寻找导人数据的特征来进一步加速设计工作，这些特征包括凸起，孔，肋、板金特征和倒角等。其将被转换成SolidWork:的特征，并被插人SolidWorks Feature Manager特征管理树中，使得修改、特征重排序和其他的标准SolidWorks操作更容易实现。

　　特征模板对于那些已经积累了大量Solidwork零部件文件的设计人员来说是一个很好的工具。特征模板工作起来同常用的SolidWorks文件的"总在上面"的窗口相似，设计人员可以方便地将部件直接拖曳到新的设计中。在使用者的配置下，通过遵守一组预先设计好的元素，特征模板可以加快设计速度。这些元素可以是新设计出来的，也可以是经过对遗留数据修改得来的。

　　9.设计的易用性

　　MEMS设计人员需要而且希望从他们使用的3D CAD软件中获得强大的功能，现在，SolidWorks以其出色的易用性获取了世界范围内的MEMS设计人员的青睐。

　　10协作工具

　　协作工具为产品设计人员更有效地和其他研究队伍的成员进行协同工作提供了许多方法。通过Internet共享设计资源，独立的设计人员可以汇集更多的方案与意见。同时，SolidWorks提供的协作工具可使MEMS设计师们可以更轻松有效地将2D和3D产品的设计信息传递给同行、客户、代理商以及供应商。

　　(1) eDrawing Professional简化了在一个庞大产品开发组内的2D,3D设计信息的传递过程，通过使用电子邮件使产品设计能够更有效地流通。用户无需花钱购买标注工具就可方便地得到精确的2D和3D模型，让任何人都能够对模型进行观看、标注和测量Drawings文件提供了一个有效的手段，使得所有产品发展过程中的相关人员(如客户卖主、合作方等)可以进行2D和3D设计资料的通信传递。

　　(2) 3D Instant Website可将产品设计数据发布}}J一个有关3D设计的网站上去，并和整个工作组的成员实现设计的互通。这些成员包括协同设计人员、制造人员、市场管理人员、代理商和客户。其他人可以浏览、旋转、缩放、评价设计师的3D设计造型。

　　11.合作伙伴的集成解决方案

　　SolidWorks公司与解决方案合作伙伴联手，以提供高级别的、可扩展的解决方案。其中包括有限元分析(FEA)、计算机辅助制造(CAM}、产品数据管理(PDM)和运动学解决方案，这些开发由专业的公司完成。经过认证的金牌产品为SolidWorks提供了友好的界面、简化的学习和使用方法、扩展了高级功能。所有经过认证的金牌产品提供与SolidWorks集成的单一窗口，它们是完全相互关联的，并且都通过了由SolidWorks提供的严格的测试和认证过程，以保证其与各个SolidWorks版本的兼容性。

　　(1) Elsyca NV市场软件用于电化学反应的建模。Elsyca为电子工业提供定制的电化学沉积作用分析工具，这个工具可以为硅晶圈上沉积作用过程中反应单元的活动建立模型。其中包括沉积电流空间特性在内的电化学单元设计评估。

　　(2) SolidWorks的另一个合作伙伴一一MEMGen公司使用SolidWorks来设计MEMS设备。他们在一家晶圆厂为客户生产设备时获得了使用EFA技术的独有许可。

　　(3) Zaal Solutions公司的CircuitWorks(基于SolidWorks的布线软件)是经过认证的电子导向工具，这个解决方案可以将二维IDF格式的PCB数据和3D组件数据合并，用于构造完整的PCB装配3D模型。这些精密的模型最终实现了最小尺寸、最优化封装的设计。

　　(4)运动分析对于开发许多要求具有复杂动作的产品(包括许多MEMS设备)具有很大的帮助。COSMOS(COSMOSMotion)和MotionWorks提供了这方面的分析工具。

　　SolidWorks提供了独特的集成度以及多种附加解决方案，这些十分具有价值的功能甚至超过了CAD核心产品。这些解决方案在SolidWorks上运行，并且可根据需要随时添加。