什么是3D實體建模

你肯定聽說過“3D實體建?！?。這個術(shù)語最早起源于驗證工程界，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)計等主流行業(yè)如今都開始用這個詞，這幾乎成了我們這個時代的象征之一。工程界對3D實體建模有一個集體的理解，這往往不同于該術(shù)語的主流用法。3D實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打印機生產(chǎn)。對于大多數(shù)工程師來說，3D實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)化為多個小部件（或方程組）來理解一個大而復雜的系統(tǒng)。有限元分析軟件可以為每一個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。

因為有限元分析從計算上來說比較“昂貴”，用于有限元分析的3D實體模型必須平衡好幾何保真度（對真實結(jié)構(gòu)）的需求與仿真的難度和時間。為了進行精確且成本合理的有限元仿真，工程師需要仔細將他們的3D實體模型進行“網(wǎng)格化”。

如何為有限元分析的MEMS設(shè)計

建立3D實體模型

找一個軟件來生成實體模型很容易，也有能實現(xiàn)物體3D虛擬呈現(xiàn)的軟件。商業(yè)軟件供應商提供的3D實體建模工具的設(shè)計考慮到了工程界人士的需求。設(shè)計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)建及其復雜虛擬系統(tǒng)的實體建模特征。但是這些軟件包適合設(shè)計MEMS器件嗎？

MEMS器件不像大多數(shù)真實世界的結(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)計往往還包括很多幾何部件，這些部件用于模擬重復的幾何體，如刻蝕釋放孔或梳狀轉(zhuǎn)子和定子，即使使用最精密的3D實體建模軟件引擎重建MEMS設(shè)計都非常具有挑戰(zhàn)性。此外，MEMS的制造和IC芯片一樣，MEMS設(shè)計人員必須考慮到一些可能對于其他學科的工程師并不重要的復雜問題，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)計需要專門的3D建模和有限元分析工具。

從設(shè)計和工藝到3D實體模型

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，我們需要創(chuàng)建一個3D實體模型，用FEA進行分析。我們應該怎么做呢？使用與這種傳感器的構(gòu)建方式相匹配的方法自然會得到一個解決方案。

例如，我們想要建立一個商業(yè)MEMS慣性傳感器的3D實體模型（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)計檔案示例如下方圖2所示。2D設(shè)計檔案（或設(shè)計幾何圖形）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2D設(shè)計檔案需要大量的時間，理想情況下，我們希望利用這段時間來生成我們的3D實體模型。如果我們也有一個制造步驟列表，能從初始設(shè)計“構(gòu)建”MEMS器件，那么2D設(shè)計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制造中不使用標準機械產(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?shù)某练e厚度、光刻掩膜、刻蝕深度和其他步驟。

比起使用標準的3D實體建模軟件費力地重新生成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)計幾何檔案和工藝配方直接創(chuàng)建我們的3D模型。這個解決方案不僅更快，而且消除了轉(zhuǎn)換中無意間出錯的可能性，確保我們的3D模型與實際掩膜數(shù)據(jù)的最高保真和匹配度。2D設(shè)計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)計和工藝說明實現(xiàn)的3D實體模型

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

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結(jié)語

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有限元分析被廣泛認為是包括MEMS設(shè)計在內(nèi)的工程設(shè)計中必不可少的組成部分。為了進行高效準確的有限元仿真，首先需要創(chuàng)建合適的3D實體模型。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和半導體行業(yè)中所需的獨特幾何要求和制造技術(shù)，將通用的實體建模軟件用于MEMS和半導體行業(yè)非常困難、低效、進而昂貴。工程師需要一種與MEMS和半導體行業(yè)使用的設(shè)計和制造方法一致的3D實體建模選項。CoventorMP就是這樣一款軟件，可以利用現(xiàn)有的2D設(shè)計檔案和制造工藝說明，創(chuàng)建適合有限元分析的3D實體模型。

審核編輯 ：李倩