本文介紹了SolidWorks建立和分析MEMS結(jié)構(gòu)實(shí)體模型相關(guān)內(nèi)容。

　　在集成電路制造業(yè)中，隨著技術(shù)的發(fā)展，實(shí)體建模工具將不僅僅局限于幫助MEMS(Microelectromechanical System)設(shè)計(jì)師簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，充分利用有限元工具軟件進(jìn)行分析將是發(fā)展的趨勢(shì)。因此，選擇合適的實(shí)體建模工具對(duì)于MEMS設(shè)計(jì)能否取得成功是至關(guān)重要的。SolidWorks除了可以進(jìn)行MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(在過(guò)程中可以進(jìn)行分析并生成掩膜)外，還可以設(shè)計(jì)所有相關(guān)的產(chǎn)品封裝和裝配設(shè)備，下面就對(duì)SolidWorks 3D建模軟件在MEMS設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)做一些介紹。

　　1.3D可視化

　　3D可視化可以讓MEMS設(shè)計(jì)師對(duì)設(shè)計(jì)意圖、正確的實(shí)施方法、碰撞檢測(cè)和封裝層疊的預(yù)裝件檢驗(yàn)一目了然。促進(jìn)了企業(yè)內(nèi)部及外部的溝通，幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)早期看到明晰、精確的零件圖和裝配圖，這不僅能讓MEMS設(shè)計(jì)師更好地向同事解釋設(shè)計(jì)意圖。而且可以通過(guò)展示3D特性為學(xué)術(shù)演講、融資等工作帶來(lái)方便。

　　SolidWorks為設(shè)計(jì)師提供了真正的實(shí)體建模功能其中，SolidWorks Office Professional包含PhotoWorks, SolidWorks Animator和3D InstantWebsite軟件，提供了照片級(jí)的效果圖、豐富的動(dòng)畫和基于Web的完整設(shè)計(jì)展示。SolidWorks利用動(dòng)態(tài)裝配運(yùn)動(dòng)和碰撞檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)零部件的干涉和特定間隙的檢查。物理仿真通過(guò)展示網(wǎng)格化的零件和其在裝配中的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)一步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。這種方式打破了表面微加工的設(shè)計(jì)慣例，確保了初始過(guò)程中的正確蝕刻和零件分離。

　　2.亞微米特性定義

　　SolidWorks實(shí)體建模軟件使MEMS設(shè)計(jì)師可進(jìn)行亞微米級(jí)的設(shè)計(jì)。事實(shí)上，用戶能夠在適當(dāng)?shù)奈⒚准?jí)、納米級(jí)甚至是埃級(jí)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種亞微米定義能力意味著利用SolidWorks特有的實(shí)體建模能力，能夠?qū)⒛承╊愋偷母駯磐耆枋鰹榱Ⅲw模型。圖1為用SolidWorks設(shè)計(jì)的齒輪，其厚度為10微米，直徑為l20微米。每個(gè)齒的寬度是0.4微米，長(zhǎng)度是10微米，蝕刻厚度為0.5微米。

　　3.陣列以及陣列的建立

　　SolidWorks允許對(duì)特征進(jìn)行陣列，這節(jié)省了設(shè)計(jì)師的時(shí)間并簡(jiǎn)化了模型的構(gòu)建。凸臺(tái)和切口是兩個(gè)能夠在一個(gè)零件里陣列的特征。陣列可以通過(guò)直線、矩形或者通過(guò)曲線來(lái)定義。SolidWorks允許在裝配體里采用陣列，也可定義陣列的陣列，支持線性陣列的圓周陣列，也支持圓周陣列的線性陣列。事實(shí)上，陣列的定義和陣列的陣列的定義是相互獨(dú)立的，其中任何一種定義都可以通過(guò)直線、圓周和曲線幾何圖形完成。圖2為每個(gè)齒輪含一個(gè)孔和切口的陣列。這種齒輪的輻射陣列如圖左所示，它們的矩形陣列如圖右所示，這樣定義的陣列蝕刻起來(lái)比較容易。

　　4.配工管理

　　配置管理是指在單一文件或文檔中控制設(shè)計(jì)變化，它可用于元件或裝配件，也可用于制圖，如掩膜制圖等。配置管理能用較短的時(shí)間和較少的花費(fèi)在單一文件中生成零件、裝配件和工程圖的多個(gè)版本。SolidWorks提供多層配置，用以優(yōu)化配置的功用、組織和效率。

　　SolidWorks配置管理功能在為眾多需求生成多種設(shè)計(jì)時(shí)，可以獲得最大的靈活性，同時(shí)，可以很方便地從以前的設(shè)計(jì)中產(chǎn)生新的配置文件，通過(guò)數(shù)據(jù)重用加快開(kāi)發(fā)速度，以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。

　　配置管理可創(chuàng)建多種不同版本的MEMS結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以隨著尺寸的增加而自動(dòng)加大表面特征尺寸和蝕刻深度。用戶可以在單個(gè)的SoIidWorks模型文件中對(duì)不同版本的MEMS設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的控制。

　　通過(guò)打開(kāi)或關(guān)掉一個(gè)部件或裝配件的配置，對(duì)不同設(shè)計(jì)要求的"What if"情景進(jìn)行迅速瀏覽。此外，SolidWorks配置管理包括表面微加工和LIGA等多級(jí)處理的元件。通過(guò)使用單一零件的多個(gè)配置文件能很容易地生成相應(yīng)的文件。如需要反映一個(gè)單獨(dú)的版本或處理過(guò)程的狀態(tài)，配置管理技術(shù)可對(duì)此產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的版本。這些版本可幫助用戶比較設(shè)計(jì)方案，跟蹤預(yù)期的性能，逐步展開(kāi)工藝計(jì)劃。

　　5支持復(fù)雜裝配體的設(shè)計(jì)

　　對(duì)于設(shè)計(jì)充滿MEMS器件的晶圓，3D CAD解決方案要求在不降低性能的情況下裝配數(shù)以千計(jì)的部件。這些MEMS設(shè)備包括:加速計(jì)、孔、MOEMS鏡，或者M(jìn)ST器件陣列，如微型齒輪等。

　　SolidWorks 3D建模軟件依靠其大型裝配模式幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)和裝配成千上萬(wàn)的組件并對(duì)完成的裝配件進(jìn)行評(píng)估。對(duì)裝配設(shè)計(jì)的評(píng)估包括運(yùn)動(dòng)仿真和物理仿真、干涉檢查、碰撞檢測(cè)、間隙信息和為一個(gè)裝配件全范圍的運(yùn)動(dòng)創(chuàng)建封套。在微加工操作中可設(shè)置清除設(shè)計(jì)規(guī)則。這些工具幫助MEMS設(shè)計(jì)人員識(shí)別在裝配過(guò)程中必要的變化.這些變化可通過(guò)使用簡(jiǎn)單的拖放裝配結(jié)構(gòu)的重排列來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　許多企業(yè)通過(guò)推行并行設(shè)計(jì)來(lái)加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，這使得負(fù)責(zé)一個(gè)大型裝配設(shè)計(jì)任務(wù)的幾個(gè)設(shè)計(jì)人員或團(tuán)隊(duì)可以同時(shí)設(shè)計(jì)分離的組件或部件。SolidWorks 3D建模軟件支持并行設(shè)計(jì)，其包括配置管理、自頂向下的設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)計(jì)協(xié)同。

　　6.關(guān)聯(lián)掩膜定義

　　關(guān)聯(lián)性保證了一個(gè)模型的所有元素在電氣上是關(guān)聯(lián)或連接的。這意味著當(dāng)設(shè)計(jì)的文件發(fā)生任何變化時(shí)，這個(gè)變化都會(huì)自動(dòng)地在所有關(guān)聯(lián)的文件上出現(xiàn)。SolidWorks內(nèi)置的強(qiáng)大工具能理順掩膜從相關(guān)聯(lián)的DXF文件向GDS II文件格式的轉(zhuǎn)換過(guò)程，而DXF文件則直接反映模型定義的變化。圖4所示的正像掩膜是和一個(gè)實(shí)體模型相關(guān)聯(lián)的，圖9的左面圖形是相對(duì)的負(fù)像掩膜。

　　自下而上的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)集中解決新組件的創(chuàng)建問(wèn)題和將現(xiàn)有的組件集成到裝配件中，這對(duì)在有嚴(yán)格限制的組件特性基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)是非常重要的。此外，SolidWorks在裝配中做相關(guān)的綜合檢查的同時(shí)，要對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行編輯。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)可以給那些已經(jīng)存在的裝配添加新的組件。在MEMS設(shè)計(jì)中，這意味著一個(gè)組件在相關(guān)的全部裝置模型中可被創(chuàng)建或修改，這些更改可以自動(dòng)地貫穿于整個(gè)裝配和制圖過(guò)程中，以維持設(shè)計(jì)的最初意圖。

　　7集成的有限元分析

　　設(shè)計(jì)人員可使用包含在SolidWorks中的COSMOSXpress FEA軟件對(duì)當(dāng)前的MEMS設(shè)計(jì)進(jìn)行初始應(yīng)力分析檢查，此外，包含在COSMOSWorks分析軟件中的COSMOS產(chǎn)品可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行熱、應(yīng)力、變形、彎曲，非線性和電磁等項(xiàng)目指數(shù)的分析。同時(shí)，像MSC.Software這樣的合伙伙伴也提供"經(jīng)過(guò)認(rèn)證的金牌產(chǎn)品解決方案"分析產(chǎn)品(MSC.visualNastran FEA for SolidWorks)和SolidWorks配合使用。

　　MEMS設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)在設(shè)計(jì)初期使用COSMOSWorks進(jìn)行有限元分析，來(lái)保證設(shè)計(jì)的可靠性。

　　(1)熱分析

　　對(duì)于MEMS封裝設(shè)計(jì)，熱分析是非常重要的。將So1idWorks實(shí)體模型作為起點(diǎn)，COSMOS能對(duì)部件或裝配件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)的熱分析。在網(wǎng)格劃分以后，設(shè)計(jì)人員通過(guò)設(shè)置相關(guān)的約束條件，以及和模型幾何特性相關(guān)的功率或熱融化條件，來(lái)獲得規(guī)定條件下溫度分布的理想預(yù)測(cè)。

　　(2)靜態(tài)分析

　　COSMOS靜態(tài)分析是使設(shè)計(jì)避免即時(shí)災(zāi)難或長(zhǎng)期故障的一個(gè)工具。如圖5的跳水板分析顯示，盡管不大的偏差可以通過(guò)一個(gè)淺的蝕刻(5微米)和一個(gè)薄的Diving Board (1微米)實(shí)現(xiàn)，但是移動(dòng)元件單元中的合成應(yīng)力將導(dǎo)致早期的故障。設(shè)計(jì)人員往往希望通過(guò)分析幾個(gè)排列來(lái)找到最佳的狀態(tài)。

　　(3)靜電分析

　　對(duì)于大多數(shù)MEMS設(shè)備，尤其是那些性能取決于靜電特性的設(shè)備，靜電分析對(duì)于全面預(yù)測(cè)設(shè)備性能是必須的。圖5顯示的簡(jiǎn)單懸臂電子束模型被用來(lái)解決在固定和移動(dòng)單元之間不同電位下的模型電子束偏差。該結(jié)果可被用來(lái)與振動(dòng)和振蕩的結(jié)果配合分析，以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中最優(yōu)化的性能。

　　(4)流動(dòng)過(guò)程分析

　　流動(dòng)過(guò)程分析對(duì)MEMS應(yīng)用非常重要。例如，無(wú)論設(shè)計(jì)者是否試圖解決封裝的熱問(wèn)題，都需要決定哪個(gè)熱交換器具有最好的性能、而當(dāng)設(shè)計(jì)MEMS孔或泵時(shí)，其工作可靠性也直接與流動(dòng)性的處理方式有關(guān)。針對(duì)這方面的應(yīng)用，COSMOSFLoWorks在簡(jiǎn)單明了的界面下提供了高效的流動(dòng)動(dòng)態(tài)分析。

　　8.設(shè)計(jì)再利用

　　SolidWorks提供了大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換形式，SolidWorks數(shù)據(jù)表中有其支持的數(shù)據(jù)格式。設(shè)計(jì)人員在將設(shè)計(jì)由2D CAD向SolidWorks轉(zhuǎn)換時(shí)將感受到新功能的優(yōu)越性，視圖折疊功能可以使遺留的DWG或DXF草圖很容易地導(dǎo)人SolidWorks并有效地創(chuàng)建新的3D模型。一個(gè)專門針對(duì)AutoCAD的輸人向?qū)⒂兄谑罐D(zhuǎn)移過(guò)程更加高效。當(dāng)3D模型遺留的數(shù)據(jù)被導(dǎo)入SolidWorks后，F(xiàn)eatureWorks特征識(shí)別產(chǎn)品(SolidWorks OfEce Professional的一個(gè)插件)將通過(guò)尋找導(dǎo)人數(shù)據(jù)的特征來(lái)進(jìn)一步加速設(shè)計(jì)工作，這些特征包括凸起，孔，肋、板金特征和倒角等。其將被轉(zhuǎn)換成SolidWork:的特征，并被插人SolidWorks Feature Manager特征管理樹(shù)中，使得修改、特征重排序和其他的標(biāo)準(zhǔn)SolidWorks操作更容易實(shí)現(xiàn)。

　　特征模板對(duì)于那些已經(jīng)積累了大量Solidwork零部件文件的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的工具。特征模板工作起來(lái)同常用的SolidWorks文件的"總在上面"的窗口相似，設(shè)計(jì)人員可以方便地將部件直接拖曳到新的設(shè)計(jì)中。在使用者的配置下，通過(guò)遵守一組預(yù)先設(shè)計(jì)好的元素，特征模板可以加快設(shè)計(jì)速度。這些元素可以是新設(shè)計(jì)出來(lái)的，也可以是經(jīng)過(guò)對(duì)遺留數(shù)據(jù)修改得來(lái)的。

　　9.設(shè)計(jì)的易用性

　　MEMS設(shè)計(jì)人員需要而且希望從他們使用的3D CAD軟件中獲得強(qiáng)大的功能，現(xiàn)在，SolidWorks以其出色的易用性獲取了世界范圍內(nèi)的MEMS設(shè)計(jì)人員的青睞。

　　10協(xié)作工具

　　協(xié)作工具為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員更有效地和其他研究隊(duì)伍的成員進(jìn)行協(xié)同工作提供了許多方法。通過(guò)Internet共享設(shè)計(jì)資源，獨(dú)立的設(shè)計(jì)人員可以匯集更多的方案與意見(jiàn)。同時(shí)，SolidWorks提供的協(xié)作工具可使MEMS設(shè)計(jì)師們可以更輕松有效地將2D和3D產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息傳遞給同行、客戶、代理商以及供應(yīng)商。

　　(1) eDrawing Professional簡(jiǎn)化了在一個(gè)龐大產(chǎn)品開(kāi)發(fā)組內(nèi)的2D,3D設(shè)計(jì)信息的傳遞過(guò)程，通過(guò)使用電子郵件使產(chǎn)品設(shè)計(jì)能夠更有效地流通。用戶無(wú)需花錢購(gòu)買標(biāo)注工具就可方便地得到精確的2D和3D模型，讓任何人都能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行觀看、標(biāo)注和測(cè)量Drawings文件提供了一個(gè)有效的手段，使得所有產(chǎn)品發(fā)展過(guò)程中的相關(guān)人員(如客戶賣主、合作方等)可以進(jìn)行2D和3D設(shè)計(jì)資料的通信傳遞。

　　(2) 3D Instant Website可將產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)布}}J一個(gè)有關(guān)3D設(shè)計(jì)的網(wǎng)站上去，并和整個(gè)工作組的成員實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的互通。這些成員包括協(xié)同設(shè)計(jì)人員、制造人員、市場(chǎng)管理人員、代理商和客戶。其他人可以瀏覽、旋轉(zhuǎn)、縮放、評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)師的3D設(shè)計(jì)造型。

　　11.合作伙伴的集成解決方案

　　SolidWorks公司與解決方案合作伙伴聯(lián)手，以提供高級(jí)別的、可擴(kuò)展的解決方案。其中包括有限元分析(FEA)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM}、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)和運(yùn)動(dòng)學(xué)解決方案，這些開(kāi)發(fā)由專業(yè)的公司完成。經(jīng)過(guò)認(rèn)證的金牌產(chǎn)品為SolidWorks提供了友好的界面、簡(jiǎn)化的學(xué)習(xí)和使用方法、擴(kuò)展了高級(jí)功能。所有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的金牌產(chǎn)品提供與SolidWorks集成的單一窗口，它們是完全相互關(guān)聯(lián)的，并且都通過(guò)了由SolidWorks提供的嚴(yán)格的測(cè)試和認(rèn)證過(guò)程，以保證其與各個(gè)SolidWorks版本的兼容性。

　　(1) Elsyca NV市場(chǎng)軟件用于電化學(xué)反應(yīng)的建模。Elsyca為電子工業(yè)提供定制的電化學(xué)沉積作用分析工具，這個(gè)工具可以為硅晶圈上沉積作用過(guò)程中反應(yīng)單元的活動(dòng)建立模型。其中包括沉積電流空間特性在內(nèi)的電化學(xué)單元設(shè)計(jì)評(píng)估。

　　(2) SolidWorks的另一個(gè)合作伙伴一一MEMGen公司使用SolidWorks來(lái)設(shè)計(jì)MEMS設(shè)備。他們?cè)谝患揖A廠為客戶生產(chǎn)設(shè)備時(shí)獲得了使用EFA技術(shù)的獨(dú)有許可。

　　(3) Zaal Solutions公司的CircuitWorks(基于SolidWorks的布線軟件)是經(jīng)過(guò)認(rèn)證的電子導(dǎo)向工具，這個(gè)解決方案可以將二維IDF格式的PCB數(shù)據(jù)和3D組件數(shù)據(jù)合并，用于構(gòu)造完整的PCB裝配3D模型。這些精密的模型最終實(shí)現(xiàn)了最小尺寸、最優(yōu)化封裝的設(shè)計(jì)。

　　(4)運(yùn)動(dòng)分析對(duì)于開(kāi)發(fā)許多要求具有復(fù)雜動(dòng)作的產(chǎn)品(包括許多MEMS設(shè)備)具有很大的幫助。COSMOS(COSMOSMotion)和MotionWorks提供了這方面的分析工具。

　　SolidWorks提供了獨(dú)特的集成度以及多種附加解決方案，這些十分具有價(jià)值的功能甚至超過(guò)了CAD核心產(chǎn)品。這些解決方案在SolidWorks上運(yùn)行，并且可根據(jù)需要隨時(shí)添加。