【李家同】為台灣加油打氣專欄(219)工程模擬軟體的應用

張貼者:2020年10月22日 下午7:41台灣精密工程學會

以下我們要介紹工業界所使用的工程模擬軟體,這種軟體可以進行流體、熱、機械結構、電磁場模擬,如果沒有這種工程模擬軟體,工程師要花很多時間做實驗,如果實驗結果不如預期,就要調整參數重新再來,除了要花很多時間,也會造成成本提高。

 

我們舉三個例子來說明工程模擬軟體的功用。

 

1.光阻劑塗佈模擬

 

在半導體與電子工業中,光阻劑的塗佈是一道非常重要的手續,如果光阻劑分佈不均勻,在曝光時就會有嚴重的問題,但是要如何讓光阻劑分佈均勻,往往需要工程師做非常多的實驗,請看圖一。


圖一、光阻劑塗佈

 

    我們要將光阻塗佈到晶圓上,光阻劑會經由奈米噴頭噴出,下方的晶圓會旋轉,這個旋轉的速度可以由馬達來控制。在這個過程中,有很多可以改變的參數,包括奈米噴頭的大小、水平位置、與晶圓的距離、光阻劑噴出的流速、光阻劑的濃度、晶圓旋轉的速度,只要其中一個參數改變了,就會產生不同的結果。

 

    在過去,工程師要花很多時間,一次又一次的做實驗來找到最佳的製程參數,使得光阻劑分佈得很均勻,而且要使用最少的光阻劑來達成我們想要的效果。現在,半導體工業界已經開始使用工程模擬軟體來模擬光阻劑塗佈的過程,對於軟體來說,光阻劑也是一種液體,因此可以利用流體力學的模擬軟體來模擬光阻劑塗佈的過程,工程師可以在軟體中改變各種參數,就可以模擬出光阻塗佈的結果,不需要每一次都做實驗,因此可以節省大量的時間和成本。

 

2.馬達電磁場、噪音與散熱模擬

 

通常我們認為一個好的馬達,要具有高效率、低噪音、壽命長、發熱程度較低等特點。

 

馬達的效率公式如下:


輸入功率代表我們提供給馬達的電源,輸出功率代表馬達轉動的能力,我們都希望馬達的效率越接近100%越好,代表能源使用的效率很高,只有很少的能源被浪費掉。

 

馬達的轉動是由電磁場來推動的,假如電磁場的分佈設計得不好,馬達的效率就會不好。舉例來說,馬達裡面有鐵心,假如電磁場的分佈設計的不好,會在鐵心內部產生渦流,進而產生渦損,也就是鐵心裡面的磁場變化會使得馬達發熱。我們都知道能量守恆定律,有熱產生,就表示有些能量變成熱了,那麼這個馬達的效率就差了。因此工程師對於電磁場的分佈,就要非常的注意,往往也要做很多實驗。

 

現在,工業界已經可以使用電磁場模擬軟體來模擬馬達的電磁場,在軟體裡面就可以改變馬達的設計,然後藉由模擬來得到電磁場的分佈,以及馬達發熱的程度,也可以用熱流模擬軟體來模擬馬達的散熱,請看圖二。

 

 

圖二、馬達溫度分析

 

在軟體中,工程師可以找出馬達中比較容易發熱的位置,然後修改馬達的幾何設計,讓馬達的發熱更均勻,也可以加入散熱的設計,讓熱更快的被散出去。

 

馬達在運轉的時候一定會產生振動,機械會彼此碰撞,因此產生噪音,好的馬達應該是比較安靜的。工程師可以在工程模擬軟體中建立馬達的幾何結構,透過力學的模擬,可以知道馬達在運轉的時候不同位置的振動情況,然後修改幾何結構來改善噪音問題。

 

歐盟採用全世界最高的馬達效率標準,所有要在歐盟國家銷售的馬達,效率必須達到80~90%,過去我國的馬達效率只有30%,現在我們也做得出效率80~90%的馬達了,這一切要感謝我們的工程師默默的努力。

 

3.化學氣相沉積模擬

 

    在半導體製程中,經常需要產生薄膜,產生薄膜的方法稱為化學氣相沉積法 (Chemical Vapor Deposition),請看圖二。

 

圖二、化學氣相沉積

 

    我們想要在晶圓上長成一層特殊材料的薄膜,會將氣體送入一個腔體中,氣體在腔體內會被加熱,然後和晶圓上面的材料發生化學反應,在晶圓上產生一層薄膜,下方的抽氣幫浦會將殘餘的氣體抽出。

 

    但是在半導體工廠中發現,這些化學材料經常會沉積在腔體的底部,這是我們不希望發生的事。因此,我們的工程師使用了流體模擬軟體,將化學氣相沉積的過程在軟體中進行模擬,透過分析流體的流動,他們找出了材料沉積的原因,也想到了解決的方法。

 

    要用工程模擬軟體來解決實際的問題,並不是容易的事,他們聘請了相當多有基礎物理知識的工程師來解決這些問題,他們也必須懂得如何開發所需要的軟體。

 

從上面的三個例子我們可以看出,假如工程師對於流體力學、電磁學等基礎科學完全不了解,是不可能知道如何解決這些問題的。我們該慶幸國家還是有許多懂得在基礎科學上下功夫的工程師。

 

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