Simcenter如何帮助中国破局半导体行业发展？

2021上半年，中国的经济得到了强劲的复苏，据国家统计局发布的数据，全国第一季度GDP同比增长18%，刚过去的“史上最热五一黄金周”也给了国人强大的发展信心。但是随着中美贸易战的加剧，中国经济未来的提升更需要加强工业的创新和发展。科技日报曾经列举了被美国“卡脖子”的清单，主要列举了目前中国科技发展急需提升的25类产品，其中高端光刻机排第一位，然后就是芯片，而这两类产品，是半导体乃至电子行业不能跨越的鸿沟，是必不可少的基础。
最近有篇新闻文章，标题叫“芯”病还需“新”药医，多部委力破芯片“卡脖子”问题，其中提到几点，包括蔚来汽车、大众汽车等多家汽车厂商因为芯片短缺将暂停生产，同时也提到中国已经成为全球最大的集成电路市场，所需的芯片又大量依赖进口，芯片短缺对国内电子行业带来不利影响。SEMI统计的全球半导体市场评估报告中我们可以清晰地看到，整个中国半导体市场已经达到将近300亿美元，几乎占据全球一半的市场，特别是中国大陆，短短四年时间，半导体市场体量翻了三倍多。

芯片制造的整个流程是一个从沙到芯片的过程，沙子经过熔融提纯形成单晶硅，然后对单晶硅锭进行切片，再经多次的光刻、蚀刻、成型，最终制成晶圆。整个过程中需使用很多半导体制造设备，同时生产工艺参数对半导体制造的质量非常关键。比如单晶炉的温度控制对单晶硅的融化和提纯有很大的影响；浸没式光刻过程中，保护气和液态气泡都会影响光刻质量；蚀刻过程中的清洗，光刻机微动台、掩膜台的振动，设备的可靠性和工艺参数都直接影响晶圆的质量。在半导体封装设计和制造中往往会涉及到电磁场、热、结构力学等各种学科的物理现象，需要对设计的产品进行虚拟验证和优化；设计完成后还需要对产品进行打样，进行半导体的热测试，通过结构函数测定、瞬态热阻测试和结温测量，再次验证实际产品的可靠性。

根据半导体制造的整个流程，半导体行业可以分成半导体制造装备和半导体封装的设计与测试两部分，针对这两部分Simcenter都能够做什么？

首先是半导体制造装备，按照装备的设计和芯片加工制造的过程，我们可以从四个方面来考虑跟仿真相关的应用：

• 硅片生产：在主要的工艺提纯过程中，单晶直径在生长过程中可受到温度，提拉速度与转速，坩埚跟踪速度与转速，保护气体的流速等因素的影响，利用Simcenter STAR-CCM+实现温度和保护气流速等热流仿真来模拟工艺过程；

• 晶圆加工：需要用到大量的仿真分析，整流装置、光刻、蚀刻、化学气相沉积、清洗等工艺过程都可以通过Simcenter STAR-CCM+进行仿真模拟；

   

• 半导体制造装备机械设计：半导体制造装备同样需要考虑传统的结构强度刚度问题，光刻机还需要考虑部件的运动问题、振动问题，蚀刻设备和浸没式光刻还需要考虑密封问题，这些问题可以利用Simcenter 3D来进行仿真模拟；

   

• 光刻机、蚀刻机整机装备系统：半导体制造装备一个复杂的系统，可以通过Simcenter Amesim来进行多领域的系统仿真模拟。

其次是半导体封装的设计与测试部分，同样可以根据整个设计流程分为三个方面：

• 半导体封装和PCB设计：采用西门子的EDA解决方案可以帮助客户完成电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程；

   

• IC封装设计的流程：首要考虑热设计问题，通过Simcenter Flotherm、Simcenter Flotherm XT和Simcenter FloEFD来进行热仿真模拟，然后通过Simcenter 3D的结构分析、疲劳分析，来模拟IC封装的结构热变形、热应力和热疲劳，如果是机载和车载的应用，还需要考虑振动问题。

   

• 封装热测试：最后通过Simcenter T3ster进行热测试，热测试和热仿真之间可以做仿真与测试协同，进行仿真模型的自动校准。

   

半导体制造装备涉及到多学科的应用，这里列举了几个典型应用：工艺仿真方面，浸没式光刻过程中保护气的正确分布，可以防止晶片表面免受污染，比如避免氧化反应；光刻过程中，镜头和硅片之间的空间浸泡在液体之中，液滴的形状以及液滴中是否会产生气泡，会影响光刻的质量，其他还有CVD设备喷淋清洗仿真、化学气相沉积、湿法蚀刻等一系列工艺，这里都利用了Simcenter STAR-CCM+来模拟工艺过程；另外对于光刻机的工作台的运动过程以及运动产生的振动，这里就可以利用Simcenter 3D的结构仿真来模拟；整个光刻机设备系统，这里利用Simcenter Amesim来优化保护气系统的混合比和液冷系统。

半导体芯片设计过程中，需要考虑热设计和结构设计，可以利用Simcenter Flotherm或者Simcenter FloEFD来进行热仿真，评估结温是否超过设计要求，进而利用Simcenter 3D，要考虑封装的热应力热变形、蠕变和热疲劳，查看封装部件，特别是焊锡层是否会因为温度和反复加载造成结构的损坏和失效。对于焊球阵列封装，焊球的阵列数量对导热和性能的影响，可以利用Simcenter Flotherm、Simcenter 3D和HEEDS相结合，通过多学科的设计空间探索，自动对焊球数量和尺寸进行优化，如果芯片或者PCB用在汽车或者航空航天，还需要考虑振动问题，利用Simcenter 3D动力学响应仿真来了解产品的动态性能。设计好的封装产品，最后会利用热测试工具进行抽检或者全检，利用Simcenter Micred的相关产品能够对样品或者最终产品进行热测试，同时可以将热测试的结果对仿真模型进行自动校准，来提升仿真的模型精度和计算结果。

国内也有很多的半导体设备制造商和半导体设计制造企业，虽然目前他们的产品水平跟国外顶尖公司相比存在一定的差距，然而在国家大力扶持和国外技术封锁的大环境下，相信我们的国内企业一定会励精图治，在研发和创新方面努力解决目前的发展瓶颈，实现科技创新的“弯道超车”。Simcenter仿真与测试相结合的性能验证平台，不管是半导体制造装备的工艺和结构的改进，还是半导体芯片设计的创新和优化，都提供了全面的性能验证和优化的解决方案，能够帮助我们的半导体制造企业实现技术突破，掌握核心科技。