使用工艺和设计创建3D实体模型

什么是3D实体建模

你肯定听说过“3D实体建模”。这个术语最早起源于验证工程界，现在已经变得几乎无处不在。娱乐媒体、3D打印、甚至家装设计等主流行业如今都开始用这个词，这几乎成了我们这个时代的象征之一。工程界对3D实体建模有一个集体的理解，这往往不同于该术语的主流用法。3D实体建模不仅仅是物体的虚拟呈现，看起来很神奇并且可以使用3D打印机生产。对于大多数工程师来说，3D实体建模是有限元分析 (FEA, Finite Element Analysis) 的途径。

有限元分析是对一个系统的数值分析，为了方便分析，该系统被分解成许多小的、基本的部件（有限元）。利用有限元，工程师可以通过将大系统转化为多个小部件（或方程组）来理解一个大而复杂的系统。有限元分析软件可以为每一个较小的部件生成相对简单的方程，然后像拼图一样，通过重构较小的部分求解出大系统的完整解决方案。

因为有限元分析从计算上来说比较“昂贵”，用于有限元分析的3D实体模型必须平衡好几何保真度（对真实结构）的需求与仿真的难度和时间。为了进行精确且成本合理的有限元仿真，工程师需要仔细将他们的3D实体模型进行“网格化”。

如何为有限元分析的MEMS设计

建立3D实体模型

找一个软件来生成实体模型很容易，也有能实现物体3D虚拟呈现的软件。商业软件供应商提供的3D实体建模工具的设计考虑到了工程界人士的需求。设计师可以使用这些工具从草图开始构建3D几何体，或从一组基本构建块（立方体、球体、棱柱体等）构建完整模型。这些软件包有非常丰富的库，内含可以加快创建及其复杂虚拟系统的实体建模特征。但是这些软件包适合设计MEMS器件吗？

MEMS器件不像大多数真实世界的结构。MEMS器件在结构的整体尺寸（毫米量级）和最小特征的尺寸（通常微米量级）之间存在巨大的深宽比差异。MEMS设计往往还包括很多几何部件，这些部件用于模拟重复的几何体，如刻蚀释放孔或梳状转子和定子，即使使用最精密的3D实体建模软件引擎重建MEMS设计都非常具有挑战性。此外，MEMS的制造和IC芯片一样，MEMS设计人员必须考虑到一些可能对于其他学科的工程师并不重要的复杂问题，例如光刻分辨率、沉积均匀度和非正交侧壁刻蚀等。因此，理想的MEMS设计需要专门的3D建模和有限元分析工具。

从设计和工艺到3D实体模型

假设我们有了下一代MEMS传感器的想法。为了高效地确定我们想法的可行性，我们需要创建一个3D实体模型，用FEA进行分析。我们应该怎么做呢？使用与这种传感器的构建方式相匹配的方法自然会得到一个解决方案。

例如，我们想要建立一个商业MEMS惯性传感器的3D实体模型（如图1）：

图1：ST微系统陀螺仪的俯视图（来源：TechInsights）

MEMS常常在设计中被概念化，使用2D来代表3D结构。图1所示的MEMS器件的设计档案示例如下方图2所示。2D设计档案（或设计几何图形）最终用于创建制造掩膜，在器件制造过程中将沉积的薄膜图形化。构建这个2D设计档案需要大量的时间，理想情况下，我们希望利用这段时间来生成我们的3D实体模型。如果我们也有一个制造步骤列表，能从初始设计“构建”MEMS器件，那么2D设计档案就可以生成所需MEMS器件的3D模型。

图2：ST陀螺仪的设计图（使用TechInsights teardown的反向工程）

和CMOS芯片一样，MEMS的制造是基于晶圆的。在MEMS制造中不使用标准机械产品常见的铸造、成形、压制或其他制造工艺。MEMS制造涉及薄膜表面工艺和体微加工等工艺。这些工艺还包括在基板（如硅晶圆）上沉积材料所需的步骤和使用制造掩膜图形化沉积的减成刻蚀步骤。工艺说明类似于配方，规定了适当的沉积厚度、光刻掩膜、刻蚀深度和其他步骤。

比起使用标准的3D实体建模软件费力地重新生成MEMS器件的2D呈现，更有效的解决方案是简单地使用2D设计几何档案和工艺配方直接创建我们的3D模型。这个解决方案不仅更快，而且消除了转换中无意间出错的可能性，确保我们的3D模型与实际掩膜数据的最高保真和匹配度。2D设计档案和工艺说明的结合带来了制造设施所产器件的3D虚拟呈现（图3）。

图3：由设计和工艺说明实现的3D实体模型

这个3D实体模型是后续有限元分析的切入点，可以用来研究我们设计的可行性。

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结语

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有限元分析被广泛认为是包括MEMS设计在内的工程设计中必不可少的组成部分。为了进行高效准确的有限元仿真，首先需要创建合适的3D实体模型。目前有多种商用CAD软件系统用于建立3D模型，这些3D模型可用于后续的有限元分析。然而，由于MEMS和半导体行业中所需的独特几何要求和制造技术，将通用的实体建模软件用于MEMS和半导体行业非常困难、低效、进而昂贵。工程师需要一种与MEMS和半导体行业使用的设计和制造方法一致的3D实体建模选项。CoventorMP就是这样一款软件，可以利用现有的2D设计档案和制造工艺说明，创建适合有限元分析的3D实体模型。

审核编辑 ：李倩