Виртуальный прототип — это цифровое представление объекта реального мира, включающий программные объекты или модели, которые отображают эти объекты реального мира. При разработке МЭМС-продукции цифровые двойники, т. е. виртуальные макеты (или программные модели МЭМС-устройства) могут быть использованы для демонстрации физического МЭМС-устройства и могут минимизировать физическое прототипирование за счет использования прогнозирующих программных моделей. Эти модели полезны не только на концептуальной стадии проектирования, но и на всех уровнях разработки продукции, таких как проектирование МЭМС-устройств, корпусирование, проектирование ИС и систем. Цифровые двойники обеспечивают более быструю разработку продукта за счет возможности виртуального тестирования продукта и проведения виртуальных экспериментов, а также за счет минимизации изготовления физических прототипов, сокращения разработки и длительных циклов сборки и тестирования.

Методология поэтапной системы управления проектом (Stage-Gate) для разработки МЭМС-продуктов

В МЭМС-индустрии для разработки новых продуктов обычно используется схема поэтапного выполнения проекта на основе методологии гейтовой системы управления проектом (Stage-Gate) [1]. Эта методология состоит из пяти этапов, начиная со стадии концептуальной разработки и технико-экономического обоснования и заканчивая серийным производством (см. рис. 1). Методология может немного отличаться для производителей интегрированных устройств и компаний-разработчиков микросхем, не имеющих собственных производственных фабрик (fabless company), но во всех случаях разработка продукта может перейти на следующий этап только после прохождения «ворот» с четко определенными этапами и критериями успеха.

Рисунок 1: Методология поэтапного выполнения проекта (Stage-Gate) при разработке МЭМС-продукции

Хотя эта методология не является специфичной для разработки МЭМС, одной из особенностей разработки обычных МЭМС-продуктов является то, что циклы разработки являются длительными (исторически, не менее 5 лет). Даже после такой длительности разработки успешный выход годных изделий на основе кремния вовсе не гарантирован. Во многих проектах по разработке МЭМС на этих пяти этапах по-прежнему преобладает подход «построения и тестирования», что приводит к долгим и непредсказуемым циклам разработки. Альтернативой этому подходу является использование цифровых двойников (или прогнозирующих моделей устройств) для "виртуализации" процесса разработки продукта. Эти прогнозирующие модели полезны на всех этапах процесса разработки.

Этап 1 - Концепция и осуществимость

На этапе проверки концепции большинство инженеров-разработчиков МЭМС-устройств используют упрощенную аналитическую модель для исследования идеального поведения разрабатываемого устройства. В исследовательской среде у инженера может быть и рабочее МЭМС-устройство, созданное из кремния, но обычно оно далеко от того, чтобы быть производимым продуктом. Виртуальный макет физического устройства в виде модели, чувствительной к технологическому процессу, позволяет на этом этапе объединить преимущества аналитической модели с ранними экспериментами и испытаниями. С помощью цифрового прототипа можно проверить работоспособность устройства, причем сделать это гораздо быстрее, чем с помощью прототипов, изготовленных на заводе.

Этап 2 - Разработка конструкции

На этапе разработки первоначальный вариант конструкции МЭМС доводится до следующего уровня путем изготовления усовершенствованных прототипов. Разработка технологического процесса, проектирование ИС и разработка корпуса часто улучшаются в параллельном процессе, чтобы создать усовершенствованный прототип МЭМС. Этот этап включает в себя множество итераций проектирования, причем каждая итерация занимает несколько месяцев, поскольку каждый прототип должен быть изготовлен на заводе, а затем полностью охарактеризован. Эти проектные итерации могут быть ускорены путем проведения виртуальных экспериментов (DOE) в рамках прогнозируемой модели МЭМС, что позволяет избежать длительных циклов изготовления и испытаний. Виртуальные эксперименты также дают раннее и важное представление о возможности изготовления МЭМС-устройств. Более того, прогнозируемая модель, чувствительная к технологическому процессу, позволяет проводить исследования, которые невозможны при обычном изготовлении, включая тестирование неограниченного числа изменений конструкции и углубленное изучение сложного поведения устройства. Этот же тип модели можно использовать для исследования влияния корпуса на МЭМС-устройство и совместного проектирования МЭМС и ИС.

Этап 3 - Технологическое проектирование

На этом этапе разработки продукта инженерам необходимо оптимизировать конструкцию и процесс МЭМС, а затем заморозить свою разработку и передать ее в экспериментальное производство. Для этого обычно требуется много коротких циклов изготовления пластин для совместной оптимизации их конструкции и доступной технологии изготовления. Проектирование устройства под существующий технологический процесс может существенно сократить этот этап разработки. Модель МЭМС-устройства, откалиброванная с использованием фактических данных изготовленного устройства, позволяет инженерам изучать технологические особенности и провести анализ чувствительности своей конструкции. Разработка электронных схем считывания обычно происходит параллельно на этапе технологического проектирования с использованием проверенной модели МЭМС-устройства.

Этап 4 - Экспериментальное изготовление

После завершения проектирования и технологического процесса разработка поступает в экспериментальное производство. На этом этапе разработки требуется изготовление огромного количества пластин для изделий. Эти пластины используются для стабилизации процесса и определения приемлемых технологических допусков, которые позволяют максимизировать производительность устройства и выход годной продукции. Цифровые двойники чрезвычайно важны на этом этапе разработки. Прогнозирующие модели процесса могут дать представление о любых компромиссах между вариацией параметров процесса и конечными характеристиками устройства и выходом годной продукции, и таким образом ускорить переход к заключительной стадии изготовления.

Этап 5 - Изготовление

На этом этапе начинается серийное производство продукта. Осуществляется мониторинг качества и отслеживается выход годной продукции и часто измеряются некоторые параметры процесса, чтобы гарантировать, что устройство соответствует спецификациям конечного продукта. На этом этапе любой виртуальный макет должен быть проверен и откалиброван, чтобы обеспечить полное понимание поведения устройства при полной реализации анализа режимов отказов.

CoventorMP^® — это программная платформа, которую можно использовать при разработке МЭМС-продуктов для создания виртуального прототипа реального МЭМС-устройства. С помощью инструментов платформы можно создавать прогнозирующие программные модели, которые важны на всех этапах разработки продукта. Эти модели могут использоваться во время первоначального технико-экономического обоснования, оптимизации проектирования с учетом технологических процессов, а также при совместном проектировании и разработке на уровне системы и корпуса.

Рисунок 2: Виртуальные прототипы, разработанные с помощью CoventorMP®, позволяют проводить первоначальное технико-экономическое обоснование, оптимизацию конструкции с учетом технологического процесса и моделирование на уровне системы

Выводы

Цифровые двойники с прогнозируемыми моделями устройств имеют много преимуществ по сравнению с традиционным подходом к разработке МЭМС по принципу "собери и испытай":

• Более быстрое время разработки
  
  • Циклы изучения, основанные на создании и тестировании, медленные (обычно месяцы). Проектирование экспериментов с использованием цифровых двойников может быть завершено быстро (обычно за несколько часов или дней).

• Более низкая стоимость
  • Использование цифровых двойников позволяет сэкономить на масках, пластинах, лабораторном и инженерном времени. МЭМС модели можно использовать для исследования многих переменных конструкции и технологического процесса, которые было бы слишком дорого исследовать, используя только изготовление пластин.
• Обеспечивает дополнительное понимание разработки устройства
  • Цифровые двойники позволяют проводить исследования, которые невозможны при использовании технологии "собери и испытай", например, исследования с использованием очень больших наборов вариантов конструкции, исследования новых свойств материалов и исследования, позволяющие понять сложное физическое поведение. Эти виртуальные эксперименты и последующий анализ могут способствовать принятию более совершенных решений для улучшения продукции.

• Обеспечивает возможности параллельной разработки
  • Модель МЭМС (или цифровой двойник) можно беспрепятственно использовать в конструкции микросхемы с МЭМС, окружающей ее электроникой и ее корпуса. Это облегчает параллельную разработку каждого из этих компонентов, в отличие от последовательной разработки, требуемой при разработке МЭМС-продуктов по принципу "собери и испытай".

• Уменьшение воздействия на окружающую среду
  • Виртуальные эксперименты производят меньше материальных отходов и расходуют меньше химикатов

Литература:

[1] Fitzgerald A.M., White C.D., Chung C.C. (2021) Stages of MEMS Product Development. In: MEMS Product Development. Microsystems and Nanosystems. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-61709-7_3

Опубликовано Gerold Schropfer 14 декабря 2021 г.

Gerold Schropfer

Dr. Gerold Schröpfer is Technical Director for Europe and for the MEMS business operations worldwide. For the last ten years, Gerold has been responsible for overseeing Coventor’s European MEMS and semiconductor business activities, including the management of R&D programs, industrial and academic partnerships, and external business relationships. Dr. Schröpfer has more than 20 years of relevant experience in MEMS and semiconductor design, process development and EDA product development. Prior to his current position at Coventor, Gerold carried out pioneering work in the design and development of inertial, tire pressure and magnetic sensors at Sensitec and SensoNor (Infineon). Dr. Schröpfer holds a PhD in engineering science from the University of Neuchâtel (Switzerland) and Franche-Comté (France), as well as a degree in physics from the University of Giessen (Germany).