利用EMA3D Charge預(yù)測帶電等離子體行為

現(xiàn)代生活的電氣化趨勢繼續(xù)影響著我們生活的方方面面，包括消費電子、汽車、航空航天等領(lǐng)域新產(chǎn)品的開發(fā)。

無論當(dāng)今制造產(chǎn)品的尺寸或范圍如何變化，工程師、產(chǎn)品開發(fā)人員和設(shè)計人員面臨的主要挑戰(zhàn)在所有電路和電子系統(tǒng)設(shè)計中都是一樣的。為了確保產(chǎn)品的成功、安全性和連接性，開發(fā)團(tuán)隊必須考慮電磁干擾 （EMI）、靜電荷積累和靜電放電 （ESD） 對電子元件造成的危害。

帶電粒子及其非線性放電特性特別難以準(zhǔn)確建模和模擬。 Ansys EMA3D Charge通過Particle-In-Cell（PIC）求解器技術(shù)提供仿真和預(yù)測帶電等離子體行為所需的功能。

Particle-In-Cell求解器的數(shù)值方法

EMA3D Charge中集成的數(shù)值方法和求解器技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地模擬僅使用解析方程無法建模的電磁現(xiàn)象。

特別是，PIC 求解器技術(shù)可以跟蹤數(shù)值網(wǎng)格中的粒子。為了提高效率，求解器不是跟蹤單個粒子，而是跟蹤統(tǒng)計上占明顯數(shù)量的大粒子，并同時支持多個帶電粒子種類。

這一切意味著什么？等離子體是易受電磁能量影響的帶電粒子的集合。這種等離子體可以由空氣分子的電離產(chǎn)生，也可以由太陽輻射產(chǎn)生。等離子體也可能由突然、不穩(wěn)定和意外爆發(fā)的靜電放電產(chǎn)生，用數(shù)學(xué)術(shù)語來說，靜電放電明顯是非線性的。

通過使用 EMA3D Charge 的并行 PIC 求解器進(jìn)行仿真，您可以準(zhǔn)確快速地可視化、預(yù)測和監(jiān)測等離子體行為。您不僅可以顯著節(jié)省當(dāng)前項目的時間和成本，還可以通過虛擬原型制作、預(yù)測準(zhǔn)確性和 EM 建模更好地準(zhǔn)備和設(shè)計未來的產(chǎn)品。您還可以對同一物種的粒子之間或不同物種之間的碰撞進(jìn)行建模。

此外，PIC 求解器與電動力學(xué)全波有限元法 （FEM） 求解器完全耦合，使粒子能夠與 EM 場相互作用，反之亦然，EM 場可以根據(jù)動態(tài)等離子體分布進(jìn)行更新。

由于等離子體動力學(xué)發(fā)生在非常短的時間尺度上，但需要更長的時間尺度來捕獲材料對等離子體的響應(yīng)，因此通常使用兩種方法來根據(jù)等離子體分布更新空間電荷分布。一種方法涉及分析計算，它使用非線性或氣壓空間電荷模型。第二種方法依賴于大顆粒的3D分布。根據(jù)兩種方法的結(jié)果，計算麥克斯韋方程組以更新空間電荷分布中的場。

接下來，PIC 和 FEM 求解器可以耦合到邊界元法 （BEM）。此功能允許來自 PIC 求解器的大顆粒被材料吸收，并使 BEM 求解器更新表面電荷和電位。然后，BEM 的電位用作 FEM 的邊界條件，以便相應(yīng)地更新 EM 場。

BEM 還用于跟蹤二次電子、背散射電子和光電子。然而，PIC 求解器可以方便地將這些 2eV 粒子以大粒子的形式直接添加到材料表面附近。實現(xiàn)邊界條件以替換或反射問題空間的問題邊界處的等離子體。

空間模擬

擔(dān)心來自太陽的電離輻射會損壞您的航天器？PIC 求解器技術(shù)涵蓋了 EMI 和輻射電離效應(yīng)的建模功能。

航天器表面電荷使用BEM方法建模，該方法使用等離子體與材料表面相互作用的分析描述。例如，通過等離子體移動的航天器在航天器前部和后部之間的差分電荷中起著重要作用。

等離子體尾流是航天器后面的低密度區(qū)域，需要為碎片捕獲應(yīng)用或?qū)永探＃⑶疫@種尾流只能在3D中精確建模。此外，等離子體護(hù)套在平衡時在表面附近形成。等離子體護(hù)套是屏蔽電場并因此改變表面電荷的邊界區(qū)域。

這些現(xiàn)象學(xué)效應(yīng)是等離子體與環(huán)境場相互作用的結(jié)果，僅在BEM方法中近似，該方法在計算低地球軌道（LEO）或行星際軌道中相對低能量，致密等離子體的能力有限。

然而，使用 PIC 和 3D 電動求解器技術(shù)進(jìn)行表面充電可以對任何軌道上的表面水平進(jìn)行預(yù)測性的準(zhǔn)確模擬。

為了進(jìn)一步優(yōu)化仿真，與Ansys系統(tǒng)工具包（STK）的集成使您能夠創(chuàng)建多域場景，以便在真實的任務(wù)環(huán)境中可視化您的產(chǎn)品或項目。

逐個粒子的半導(dǎo)體仿真

等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 （PE-CVD） 和等離子體刻蝕是利用多物理場進(jìn)行半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的實驗性技術(shù)。

PE-CVD明確地處理材料在晶圓表面上的沉積，例如薄涂層。將具有自由基的化學(xué)物質(zhì)放置在晶片表面，然后將晶片置于等離子體室中。等離子體可以通過驅(qū)動射頻（RF）源從環(huán)境氣體中產(chǎn)生。等離子體中的離子與晶片表面相互作用，與自由基的相互作用產(chǎn)生副產(chǎn)物。環(huán)境氣體的流入和副產(chǎn)物的流出通過控制氣體環(huán)境流量的閥門進(jìn)行處理。

此時，需要各種工程學(xué)科來正確建模過程。需要流體力學(xué)來模擬腔室中的氣體運動;需要電磁學(xué)來模擬射頻源以及與等離子體的場相互作用;需要等離子體物理來生成和跟蹤晶圓附近的等離子體動力學(xué);晶圓表面離子的相互作用需要化學(xué)反應(yīng)。EMA3D Charge中的PIC求解器與其全波有限元求解器以及額外的Ansys多物理場仿真工具相結(jié)合，彌合了整個過程中的差距，并有效地將等離子體現(xiàn)象與電磁場聯(lián)系起來。

然而，另一個挑戰(zhàn)出現(xiàn)了，因為沉積速率在很大程度上依賴于等離子體中的離子與晶圓表面之間的碰撞速率。為了解決這種模擬，PIC模擬了一個物種內(nèi)和多個物種之間的相對論碰撞。PIC產(chǎn)生的等離子體分布產(chǎn)生由FEM捕獲的電磁場，這對于解決對沉積速率至關(guān)重要的等離子體護(hù)套的產(chǎn)生是必要的。

要完成PE-CVD工作流程，只需將PIC和FEM求解器技術(shù)集成到Ansys Fluent和Ansys Chemkin-Pro中? ，即可分別采用計算流體動力學(xué)（CFD）和化學(xué)仿真。兩個求解器之間的協(xié)同仿真將利用Ansys系統(tǒng)耦合2.0生成全面的仿真

粒子仿真中的多工具協(xié)同

通過使用 PIC 求解器技術(shù)，您可以在物理級別（將 EMA3D
Charge 與 Fluent 或 Chemkin-Pro耦合）以及用戶界面和工作流程級別（將軟件集成到 STK 中）體驗深度集成。

EMA3D Charge還可以與Ansys Rocky粒子動力學(xué)仿真軟件或Ansys EMA3D電纜集成，以探索更多基于物理場的仿真。同樣，要像在STK中一樣在真實環(huán)境中可視化項目，您可以將EMA3D Charge與Ansys ?Discovery 3D仿真軟件或Ansys ModelCenter基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）平臺結(jié)合使用。

使用 EMA3D Charge，您可以體驗更全面的物理場解決方案，其中求解器經(jīng)過單獨審查，使用數(shù)值方法進(jìn)行開發(fā)和優(yōu)化，并通過系統(tǒng)耦合 2.0 進(jìn)行配對。因此，簡化的工作流程加快了從設(shè)置到完成的仿真運行時間。