Тепловое, механическое и электромагнитное моделирование

Тепловое и механическое моделирование задач любой сложности

Тепловое и механическое моделирование требуется для оптимизации работы устройств от уровня приборов наноэлектроники до объектов с характерным размером десятки метров.

Расчёты позволят до этапа изготовления и эксперимента определить слабые места конструкции, подверженные нагреву, механическому стрессу, сильной деформации. Это позволяет сократить несколько итераций изготовлений и экспериментов прибора, а, значит, также время и цену изготовления.

Мы используем современные программы численного моделирования. Наши возможности:

  • Воспроизводить исследуемый макет в виде параметризованной модели в широком спектре интерфейсов программ численного моделирования;
  • корректно задавать граничные условия, условия внешней среды, внешние нагрузки и внутренние контакты для тепловых и механических задач;
  • определять тепловые и механические параметры материалов, составляющих исследуемый объект;
  • решать согласованные электро-тепло-механические задачи устройств различной сложности;
  • проводить оптимизацию геометрии исследуемого макета и системы охлаждения для увеличения надёжности прибора;
  • определение влияния механических деформаций на электрические характеристики прибора.

Электромеханический анализ

Рассмотрим решение электромеханической задачи на примере ВЧ МЭМС переключателя.

  • Расчет величины управляющего напряжения
  • Расчет времени переключения
  • Расчет деформации подвижной части конструкции и величины электрической емкости

При разработке ВЧ МЭМС переключателя требуется решение совместной задачи прочности и электростатики. Рассчитывается геометрия подвижной части конструкции переключателя, которая обеспечит устойчивый контакт с сигнальной линией при желаемом значении активационного напряжения, и в то же время не приведет к контакту с активационным электродом.

Моделирование электростатической активации ВЧ МЭМС переключателей представляет собой расчет напряженно-деформированного состояния под действием электростатической силы, возникающей между металлизированной мембраной и неподвижным электродом, расположенным под мембраной, на который подается постоянное напряжение.

Расчет осложняется тем, что электростатическая сила зависит от расстояния между электродами, то есть задача нелинейна. Кроме того, при сокращении расстояния между электродами до нуля, сила обращается в бесконечность. Эти сложности разрешимы при правильном использовании инструментов численного моделирования в специализированных САПР.

Тепловое моделирование

Решение задач теплообмена является крайне важным при проектировании практически любых устройств. В изделиях электронной техники температурное распределение в сложных компонентах важно учитывать и моделировать еще на самых ранних стадиях разработки конструкции, так как решения, принятые с учетом температурных эффектов, позволяют значительно увеличить эффективность и уменьшить конечную стоимость изделия.

Для решения задач теплообмена используются специальные модули САПР для моделирования, позволяющие рассчитывать распределения температуры и тепловых потоков как в статической, так и в динамической постановке.

Тепловое моделирование чаще всего применяется как часть более сложных междисциплинарных задач. Например, в задачах, связанных с электрическими цепями, рассчитывают распределение электрического поля, а затем определяют температуры. Полученные в результате моделирования распределения температур в свою очередь могут быть начальными данными для прочностной задачи – расчета деформаций, обусловленных тепловыми нагрузками.

Мы умеем:

  • Получать распределение температур в зависимости от внешних воздействий
  • Учитывать в расчетах конвекцию и излучение
  • Оценивать тепловые деформации конструкции
  • Моделировать нагревание в электрических цепях

Примеры работ

Моделирование flip-chip теплоотвода для силового транзистора

Задача теплового моделирования заключается в оценке нагрева конструкции. Малые размеры ВЧ МЭМС элементов в сочетании с высокими мощностями СВЧ сигнала предполагают высокие плотности рассеиваемой энергии. Это может привести к сильному нагреву переключателя и подложки, что влияет на характеристики используемых материалов.

Тепловое моделирование ВЧ МЭМС переключателя

Тепловое моделирование необходимо проводить в зависимости от геометрических параметров устройства и коммутируемой мощности в открытом и закрытом состоянии. В результате получается картина распределения тепла, благодаря которой можно выделить наиболее подверженные сильному нагреву узлы конструкции.

Моделирование СВЧ характеристик

Мы умеем

  • Решать задачи электромагнитной совместимости устройств
  • Рассчитывать электромагнитные поля, токи и распределения зарядов
  • Получать и анализировать S-параметры
  • Проводить гармонический анализ

Основная цель моделирования прохождения СВЧ сигнала через ВЧ МЭМС переключатель заключается в достижении минимальных вносимых потерь в замкнутом состоянии.

  • Вычисление матричных параметров структуры (S, Y, Z)
  • Расчет параметров излучения и рассеяния
  • Распределение электромагнитных полей
  • Распределение токов, векторов плотности потока мощности, поверхностных потерь