解决方案
SOLUTION
时间： 2023-02-10
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数字孪生是现实世界项目的数字表示，包括代表这些现实世界项目的软件对象或模型。在 MEMS 产品开发中，数字孪生（或 MEMS 设备的软件模型）可用于表示物理 MEMS 设备，并可通过使用预测软件模型最大限度地减少物理原型制作。这些模型不仅在设计的概念阶段很有价值，而且在 MEMS 设备设计、封装、IC 设计和系统设计等产品开发的各个阶段都很有价值。数字孪生通过支持虚拟产品测试和实验，并通过最大限度地减少物理原型、顺序开发和较长的构建和测试周期来实现更快的产品开发。
MEMS 行业通常采用阶段门方法 [1] 来开发新产品。该方法由五个阶段组成，从概念和可行性阶段开始，到批量生产结束（见图 1）。对于集成设备制造商和无晶圆厂公司而言，方法可能看起来略有不同，但在所有情况下，只有通过具有明确定义的里程碑和成功标准的“大门”后，产品开发才能进入下一阶段。
图 1：MEMS 产品开发期间的 Stage-Gate 方法
虽然这种方法并不特定于 MEMS 设计，但传统 MEMS 产品开发的一个特点是开发周期很长（历史上至少为 5 年），即使在这段时间之后，也无法保证硅片的成功良率。
在许多 MEMS 开发项目中，这五个阶段继续以“构建和测试”方法为主，导致开发周期长且不可预测。这种方法的替代方法是使用数字孪生（或预测设备模型）来“虚拟化”产品开发过程。这些预测模型在开发过程的所有阶段都很有价值。
在概念验证阶段，大多数 MEMS 工程师使用简化的分析模型来研究其设备的理想行为。在研究环境中，工程师可能还有一个用硅构建的工作 MEMS 设备，但它通常远非可制造的产品。数字双胞胎以过程敏感模型的形式出现，能够在此阶段将分析模型的优势与早期实验和测试相结合。数字原型可以验证概念验证设备，而且比使用工厂生产的原型要快得多。
在设计开发阶段，MEMS 设计的初始版本通过高级原型的生产提升到一个新的水平。工艺流程开发、IC 设计和封装设计通常在并行过程中进行改进，以创建先进的 MEMS 原型。这个阶段包括许多设计迭代，每个设计迭代都需要几个月的时间，因为每个原型都必须在晶圆厂中构建，然后进行全面表征。这些设计迭代可以通过在预测性 MEMS 模型中运行虚拟“实验设计”(DOE) 来加速，从而避免冗长的制造和测试周期。虚拟实验还提供了对 MEMS 设备可制造性的早期重要洞察。此外，预测过程敏感模型允许进行在正常制造过程中不可能进行的调查，包括无限数量的设计排列测试和复杂设备行为的深入探索。同一类型的模型也可用于研究封装对 MEMS 器件的影响并执行初始 MEMS 和 IC 协同设计。
在产品开发的这个阶段，工程师需要优化 MEMS 设计和工艺，然后冻结他们的设计并将其传递给试生产。这通常需要许多短的晶圆制造循环来共同优化他们的设计和可用的制造技术。将设备设计到既定的制造过程中可以大大缩短这个开发阶段。MEMS 设备模型一旦用制造设备的实际数据进行校准，就可以让工程师研究工艺角并对其设计进行灵敏度分析。电子读出电路的开发通常在技术工程阶段并行进行，使用经过验证的 MEMS 设备模型。
一旦设计和工艺流程最终确定，开发就会进入试生产阶段。这一发展阶段需要制造大量的产品晶圆。这些晶圆用于稳定工艺并确定可接受的工艺公差，从而最大限度地提高设备性能和产量。数字孪生在这个发展阶段非常有价值。预测过程模型可以深入了解过程参数可变性和最终设备性能和产量之间的任何权衡，从而加速向生产最后阶段的过渡。
图 2：使用 CoventorMP® 开发的数字孪生支持初步可行性研究、过程敏感设计优化和系统级仿真
与传统的“构建和测试”MEMS 开发方法相比，具有预测设备模型的数字孪生具有许多优势：
更快的开发时间
基于构建和测试的学习周期很慢（通常为数月）。使用数字孪生的实验设计可以快速完成（通常为数小时或数天）
更低的花费
使用数字孪生有望节省掩模、晶圆、实验室时间和工程时间。MEMS 模型可用于探索许多设计和工艺变量，如果仅使用晶圆制造来探索这些变量成本太高。
提供额外的洞察力
数字孪生使使用“构建和测试”制造无法进行的调查成为可能，例如利用大量设计排列的研究、新材料特性的研究以及提供对复杂物理行为的洞察力的研究。这些虚拟实验和随后的理解可以改进产品决策。
启用并发开发功能
MEMS 模型（或数字双胞胎）可以无缝地用于 MEMS 芯片、其周围电子设备及其封装的设计中。这有助于并行开发这些组件中的每一个，而不是使用“构建和测试”MEMS 产品开发所需的顺序开发。
改善环境足迹
虚拟实验产生更少的材料浪费并使用更少的化学耗材
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