案例研究
「模擬投資報酬的實際數字會依據專案與其複雜程度而異。然而，大致而言，我們能縮短約 70% 的上市時間並節省 40% 的成本。」
— Vittorio Cuoco，Ampleon 資深首席工程師
荷蘭半導體公司 Ampleon 專精於射頻 (RF) 功率產品已近 60 年，這些產品在尺寸日益縮小的同時，複雜性也持續增加。該公司的願景是透過創新的射頻解決方案推動社會進步，包括分離式元件、單晶微波積體電路 (MMIC)、橫向擴散金屬氧化物半導體 (LDMOS) 技術與氮化鎵 (GaN) 裝置等。
挑戰
由於產品種類豐富，其應用頻率涵蓋從數十赫茲的廣播用途到數千兆赫的 4G 與 5G 基礎設施市場。根據應用情境，這些產品的輸出功率涵蓋從數瓦特到數千瓦。
為了達成這些功率水準，需將多個大型晶粒整合在單一個封裝中。這些晶粒可能是單一電晶體，也可能是整合式 MMIC 放大器。它們會與其他元件 (例如大型金屬氧化物 MOS 電容器)，一起整合至封裝中。這些元件的目的是在封裝內進行阻抗轉換與匹配。晶粒與額外元件之間會透過焊線連接，這些焊線同時也用來連接晶粒與封裝引腳，進而與外部零件相連。
這些焊線不僅會用於連接，它們本身也是設計元件，是阻抗轉換與匹配的一部分。因此，準確預測其多物理行為以及與晶粒與封裝引腳之間的交互作用，是最佳化元件效能的關鍵挑戰。
此外，尺寸縮小的需求使得眾多元件必須被擠進有限空間中，這會導致溫度升高。 確保高溫與相關機械應力水準維持在可靠性限制以內，實為一大挑戰。
在 Ampleon 的電磁與多物理設計流程中，首先會在電路圖層級執行一階模擬，然後使用 Ansys RaptorX™ 對生成的佈局進行模擬，以產出新的 S 參數區塊供接下來的電路模擬使用。該佈局會匯入 Ansys Electronics Desktop™，以進行 Ansys Mechanical™ 的系統層級多物理模擬。
工程解決方案
Ampleon 的工程師使用 Ansys Electronics Desktop 平台進行 EM、熱與機械模擬，以分析並最佳化封裝與積體元件以及整體系統在實際操作條件下的 EM 效能。此平台同樣應用於電熱機械多物理整合流程中，其中由 EM 求解器計算出的耗散量會作為熱求解器的負載。這些結果接著再作為機械求解器的負載。有時也會使用 EM 與電路的協同模擬來考量實際的載入與操作情況。
當需要更進階的材料或模擬模型時，Ampleon 工程師也會使用 Ansys 結構模擬解決方案。在這些情況下，便會透過 Workbench 介面來進行整合。Workbench 平台讓 Ampleon 工程師能將機械模擬結果回饋至 EM 求解器，並計算熱誘發變形對產品 EM 效能的影響。
Ampleon 工程師使用 Icepak 軟體探究並最佳化封裝、電路板與系統層級的散熱方法，並使用 RaptorX 軟體最佳化先進 MMIC 產品的 EM 效能。
使用 Ansys Electronics Desktop™ 進行的電磁模擬協助 Ampleon 找出降低封裝元件中輸入與輸出耦合的方式。這種耦合通常是由輸出端導線所產生的磁場穿過輸入端導線所致。一種可行的解決方案是在電晶體兩側加入「防護」導線，以降低外洩磁場。這項專利解決方案能顯著降低耦合現象。
透過 Ansys Electronics Desktop™ 軟體進行的電磁模擬，讓 Ampleon 工程師能最佳化電路板設計，確保場分佈均勻。
效益
Ansys 模擬協助 Ampleon 最佳化產品的運作效率，確保輸出功率與消耗功率之間維持適當比例。這能協助客戶節省能源支出，同時促進更永續的未來。
系統層級模擬也協助 Ampleon 探討並解決熱點或高應力所造成的潛在可靠度問題。能夠在設計初期完成這些作業，有助於公司避免昂貴且耗時的重複設計，從而降低成本並縮短重新設計所耗費的時間。
「Ansys 工具具備精確的電磁與多物理模擬功能，是解決多尺度挑戰 (包括晶片、封裝、電路板及散熱模組) 不可或缺的工具。」Ampleon 資深首席工程師 Vittorio Cuoco 表示。
Ansys 多物理模擬協助 Ampleon 工程師在系統層級視覺化溫度分佈，並確保該值維持在安全範圍內。
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