利用EMA3D Charge预测带电等离子体行为

现代生活的电气化趋势继续影响着我们生活的方方面面，包括消费电子、汽车、航空航天等领域新产品的开发。

无论当今制造产品的尺寸或范围如何变化，工程师、产品开发人员和设计人员面临的主要挑战在所有电路和电子系统设计中都是一样的。为了确保产品的成功、安全性和连接性，开发团队必须考虑电磁干扰 （EMI）、静电荷积累和静电放电 （ESD） 对电子元件造成的危害。

带电粒子及其非线性放电特性特别难以准确建模和模拟。 Ansys EMA3D Charge通过Particle-In-Cell（PIC）求解器技术提供仿真和预测带电等离子体行为所需的功能。

Particle-In-Cell求解器的数值方法

EMA3D Charge中集成的数值方法和求解器技术能够快速准确地模拟仅使用解析方程无法建模的电磁现象。

特别是，PIC 求解器技术可以跟踪数值网格中的粒子。为了提高效率，求解器不是跟踪单个粒子，而是跟踪统计上占明显数量的大粒子，并同时支持多个带电粒子种类。

这一切意味着什么？等离子体是易受电磁能量影响的带电粒子的集 合。这种等离子体可以由空气分子的电离产生，也可以由太阳辐射产生。等离子体也可能由突然、不稳定和意外爆发的静电放电产生，用数学术语来说，静电放电明显是非线性的。

通过使用 EMA3D Charge 的并行 PIC 求解器进行仿真，您可以准确快速地可视化、预测和监测等离子体行为。您不仅可以显著节省当前项目的时间和成本，还可以通过虚拟原型制作、预测准确性和 EM 建模更好地准备和设计未来的产品。您还可以对同一物种的粒子之间或不同物种之间的碰撞进行建模。

此外，PIC 求解器与电动力学全波有限元法 （FEM） 求解器完全耦合，使粒子能够与 EM 场相互作用，反之亦然，EM 场可以根据动态等离子体分布进行更新。

由于等离子体动力学发生在非常短的时间尺度上，但需要更长的时间尺度来捕获材料对等离子体的响应，因此通常使用两种方法来根据等离子体分布更新空间电荷分布。一种方法涉及分析计算，它使用非线性或气压空间电荷模型。第二种方法依赖于大颗粒的3D分布。根据两种方法的结果，计算麦克斯韦方程组以更新空间电荷分布中的场。

接下来，PIC 和 FEM 求解器可以耦合到边界元法 （BEM）。此功能允许来自 PIC 求解器的大颗粒被材料吸收，并使 BEM 求解器更新表面电荷和电位。然后，BEM 的电位用作 FEM 的边界条件，以便相应地更新 EM 场。

BEM 还用于跟踪二次电子、背散射电子和光电子。然而，PIC 求解器可以方便地将这些 2eV 粒子以大粒子的形式直接添加到材料表面附近。实现边界条件以替换或反射问题空间的问题边界处的等离子体。

空间模拟

担心来自太阳的电离辐射会损坏您的航天器？PIC 求解器技术涵盖了 EMI 和辐射电离效应的建模功能。

航天器表面电荷使用BEM方法建模，该方法使用等离子体与材料表面相互作用的分析描述。例如，通过等离子体移动的航天器在航天器前部和后部之间的差分电荷中起着重要作用。

等离子体尾流是航天器后面的低密度区域，需要为碎片捕获应用或对接例程建模，并且这种尾流只能在3D中精确建模。此外，等离子体护套在平衡时在表面附近形成。等离子体护套是屏蔽电场并因此改变表面电荷的边界区域。

这些现象学效应是等离子体与环境场相互作用的结果，仅在BEM方法中近似，该方法在计算低地球轨道（LEO）或行星际轨道中相对低能量，致密等离子体的能力有限。

然而，使用 PIC 和 3D 电动求解器技术进行表面充电可以对任何轨道上的表面水平进行预测性的准确模拟。

为了进一步优化仿真，与Ansys系统工具包（STK）的集成使您能够创建多域场景，以便在真实的任务环境中可视化您的产品或项目。

逐个粒子的半导体仿真

等离子体增强化学气相沉积 （PE-CVD） 和等离子体刻蚀是利用多物理场进行半导体行业产品开发的实验性技术。

PE-CVD明确地处理材料在晶圆表面上的沉积，例如薄涂层。将具有自由基的化学物质放置在晶片表面，然后将晶片置于等离子体室中。等离子体可以通过驱动射频（RF）源从环境气体中产生。等离子体中的离子与晶片表面相互作用，与自由基的相互作用产生副产物。环境气体的流入和副产物的流出通过控制气体环境流量的阀门进行处理。

此时，需要各种工程学科来正确建模过程。需要流体力学来模拟腔室中的气体运动;需要电磁学来模拟射频源以及与等离子体的场相互作用;需要等离子体物理来生成和跟踪晶圆附近的等离子体动力学;晶圆表面离子的相互作用需要化学反应。EMA3D Charge中的PIC求解器与其全波有限元求解器以及额外的Ansys多物理场仿真工具相结合，弥合了整个过程中的差距，并有效地将等离子体现象与电磁场联系起来。

然而，另一个挑战出现了，因为沉积速率在很大程度上依赖于等离子体中的离子与晶圆表面之间的碰撞速率。为了解决这种模拟，PIC模拟了一个物种内和多个物种之间的相对论碰撞。PIC产生的等离子体分布产生由FEM捕获的电磁场，这对于解决对沉积速率至关重要的等离子体护套的产生是必要的。

要完成PE-CVD工作流程，只需将PIC和FEM求解器技术集成到Ansys Fluent和Ansys Chemkin-Pro中  ，即可分别采用计算流体动力学（CFD）和化学仿真。两个求解器之间的协同仿真将利用Ansys系统耦合2.0生成全面的仿真

粒子仿真中的多工具协同

通过使用 PIC 求解器技术，您可以在物理级别（将 EMA3DCharge 与 Fluent 或 Chemkin-Pro耦合）以及用户界面和工作流程级别（将软件集成到 STK 中）体验深度集成。

EMA3D Charge还可以与Ansys Rocky粒子动力学仿真软件或Ansys EMA3D电缆集成，以探索更多基于物理场的仿真。同样，要像在STK中一样在真实环境中可视化项目，您可以将EMA3D Charge与Ansys  Discovery 3D仿真软件或Ansys ModelCenter基于模型的系统工程（MBSE）平台结合使用。

使用 EMA3D Charge，您可以体验更全面的物理场解决方案，其中求解器经过单独审查，使用数值方法进行开发和优化，并通过系统耦合 2.0 进行配对。因此，简化的工作流程加快了从设置到完成的仿真运行时间。