製品
Ansys Charge Plus
粒子 x 電磁場の連成解析によって帯電や放電、プラズマ現象を可視化
製品概要
Ansys Charge Plusは、宇宙空間の粒子による内部・表面帯電から気中放電やアーク放電といった放電、半導体製造装置や電子銃などのプラズマ現象など、帯電・放電・プラズマ現象を解析できるシミュレータです。
適用分野・アプリケーション
- 電子機器のESD対策設計
- 高電圧システムの絶縁破壊・アーク発生のリスク評価
- 宇宙機器の表面・内部帯電のリスク評価
- 半導体製造工程のプラズマ挙動解析
特長
複数の物理領域を同時に解析し、実環境に近い挙動を再現
電磁場、流体、粒子輸送、化学反応など複数の物理領域にまたがる帯電・放電・プラズマ現象を解析し、実運用条件(現実のシステム)を反映した結果を出力できます。
絶縁破壊・アーク放電解析
空気中の絶縁破壊の発生からアーク放電への進展まで評価可能です。非線形空気化学モジュール(空気の密度や湿度の変化を考慮して電子やイオンなどの生成と消滅を計算する手法)を用い、解析モデル中の気体分子のイオン化や連鎖的な電子の増殖による絶縁破壊の進行、プラズマ中に流れる電流を計算することで絶縁破壊やアーク放電を解析できます。複雑な構造でも局所的な電界集中や放電経路を解析可能です。
ESD解析での気中放電の導電率
実測と解析の放電電流の波形比較
表面帯電解析
宇宙機の導体や絶縁体表面の電荷の蓄積と移動を境界要素法や有限要素法を用いて解析します。環境条件(軌道ごとのプラズマ分布や太陽光照射による光電効果など)や運用条件(宇宙空間での宇宙機の移動)を考慮し、電子・イオンの輸送や再結合を計算することで、効率的に帯電分布の評価ができます。
太陽光入射時の人工衛星の表面帯電
宇宙空間を移動するヒューマンカプセルのイオンウェイク
内部帯電解析
宇宙機の絶縁体内部の粒子が作る電荷分布から電磁場を計算し、その電磁場が粒子の運動に与える影響を相互に考慮した連成計算を行い、帯電状態を解析します。局所的な電界集中による絶縁破壊のリスクや放射線の入射によるトータルドーズ効果(TID)を定量評価し、設計段階での安全性向上に活用できます。
宇宙機の放射線シールドの内部電界
宇宙機の放射線シールドを含めたPCBのTID
プラズマプロセス解析
半導体製造のプラズマプロセス（エッチング、成膜、クリーニングなど）で発生する荷電粒子の挙動、電磁場分布をPIC法や流体モデルを用いて解析します。GECチャンバーのシース形成の様子や空間電荷効果を考慮した電子銃の電荷密度を評価可能です。
GECチャンバーのシース形成
電子銃の電荷密度
シームレスな解析プロセス
Ansys Discovery Modeling のユーザーインターフェイスを使用しており、CADモデルのインポートからメッシュ生成、材料設定、解析条件の定義、結果評価までを一貫した環境で実施でき、設計・解析のプロセス全体を効率化します。
複雑な形状や材料構成を3次元でモデル化し、帯電・放電現象の分布や経時変化を直感的に可視化できます。
Ansys Discovery Modelingの詳細については Ansys Discovery Modelingのウェブサイトをご覧ください。
複雑な形状や材料構成を3次元でモデル化し、帯電・放電現象の分布や経時変化を直感的に可視化できます。
Ansys Discovery Modelingの詳細については Ansys Discovery Modelingのウェブサイトをご覧ください。
ソルバー
主要なソルバーとその役割
- FDTD（Finite Difference Time Domain）法
マクスウェル方程式を時間領域で解くことで、空気中の放電現象を解析します。非線形空気化学モジュールを用い、静電気放電（ESD）やアーク放電の解析が可能です。 - 有限要素（Finite Element Method：FEM）法
材料内部や表面の電場分布、電流密度、絶縁破壊リスクなどを詳細に解析します。3D粒子輸送解析と連携し、粒子の電荷蓄積や局所的な電場強度を計算します。 - 境界要素（Boundary Element Method：BEM）法
物体表面に表面電荷バランス方程式を用い表面の電荷や電位を解析します。FEMの境界条件に適用することで、空間全体の電磁場解析に反映させることも可能です。 - 表面電荷バランス方程式
プラズマや粒子が材料表面に与える電流・電荷の収支を行列計算で解き、表面帯電現象を解析します。 - PIC（Particle-In-Cell）法
高エネルギー粒子（電子・イオンなど）の3D輸送、軌道追跡、粒子-材料相互作用（衝突・吸収・二次粒子生成）を解析します。FEMと連携し、電荷の蓄積を材料内部・表面にマッピングし、帯電・放電現象の進展をシミュレーションします。 - モンテカルロ法
粒子の確率的な挙動や材料との相互作用（衝突・吸収・二次粒子生成）を統計的に解析し、PIC法と組み合わせて粒子輸送現象の詳細なシミュレーションに利用されます。
出力結果
1. 帯電
- 表面/内部電荷密度
- 電界
- 電位
- 粒子トラッキングデータ（粒子種別ごとの軌道、エネルギースペクトル）
- 材料ごとの帯電特性
- 放射線耐性評価（線量深さ、ＴＩＤや線エネルギー付与(ＬＴＥ)）
2. 放電
- 絶縁破壊位置・領域
- 電流/電圧
- 放電時の空間の導電率
3. プラズマ現象
- プラズマ密度
- プラズマ温度
- 運動量密度
- 粒子フラックス分布
