3D 鍵合線建模和電磁仿真 加速 IGBT 模塊開發(fā)

近日，國際電力電子行業(yè)領(lǐng)先期刊《Bodo’s功率系統(tǒng)》，刊發(fā)了賽晶科技旗下瑞士子公司SwissSEM 副總裁Raffael聯(lián)合發(fā)表的技術(shù)性文章《3D 鍵合線建模和電磁仿真 加速 IGBT 模塊開發(fā)》。

文章重點(diǎn)闡述了借助最新MFis Wire軟件工具，加快電磁模塊設(shè)計(jì)速度，并實(shí)現(xiàn)最高的芯片性能和最高的耐用性。

SwissSEM作為賽晶科技旗下的一家新興科研公司，在短時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量地將其首款產(chǎn)品推向市場至關(guān)重要，其目標(biāo)是推出一種具有最佳電流一致性的模塊，以充分發(fā)揮最新研發(fā)的IGBT i20這一代產(chǎn)品優(yōu)勢。

使用3D CAD創(chuàng)建鍵合線布局

盡管當(dāng)今的3D CAD系統(tǒng)已經(jīng)可以很好地為電源模塊開發(fā)建立虛擬樣機(jī)并輸出必要的產(chǎn)品文檔，但3D模型往往不支持鍵合線建模。雖然可以使用一些弧線和線對單個(gè)鍵合線進(jìn)行建模，但是對整個(gè)鍵合線布局進(jìn)行建模卻非常耗時(shí)，因?yàn)殒I合線通常形狀各異。為了填補(bǔ)這一空白，MFis GmbH公司于2020年發(fā)布了第一版MFis Wire軟件，該公司面向電力電子封裝提供工程服務(wù)和工具。MFis Wire軟件用戶界面友好（如圖1所示），并且對楔形、帶狀和球形鍵合線的3D建模速度更快。通過選擇導(dǎo)線的起點(diǎn)和終點(diǎn)并交互式定義其回路形狀和底腳旋轉(zhuǎn)即可繪制接合線。許多CAD命令（例如復(fù)制、移動、鏡像、陣列）可用于修改一個(gè)或多個(gè)選定的鍵合線或鍵合點(diǎn)，例如可以用來調(diào)整一行鍵合線的間距。

圖1：MFis Wire軟件：用于草繪ED型電源模塊的鍵合線布局

該軟件可作為功能強(qiáng)大且價(jià)格合理的Rhino3D CAD平臺的插件。創(chuàng)建鍵合線布局也僅僅需要CAD建模的基本技能。簡短的介紹工作流程的培訓(xùn)視頻可以指導(dǎo)用戶在短時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建第一條導(dǎo)線布局。3D模型完成后，可以將其導(dǎo)出為許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的CAD格式，或轉(zhuǎn)換為帶有鍵合點(diǎn)坐標(biāo)的2D工程圖。借助Rhino3D強(qiáng)大的渲染功能，用戶可以輕松地創(chuàng)建功率模塊布局的逼真圖像（如下圖4所示）。

幾何優(yōu)化實(shí)現(xiàn)寄生參數(shù)快速提取

3D鍵合線布局幾何形狀可以實(shí)現(xiàn)如下功能：文檔記錄、電-熱耦合有限元分析、寄生參數(shù)提取。根據(jù)目標(biāo)用途，必須選擇不同的導(dǎo)線橫截面幾何形狀。出于文檔目的，圓形橫截面看起來最自然的，并且文件也最小。

對于電-熱耦合有限元分析，導(dǎo)線的橫截面積非常重要。最佳選擇是橫截面積與原始導(dǎo)線相同的三角形橫截面，這種幾何形狀下網(wǎng)格剖分和計(jì)算非常高效，并且不會影響鍵合線溫度和電阻的有限元分析結(jié)果。

對于寄生參數(shù)提取，橫截面形狀也很重要。如果使用圓形橫截面，那么寄生參數(shù)提取器的網(wǎng)格劃分器將通過多個(gè)有限元來逼近圓形。通常，當(dāng)輸入的幾何形狀已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了近似時(shí)，可以在計(jì)算時(shí)間和精度之間取得更好的平衡。使用六角形導(dǎo)線橫截面可獲得較好的結(jié)果。

我們對ED型模塊進(jìn)行了焊線幾何建模和寄生參數(shù)提取，其鍵合線布局由165根導(dǎo)線組成，其中許多導(dǎo)線具有各自的形狀。在創(chuàng)建了可連接661個(gè)點(diǎn)的導(dǎo)線布局之后，我們將導(dǎo)線導(dǎo)出為具有圓形和六邊形橫截面的變體，并使用寄生參數(shù)提取器Ansys Q3D進(jìn)行后續(xù)處理。圖2對比了具有圓形和六邊形橫截面的變體的網(wǎng)格剖分差異。對于圓形橫截面的鍵合線，網(wǎng)格劃分器采用了很多三角形單元來近似圓形，其效果較逼真，但是需要5.5小時(shí)才能收斂，而對于具有六邊形橫截面的幾何圖形，僅需要71分鐘即可收斂。同樣，圓形導(dǎo)線的22.3 GB內(nèi)存消耗比六角形電線的11.4 GB同樣高出很多。然而，計(jì)算得到的模塊自感差異僅為0.1％。

圖2：基于Ansys Q3D對具有圓形和六角形橫截面的鍵合線進(jìn)行網(wǎng)格剖分的結(jié)果

ED型模塊設(shè)計(jì)優(yōu)化

作為一家新興公司，對于SwissSEM Technologies AG而言，在短時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量地將其首款產(chǎn)品推向市場至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)出色的器件性能，電磁和熱優(yōu)化至關(guān)重要。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的17毫米高、62 x 152毫米ED型IGBT模塊，其冗長的設(shè)計(jì)對IGBT之間的內(nèi)部電流均流提出了特殊的挑戰(zhàn)。大多數(shù)經(jīng)典布局或多或少都會面臨芯片之間電流不平衡的問題，我們的目標(biāo)是推出一種具有最佳電流一致性的模塊，以充分發(fā)揮我們最新的IGBT i20這一代產(chǎn)品的優(yōu)勢。

圖3：不同布局和熱參考的均流效果比較

借助MFis Wire軟件，我們能夠快速生成各種設(shè)計(jì)變體，包括鍵合線布局的變體。這有助于我們在Q3D中仿真變體的電磁耦合，并使用SIMetrix Spice仿真器對Q3D提取的電路模型進(jìn)行開關(guān)仿真。這些仿真是更好地了解器件及其內(nèi)部耦合的基礎(chǔ)。特別是對于導(dǎo)線位置和形狀的mm級別微小變化也會對上述耦合產(chǎn)生較大影響的場合。因此，使用Q3D中的鍵合線工具獲得簡化的幾何形狀效果非常有限。結(jié)合傳熱仿真，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化布局。從熱阻的角度來看，芯片位置的兩個(gè)變體都會得到相同的Rth。但是，與“經(jīng)典布局”相比，“筆直布局”改善電流均流性能效果更好，特別是對于IGBT＃3（如圖3所示），其連接離發(fā)射極更近。對于最終的布局優(yōu)化，其旋轉(zhuǎn)了IGBT＃3的柵極位置，并優(yōu)化主發(fā)射極線和柵極線的布局（如圖4所示）。結(jié)果，電流不平衡從“經(jīng)典布局”的30％減少到“優(yōu)化的筆直布局”的17％。這對于改善IGBT內(nèi)部負(fù)載平衡并同時(shí)提高IGBT芯片安全工作區(qū)的利用率至關(guān)重要。

圖4：筆直布局（左），優(yōu)化的筆直布局（右）

結(jié)論

當(dāng)今用于熱和電磁仿真的仿真工具非常強(qiáng)大，可以明顯縮短開發(fā)時(shí)間并顯著提高IGBT模塊設(shè)計(jì)質(zhì)量。但是為獲得最佳結(jié)果，有限元仿真的輸入必須盡可能地準(zhǔn)確，且需反映最終實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)情況。特別是是對于諸如引線鍵合之類的復(fù)雜細(xì)節(jié)，其CAD建模繁瑣且復(fù)雜，乍一看簡單的簡化非常有利。但是，結(jié)果的準(zhǔn)確性會受到簡化的影響，并且仿真工具的全部潛力沒有充分利用。

借助MFis Wire軟件，可以大大縮短創(chuàng)建鍵合線布局復(fù)雜3D幾何模型的時(shí)間。在寄生參數(shù)提取器的輸入幾何結(jié)構(gòu)中使用六角形導(dǎo)線橫截面，可以將計(jì)算速度提高四倍，這將有助于在一個(gè)工作日內(nèi)實(shí)現(xiàn)對幾種布局變體的研究。SwissSEM所采用的這種方法使ED-Type模塊的內(nèi)部電流均流性能比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法提高了近兩倍。

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