تسريع الكهرومغناطيسية وحدة تصميم لتحقيق أقصى استفادة من أداء الشريحة وأعلى متانة باستخدام أحدث الأدوات لتوجيه أسلاك الربط وعمليات المحاكاة الكهرومغناطيسية.
إنشاء تخطيطات Bond Wire باستخدام 3D CAD
على الرغم من أن أنظمة CAD ثلاثية الأبعاد راسخة اليوم في تطوير وحدات الطاقة للنماذج الأولية الافتراضية وإنشاء وثائق المنتج الضرورية ، إلا أن أسلاك السندات غالبًا ما تكون مفقودة في النماذج ثلاثية الأبعاد. بينما يمكن نمذجة سلك السندات الفردي ببعض الأقواس والخطوط ، فإن نمذجة تخطيط سلك السندات بالكامل يستغرق وقتًا طويلاً ، حيث غالبًا ما يكون لكل سلك ربط هندسة فردية. لسد هذه الفجوة ، تم إصدار الإصدار الأول من برنامج MFis Wire في عام 3 بواسطة MFis GmbH ، وهي شركة تقدم خدمات وأدوات هندسية مع التركيز على تغليف إلكترونيات الطاقة.
يوفر MFis Wire واجهة سهلة الاستخدام (انظر الشكل 1) ويجعل النمذجة ثلاثية الأبعاد للأسلاك الإسفينية والشريط والكرة سريعة. يتم سحب سلك الرابطة عن طريق تحديد نقطة البداية والنهاية للسلك وتحديد شكل الحلقة ودوران القدم بشكل تفاعلي. يمكن استخدام العديد من أوامر CAD مثل النسخ والتحرك والمرآة والمصفوفة لتعديل واحد أو أكثر من أسلاك السندات المحددة أو نقاط الربط على سبيل المثال لتعديل درجة صف من الأسلاك الرابطة.
الشكل 1: برنامج MFis Wire ، المستخدم في صياغة تخطيط سلك السندات لوحدة الطاقة من النوع ED
تم تصميم البرنامج كمكون إضافي لمنصة Rhino3D CAD القوية والميسورة التكلفة. لإنشاء تخطيطات أسلاك السندات ، هناك حاجة فقط إلى المهارات الأساسية لنمذجة CAD. مقاطع فيديو تدريبية قصيرة توضح سير العمل توجه المستخدم لإنشاء تخطيطات الأسلاك الأولى في غضون وقت قصير. بمجرد أن يصبح النموذج ثلاثي الأبعاد جاهزًا ، يمكن تصديره إلى العديد من تنسيقات CAD القياسية في الصناعة أو تحويله إلى رسم ثنائي الأبعاد بإحداثيات نقطة ربط. نظرًا لأن Rhino3D لديه ميزات عرض قوية ، يتم إنشاء صور واقعية لتخطيط وحدة الطاقة بجهد منخفض (انظر الشكل 2).
التحسين الهندسي للاستخراج السريع للطفيليات
يمكن استخدام هندسة تخطيط سلك السندات ثلاثية الأبعاد على سبيل المثال للتوثيق أو تحليل العناصر المحدودة الكهروحرارية أو أغراض الاستخراج الطفيلية. اعتمادًا على الاستخدام المستهدف ، يجب اختيار هندسة المقطع العرضي السلكي بشكل مختلف. لأغراض التوثيق ، يبدو المقطع العرضي الدائري طبيعيًا بدرجة كبيرة وله حجم ملف أقل.
عند استهداف تحليل العناصر المحدودة الكهروحرارية ، فإن مساحة المقطع العرضي للسلك هي فقط ذات الصلة. أفضل خيار هو المقطع العرضي المثلث مع نفس مساحة المقطع العرضي مثل السلك الأصلي ، مما يجعل الهندسة فعالة للتشابك والحساب ولن يؤثر على درجات حرارة سلك السندات والمقاومات التي تم الحصول عليها نتيجة لتحليل العناصر المحدودة.
بالنسبة للاستخراج الطفيلي ، يكون الشكل المقطعي مناسبًا. إذا تم استخدام مقطع عرضي دائري ، فإن مستخرج المستخرج الطفيلي سيقارب الشكل الدائري بعدة عناصر. عادة ، يتم تحقيق مفاضلة أفضل بين وقت الحوسبة والدقة عندما يتم تنفيذ التقريب بالفعل في هندسة الإدخال. يتم الحصول على نتائج جيدة باستخدام مقطع سداسي من الأسلاك.
تم إجراء نمذجة هندسية لسلك السندات واستخراج طفيلي للوحدة النمطية من النوع ED بتخطيط سلك ربط يتكون من 165 سلكًا ، وكثير منها له شكله الفردي. بعد إنشاء مخطط الأسلاك ، الذي يربط 661 نقطة ، تم تصدير الأسلاك في متغيرات ذات مقاطع عرضية دائرية وسداسية ومعالجتها باستخدام المستخرج الطفيلي Ansys Q3D. يوضح الشكل 2 الفرق في الشبكة التي تم الحصول عليها للمتغيرات ذات المقاطع العرضية الدائرية والسداسية. بالنسبة للسلك ذي المقطع العرضي الدائري ، تضع الماشر الكثير من الخلايا المثلثة لتقريب الشكل الدائري ، مما أدى إلى نتائج أكثر واقعية ، ولكنها تحتاج إلى 5.5 ساعة لتتقارب على عكس 71 دقيقة فقط في حالة الشكل الهندسي مع المقطع العرضي السداسي . أيضًا ، كان استهلاك الذاكرة البالغ 22.3 جيجا بايت أعلى بكثير للأسلاك الدائرية من 11.4 جيجا بايت للأسلاك السداسية. كان الفرق في الحث الذاتي للوحدة المتحصل عليها 0.1٪ فقط.
تحسين تصميم الوحدة النمطية من نوع ED
بصفتها شركة ناشئة ، من الأهمية بمكان أن تقدم SwissSEM Technologies AG منتجاتها الأولى إلى السوق بجودة عالية ووقت قصير. يعد التحسين الكهرومغناطيسي والحراري ضروريين للحصول على أداء ممتاز للجهاز. النوع ED ، وهو معيار صناعي بارتفاع 17 ملم 62 × 152 ملم وحدة IGBT، يقدم تحديات خاصة للمشاركة الحالية الداخلية بين IGBTبسبب تصميمه الطويل. تعاني معظم التخطيطات الكلاسيكية من عدم التوازن الحالي إلى حد ما بين رقائق، وهدفنا هو إطلاق وحدة بأفضل تجانس تيار ممكن من أجل تحقيق الاستفادة الكاملة من أحدث جيل من IGBT i20.
بمساعدة برنامج MFis Wire ، تمكنا من إنشاء متغيرات تصميم مختلفة بسرعة بما في ذلك الاختلافات في تخطيط الأسلاك السندات. مكننا ذلك من محاكاة أدوات التوصيل الكهرومغناطيسية للمتغيرات في Q3D وإجراء عمليات محاكاة التبديل باستخدام محاكي SIMetrix Spice باستخدام نماذج الدوائر المستخرجة من Q3D. كانت هذه المحاكاة أساسًا لفهم أفضل للجهاز ووصلاته الداخلية. خاصة وأن الاختلافات الصغيرة بالفعل في موضع السلك وشكله في نطاق مم يمكن أن يكون لها تأثير كبير على أداة التوصيل. ومن ثم ، فإن الهندسة المبسطة ، كما سيتم الحصول عليها عند استخدام أداة الأسلاك المتاحة في Q3D ، ليست كافية. جنبا إلى جنب مع محاكاة نقل الحرارة تم العثور على تخطيط محسن. من وجهة نظر المقاومة الحرارية ، يقدم كلا المتغيرين لموضع الرقاقة نفس Rth. ومع ذلك ، يوفر "Layout Straight" إمكانية أكبر لتحسين المشاركة الحالية مقارنة بـ "Layout classic" ، خاصة لإبطاء IGBT # 3 الأقرب إلى اتصال باعث الطاقة المشترك (انظر الشكل 3). لتحسين التخطيط النهائي ، تم تدوير موضع بوابة IGBT # 3 وتم تحسين تخطيط سلك الباعث الرئيسي وسلك البوابة (انظر الشكل 4). نتيجة لذلك ، تم تقليل عدم التوازن الحالي من 30٪ "التخطيط الكلاسيكي" إلى 17٪ "التخطيط المستقيم الأمثل". هذه خطوة مهمة تعمل على تحسين موازنة التحميل داخل IGBTs ، ولكنها تؤدي أيضًا إلى استخدام منطقة تشغيل آمنة أعلى لرقائق IGBT.
الشكل 2: شبكة تم إنشاؤها بواسطة Ansys Q3D لأسلاك السندات ذات المقاطع العرضية الدائرية والسداسية
الشكل 3: مقارنة المشاركة الحالية مع تخطيطات مختلفة ومرجع حراري
الشكل 4: تخطيط مستقيم (يسار) - تخطيط مستقيم محسن (يمين)
وفي الختام
تعد أدوات المحاكاة الحالية للمحاكاة الحرارية وكذلك الكهرومغناطيسية قوية جدًا ، وتقصير وقت التطوير وتحسن جودة تصميمات وحدات IGBT بشكل كبير. ومع ذلك ، يجب أن تكون المدخلات الخاصة بمحاكاة العناصر المحدودة دقيقة قدر الإمكان وتعكس تصميم المنتج النهائي إذا كان سيتم تحقيق النتيجة المثلى. خاصة بالنسبة للتفاصيل المعقدة مثل روابط الأسلاك ، فإن التبسيطات الواضحة جذابة للوهلة الأولى بسبب العمل الشاق والمستهلك للوقت الذي يتطلبه في CAD. ومع ذلك ، فإن دقة النتائج ستعاني من التبسيط ، ولن يتم استخدام الإمكانات الكاملة لأدوات المحاكاة.
باستخدام برنامج MFis Wire ، يتم تقصير الوقت بشكل كبير لإنشاء نماذج هندسية ثلاثية الأبعاد معقدة لتخطيطات أسلاك السندات. يؤدي استخدام المقطع العرضي للسلك السداسي في هندسة الإدخال للمستخرج الطفيلي إلى حساب أسرع بأربع مرات ، مما يجعل من الممكن التحقيق في العديد من متغيرات التخطيط في يوم عمل واحد. هذه الطريقة المستخدمة في SwissSEM ، مكّنت من تحسين المشاركة الحالية الداخلية لوحدة ED-Type بمقدار ضعفين تقريبًا مقارنة بأساليب التصميم الكلاسيكية.