Beschleunigung des Elektromagnetismus Modulen Design für maximale Chip-Leistungsausnutzung und höchste Robustheit mit den neuesten Tools für Bonddrahtführung und elektromagnetische Simulationen.
Erstellen von Bonddraht-Layouts mit 3D-CAD
Obwohl 3D-CAD-Systeme heutzutage in der Entwicklung von Leistungsmodulen für das virtuelle Prototyping und die Erstellung der erforderlichen Produktdokumentation gut etabliert sind, fehlen in 3D-Modellen häufig die Bonddrähte. Während ein einzelner Bonddraht mit einigen Bögen und Linien modelliert werden kann, ist die Modellierung eines gesamten Bonddrahtlayouts zeitaufwändig, da häufig jeder Bonddraht seine individuelle Geometrie hat. Um diese Lücke zu schließen, wurde die erste Version der Software MFis Wire im Jahr 2020 von der MFis GmbH veröffentlicht, einem Unternehmen, das Ingenieurdienstleistungen und -werkzeuge mit Schwerpunkt auf Leistungselektronikverpackungen anbietet.
MFis Wire bietet eine benutzerfreundliche Oberfläche (siehe Abbildung 1) und ermöglicht eine schnelle 3D-Modellierung von Keil-, Band- und Kugelbonddrähten. Ein Bonddraht wird gezogen, indem Start- und Endpunkt des Drahtes ausgewählt und interaktiv seine Schleifenform und Fußdrehung definiert werden. Viele CAD-Befehle wie Kopieren, Verschieben, Spiegeln, Array können verwendet werden, um einen oder mehrere ausgewählte Bonddrähte oder Bondpunkte zu ändern, beispielsweise um den Abstand einer Reihe von Bonddrähten anzupassen.
Abbildung 1: Die Software MFis Wire, die zum Zeichnen des Bonddraht-Layouts des ED-Leistungsmoduls verwendet wird
Die Software wurde als Plug-In für die leistungsstarke und kostengünstige Rhino3D CAD-Plattform realisiert. Für die Erstellung von Bonddraht-Layouts sind nur Grundkenntnisse der CAD-Modellierung erforderlich. Kurze Schulungsvideos, die den Workflow zeigen, führen den Benutzer dazu, innerhalb kurzer Zeit erste Drahtlayouts zu erstellen. Sobald ein 3D-Modell fertig ist, kann es in viele branchenübliche CAD-Formate exportiert oder in eine 2D-Zeichnung mit Verbindungspunktkoordinaten konvertiert werden. Da Rhino3D über leistungsstarke Rendering-Funktionen verfügt, werden mit geringem Aufwand fotorealistische Bilder eines Leistungsmodul-Layouts erstellt (siehe Abbildung 4).
Geometrieoptimierung für schnelle parasitäre Extraktion
Eine 3D-Bonddraht-Layoutgeometrie kann beispielsweise zur Dokumentation, elektrothermischen Finite-Elemente-Analyse oder zur parasitären Extraktion verwendet werden. Je nach Verwendungszweck muss die Drahtquerschnittsgeometrie unterschiedlich gewählt werden. Zu Dokumentationszwecken sieht ein kreisförmiger Querschnitt am natürlichsten aus und hat die niedrigste Dateigröße.
Bei der elektrothermischen Finite-Elemente-Analyse ist nur die Querschnittsfläche eines Drahtes von Bedeutung. Die beste Wahl ist ein dreieckiger Querschnitt mit der gleichen Querschnittsfläche wie der Originaldraht, wodurch die Geometrie für die Vernetzung und Berechnung effizient ist und die durch die Finite-Elemente-Analyse erhaltenen Temperaturen und Widerstände des Bonddrahtes nicht beeinflusst werden.
Für die parasitäre Extraktion ist die Querschnittsform relevant. Wenn ein kreisförmiger Querschnitt verwendet wird, nähert sich der Mesher des parasitären Extraktors der runden Form mit mehreren Elementen an. Typischerweise wird ein besserer Kompromiss zwischen Rechenzeit und Genauigkeit erreicht, wenn die Approximation bereits in der Eingabegeometrie implementiert ist. Gute Ergebnisse werden mit einem sechseckigen Drahtquerschnitt erzielt.
Die Modellierung der Bonddrahtgeometrie und die parasitäre Extraktion wurden für das ED-Modul mit einem Bonddrahtlayout durchgeführt, das aus 165 Drähten besteht, von denen viele ihre individuelle Form haben. Nachdem das Drahtlayout erstellt wurde, das 661 Punkte verbindet, wurden die Drähte in Varianten mit kreisförmigem und sechseckigem Querschnitt exportiert und mit dem parasitären Extraktor Ansys Q3D verarbeitet. Abbildung 2 zeigt den Unterschied im Netz, der für die Varianten mit kreisförmigem und sechseckigem Querschnitt erhalten wurde. Für den Draht mit kreisförmigem Querschnitt setzt der Mesher viele dreieckige Zellen ein, um die runde Form zu approximieren, was zu realistischsten Ergebnissen führte, aber 5.5 Stunden benötigte, um zu konvergieren, im Gegensatz zu nur 71 Minuten bei der Geometrie mit sechseckigem Querschnitt . Außerdem war der Speicherverbrauch von 22.3 GB bei Runddrähten viel höher als bei Sechskantdrähten von 11.4 GB. Der Unterschied in der erhaltenen Modulselbstinduktivität betrug nur 0.1%.
Optimierung des ED-Moduldesigns
Als aufstrebendes Unternehmen ist es für die SwissSEM Technologies AG von entscheidender Bedeutung, ihre ersten Produkte in hoher Qualität und in kurzer Zeit auf den Markt zu bringen. Elektromagnetische und thermische Optimierung sind für eine hervorragende Geräteleistung unerlässlich. Der ED-Typ, ein Industriestandard mit einer Höhe von 17 mm, 62 x 152 mm IGBT-Modul, bietet besondere Herausforderungen für den internen Stromaustausch zwischen den IGBTDas liegt an seinem länglichen Design. Die meisten klassischen Layouts leiden unter einem mehr oder weniger aktuellen Ungleichgewicht zwischen den ChipsUnser Ziel ist es, ein Modul mit bestmöglicher Stromhomogenität auf den Markt zu bringen, um den vollen Nutzen aus unserer neuesten IGBT-i20-Generation zu ziehen.
Mit Hilfe der MFis Wire-Software konnten wir schnell verschiedene Designvarianten generieren, einschließlich Variationen im Bonddraht-Layout. Dies ermöglichte es uns, die elektromagnetischen Kopplungen der Varianten in Q3D zu simulieren und Schaltsimulationen mit dem SIMetrix Spice-Simulator unter Verwendung der aus Q3D extrahierten Schaltungsmodelle durchzuführen. Diese Simulationen waren die Grundlage für ein besseres Verständnis des Geräts und seiner internen Kopplungen. Zumal bereits kleine Abweichungen der Drahtposition und -form im mm-Bereich einen erheblichen Einfluss auf die Kopplung haben können. Daher ist eine vereinfachte Geometrie, wie sie bei Verwendung des in Q3D verfügbaren Drahtwerkzeugs erhalten würde, nicht ausreichend. Zusammen mit Wärmeübertragungssimulationen wurde ein optimiertes Layout gefunden. Unter dem Gesichtspunkt des Wärmewiderstands bieten beide Varianten der Chippositionierung die gleiche Rth. Das „Layout Straight“ bietet jedoch im Vergleich zum „Layout Classic“ mehr Potenzial zur Verbesserung der Stromfreigabe, insbesondere zur Verlangsamung von IGBT Nr. 3, das der üblichen Stromemitterverbindung am nächsten kommt (siehe Abbildung 3). Für die endgültige Layoutoptimierung wurde die Gate-Position von IGBT # 3 gedreht und das Layout des Hauptemitterdrahtes und des Gate-Drahtes optimiert (siehe Abbildung 4). Infolgedessen wurde das aktuelle Ungleichgewicht von 30% des „klassischen Layouts“ auf 17% des „gerade optimierten Layouts“ reduziert. Dies ist ein bedeutender Schritt, der den Lastausgleich innerhalb der IGBTs verbessert, aber auch zu einer höheren Auslastung der IGBT-Chips im sicheren Betriebsbereich führt.
Abbildung 2: Von Ansys Q3D erstelltes Netz für Bonddrähte mit kreisförmigem und sechseckigem Querschnitt
Abbildung 3: Vergleich der Stromverteilung mit verschiedenen Layouts und thermischen Referenzen
Abbildung 4: Layout gerade (links) - Layout gerade optimiert (rechts)
Zusammenfassung
Die heutigen Simulationswerkzeuge für thermische und elektromagnetische Simulationen sind sehr leistungsfähig, verkürzen die Entwicklungszeit und verbessern die Qualität der IGBT-Moduldesigns erheblich. Die Eingabe für die Finite-Elemente-Simulationen muss jedoch so genau wie möglich sein und das endgültige Produktdesign widerspiegeln, wenn das optimale Ergebnis erzielt werden soll. Insbesondere bei komplexen Details wie Drahtbonds sind offensichtliche Vereinfachungen auf den ersten Blick aufgrund der mühsamen und zeitaufwändigen Arbeit im CAD attraktiv. Die Genauigkeit der Ergebnisse wird jedoch vereinfacht, und das volle Potenzial der Simulationswerkzeuge wird nicht ausgeschöpft.
Durch die Verwendung der Software MFis Wire wird die Zeit für die Erstellung komplexer 3D-Geometriemodelle von Bonddraht-Layouts erheblich verkürzt. Die Verwendung eines sechseckigen Drahtquerschnitts in der Eingangsgeometrie des parasitären Extraktors führt zu einer viermal schnelleren Berechnung, wodurch mehrere Layoutvarianten an einem einzigen Arbeitstag untersucht werden können. Diese bei SwissSEM verwendete Methode ermöglichte eine Verbesserung der internen Stromverteilung des ED-Type-Moduls um fast den Faktor zwei im Vergleich zu klassischen Entwurfsansätzen.