Accélérer l'électromagnétisme module conception pour une utilisation maximale des performances de la puce et une robustesse maximale avec les derniers outils pour le routage des fils de liaison et les simulations électromagnétiques.
Création de dispositions de fils de liaison à l'aide de la CAO 3D
Bien que les systèmes de CAO 3D soient aujourd'hui bien établis dans le développement de modules d'alimentation pour le prototypage virtuel et la création de la documentation produit nécessaire, les fils de liaison sont souvent absents des modèles 3D. Alors qu'un fil de liaison simple peut être modélisé avec des arcs et des lignes, la modélisation d'une disposition de fil de liaison entière prend du temps, car souvent chaque fil de liaison a sa géométrie individuelle. Pour combler cette lacune, la première version du logiciel MFis Wire a été lancée en 2020 par MFis GmbH, une société fournissant des services d'ingénierie et des outils axés sur les emballages d'électronique de puissance.
MFis Wire fournit une interface conviviale (voir figure 1) et accélère la modélisation 3D des fils de liaison en coin, en ruban et en boule. Un fil de liaison est dessiné en sélectionnant le point de départ et d'arrivée du fil et en définissant de manière interactive sa forme de boucle et la rotation du pied. De nombreuses commandes CAO telles que copier, déplacer, miroir, matrice peuvent être utilisées pour modifier un ou plusieurs fils de liaison ou points de liaison sélectionnés, par exemple pour ajuster le pas d'une rangée de fils de liaison.
Figure 1: Le logiciel MFis Wire, utilisé pour dessiner la disposition des fils de liaison du module de puissance de type ED
Le logiciel a été réalisé sous forme de plug-in pour la plate-forme CAO Rhino3D puissante et abordable. Pour la création de schémas de fils de liaison, seules des compétences de base en modélisation CAO sont nécessaires. De courtes vidéos de formation montrant le flux de travail guident l'utilisateur pour créer les premières mises en page de fils en peu de temps. Une fois qu'un modèle 3D est prêt, il peut être exporté vers de nombreux formats CAO standard ou converti en dessin 2D avec des coordonnées de point de liaison. Étant donné que Rhino3D possède de puissantes fonctionnalités de rendu, des images photoréalistes d'une disposition de module d'alimentation sont créées avec peu d'effort (voir figure 4).
Optimisation de la géométrie pour une extraction parasite rapide
Une géométrie de disposition de fil de liaison 3D peut par exemple être utilisée à des fins de documentation, d'analyse par éléments finis électro-thermiques ou d'extraction parasite. En fonction de l'utilisation visée, la géométrie de la section transversale du fil doit être choisie différemment. À des fins de documentation, une section transversale circulaire semble la plus naturelle et la taille de fichier la plus faible.
Lorsque vous ciblez l'analyse par éléments finis électro-thermiques, seule la section transversale d'un fil est pertinente. Le meilleur choix est une section transversale triangulaire avec la même section transversale que le fil d'origine, ce qui rend la géométrie efficace pour le maillage et le calcul et n'influencera pas les températures et les résistances du fil de liaison obtenues à la suite de l'analyse par éléments finis.
Pour l'extraction parasite, la forme de la section transversale est pertinente. Si une section transversale circulaire est utilisée, le maillage de l'extracteur parasite se rapprochera de la forme ronde avec plusieurs éléments. En règle générale, un meilleur compromis entre le temps de calcul et la précision est obtenu lorsque l'approximation est déjà implémentée dans la géométrie d'entrée. De bons résultats sont obtenus en utilisant une section de fil hexagonale.
La modélisation de la géométrie des fils de liaison et l'extraction parasite ont été effectuées pour le module de type ED avec une disposition de fils de liaison composée de 165 fils, dont beaucoup ont leur forme individuelle. Après avoir créé le tracé des fils, qui relie 661 points, les fils ont été exportés dans des variantes de sections circulaires et hexagonales et traités à l'aide de l'extracteur parasite Ansys Q3D. La figure 2 montre la différence de maillage obtenue pour les variantes de sections transversales circulaires et hexagonales. Pour le fil avec une section transversale circulaire, le mailleur met beaucoup de cellules triangulaires pour se rapprocher de la forme ronde, ce qui a abouti à des résultats plus réalistes, mais il a fallu 5.5 heures pour converger, contrairement à seulement 71 minutes dans le cas de la géométrie à section hexagonale . En outre, la consommation de mémoire de 22.3 Go était beaucoup plus élevée pour les fils circulaires que de 11.4 Go pour les fils hexagonaux. La différence de l'auto-inductance du module obtenue n'était que de 0.1%.
Optimisation de la conception des modules de type ED
En tant qu'entreprise émergente, il est essentiel pour SwissSEM Technologies AG de mettre ses premiers produits sur le marché en un temps record et de haute qualité. L'optimisation électromagnétique et thermique est essentielle pour d'excellentes performances de l'appareil. Le type ED, une hauteur standard de 17 mm 62 x 152 mm Module IGBT, offre des défis particuliers pour le partage de courant interne entre le IGBTs en raison de sa conception assez longue. La plupart des réseaux classiques souffrent plus ou moins de déséquilibre actuel entre les chips, et notre objectif est de lancer un module avec la meilleure homogénéité de courant possible afin de bénéficier pleinement de notre dernière génération d'IGBT i20.
Avec l'aide du logiciel MFis Wire, nous avons pu générer rapidement diverses variantes de conception, y compris des variations dans la disposition des fils de liaison. Cela nous a permis de simuler les couplages électromagnétiques des variantes dans Q3D et de réaliser des simulations de commutation avec le simulateur SIMetrix Spice en utilisant les modèles de circuits extraits de Q3D. Ces simulations ont servi de base à une meilleure compréhension du dispositif et de ses couplages internes. D'autant plus que des variations déjà minimes de la position et de la forme du fil, de l'ordre du mm, peuvent avoir un impact significatif sur le couplage. Par conséquent, une géométrie simplifiée, telle qu’elle serait obtenue en utilisant l’outil fil disponible dans Q3D, n’est pas suffisante. Grâce aux simulations de transfert de chaleur, une disposition optimisée a été trouvée. Du point de vue de la résistance thermique, les deux variantes de positionnement des puces offrent le même Rth. Cependant, le « Layout droit » offre plus de potentiel pour améliorer le partage de courant par rapport au « Layout classique », notamment pour ralentir l'IGBT #3 qui est le plus proche de la connexion de l'émetteur de puissance commun (voir figure 3). Pour l'optimisation finale de la disposition, la position de la grille de l'IGBT n° 3 a été pivotée et la disposition du fil émetteur principal et du fil de grille a été optimisée (voir figure 4). En conséquence, le déséquilibre actuel a été réduit de 30 % du « Mise en page classique » à 17 % du « Mise en page droite optimisée ». Il s'agit d'une étape importante qui améliore l'équilibrage de charge au sein des IGBT, mais permet également une utilisation plus sûre de la zone de fonctionnement des puces IGBT.
Figure 2: Maillage créé par Ansys Q3D pour les fils de liaison avec des sections transversales circulaires et hexagonales
Figure 3: Comparaison du partage de courant avec différentes configurations et référence thermique
Figure 4: Disposition droite (gauche) - Disposition droite optimisée (droite)
Conclusion
Les outils de simulation actuels pour les simulations thermiques et électromagnétiques sont très puissants, raccourcissent le temps de développement et améliorent considérablement la qualité des conceptions de modules IGBT. Néanmoins, les données d'entrée pour les simulations d'éléments finis doivent être aussi précises que possible et refléter la conception du produit final si l'on veut obtenir le résultat optimal. Surtout pour les détails complexes tels que les liaisons par fil, les simplifications évidentes sont attrayantes à première vue en raison du travail fastidieux et chronophage requis dans la CAO. Cependant, la précision des résultats souffrira de simplifications et le plein potentiel des outils de simulation n'est pas utilisé.
En utilisant le logiciel MFis Wire, le temps est considérablement réduit pour créer des modèles de géométrie 3D complexes de schémas de fils de liaison. L'utilisation d'une section de fil hexagonale dans la géométrie d'entrée de l'extracteur parasite permet un calcul quatre fois plus rapide, ce qui permet d'étudier plusieurs variantes de mise en page en une seule journée de travail. Cette méthode utilisée à SwissSEM a permis d'améliorer le partage de courant interne du module ED-Type par près d'un facteur de deux par rapport aux approches de conception classiques.