Mempercepat elektromagnetik modul dirancang untuk pemanfaatan kinerja Chip maksimum dan ketahanan tertinggi dengan alat terbaru untuk perutean kabel bond dan simulasi elektromagnetik.
Membuat Tata Letak Kawat Bond Menggunakan 3D CAD
Meskipun sistem CAD 3D saat ini sudah mapan dalam pengembangan modul daya untuk pembuatan prototipe virtual dan pembuatan dokumentasi produk yang diperlukan, kabel bond sering hilang dalam model 3D. Sementara kawat ikatan tunggal dapat dimodelkan dengan beberapa busur dan garis, pemodelan tata letak kawat ikatan keseluruhan memakan waktu, karena seringkali setiap kawat ikatan memiliki geometri tersendiri. Untuk mengisi celah ini, versi pertama dari perangkat lunak MFis Wire dirilis pada tahun 2020 oleh MFis GmbH, sebuah perusahaan yang menyediakan layanan dan peralatan teknik dengan fokus pada pengemasan elektronika daya.
MFis Wire menyediakan antarmuka yang ramah pengguna (lihat gambar 1) dan membuat pemodelan 3D kabel wedge, ribbon, dan ball bond cepat. Kawat ikatan ditarik dengan memilih titik awal dan akhir kawat dan secara interaktif menentukan bentuk lingkaran dan putaran kakinya. Banyak perintah CAD seperti salin, pindahkan, cermin, larik dapat digunakan untuk memodifikasi satu atau lebih kabel ikatan atau titik ikatan yang dipilih misalnya untuk menyesuaikan nada deretan kabel ikatan.
Gambar 1: Perangkat lunak MFis Wire, digunakan untuk menyusun tata letak kabel bond modul daya tipe ED
Perangkat lunak ini telah direalisasikan sebagai plug-in untuk platform Rhino3D CAD yang kuat dan terjangkau. Untuk pembuatan tata letak kawat ikatan, hanya diperlukan keterampilan dasar pemodelan CAD. Video pelatihan singkat yang menunjukkan panduan alur kerja pengguna untuk membuat tata letak kabel pertama dalam waktu singkat. Setelah model 3D siap, model tersebut dapat diekspor ke banyak format CAD standar industri atau dikonversi ke gambar 2D dengan koordinat titik ikatan. Karena Rhino3D memiliki fitur rendering yang kuat, gambar tata letak modul daya yang realistis foto dibuat dengan mudah (lihat gambar 4).
Optimasi Geometri untuk Ekstraksi Parasit Cepat
Geometri tata letak kabel ikatan 3D misalnya dapat digunakan untuk dokumentasi, analisis elemen hingga elektro-termal, atau tujuan ekstraksi parasit. Bergantung pada penggunaan yang ditargetkan, geometri penampang kawat harus dipilih secara berbeda. Untuk tujuan dokumentasi, penampang melingkar terlihat paling alami dan memiliki ukuran file paling rendah.
Saat menargetkan analisis elemen hingga elektro-termal, hanya area penampang kabel yang relevan. Pilihan terbaik adalah penampang segitiga dengan luas penampang yang sama dengan kabel asli, yang membuat geometri efisien untuk penyambungan dan perhitungan dan tidak akan mempengaruhi suhu dan resistansi kawat ikatan yang diperoleh sebagai hasil dari analisis elemen hingga.
Untuk ekstraksi parasit, bentuk penampang relevan. Jika digunakan penampang melingkar, mesher ekstraktor parasit akan mendekati bentuk bulat dengan beberapa elemen. Biasanya, trade-off yang lebih baik antara waktu komputasi dan akurasi dicapai ketika aproksimasi sudah diterapkan dalam geometri input. Hasil yang baik diperoleh dengan menggunakan penampang kawat heksagonal.
Pemodelan geometri kabel bond dan ekstraksi parasit dilakukan untuk modul tipe ED dengan layout kabel bond yang terdiri dari 165 kabel, banyak di antaranya memiliki bentuk tersendiri. Setelah dibuat tata letak kabel yang menghubungkan 661 titik, kabel tersebut diekspor dalam varian penampang melingkar dan heksagonal dan diproses menggunakan ekstraktor parasit Ansys Q3D. Gambar 2 menunjukkan perbedaan mesh yang diperoleh untuk varian dengan penampang melingkar dan heksagonal. Untuk kawat dengan penampang melingkar, mesher meletakkan banyak sel segitiga untuk mendekati bentuk bulat, yang menghasilkan hasil yang paling realistis, tetapi membutuhkan 5.5 jam untuk menyatu dibandingkan dengan hanya 71 menit dalam kasus geometri dengan penampang heksagonal . Selain itu, konsumsi memori sebesar 22.3 GB jauh lebih tinggi untuk kabel melingkar daripada 11.4 GB untuk kabel heksagonal. Perbedaan induktansi diri modul yang diperoleh hanya 0.1%.
Optimasi Desain Modul Tipe ED
Sebagai perusahaan berkembang, sangat penting bagi SwissSEM Technologies AG untuk menghadirkan produk pertamanya ke pasar dalam waktu yang singkat dan berkualitas tinggi. Optimasi elektromagnetik dan termal sangat penting untuk kinerja perangkat yang sangat baik. ED-Type, standar industri dengan tinggi 17 mm 62 x 152 mm Modul IGBT, menawarkan tantangan khusus untuk pembagian arus internal antar IGBTs karena desainnya yang agak gondrong. Kebanyakan tata letak klasik mengalami ketidakseimbangan saat ini di antara keduanya keripik, dan merupakan tujuan kami untuk meluncurkan modul dengan homogenitas terbaik saat ini agar dapat memperoleh manfaat penuh dari generasi IGBT i20 terbaru kami.
Dengan bantuan perangkat lunak MFis Wire kami dapat dengan cepat menghasilkan berbagai varian desain termasuk variasi dalam tata letak kawat bond. Ini memungkinkan kami untuk mensimulasikan kopling elektromagnetik dari varian di Q3D dan membuat simulasi switching dengan simulator SIMetrix Spice menggunakan model sirkuit yang diekstraksi dari Q3D. Simulasi ini adalah dasar untuk pemahaman yang lebih baik tentang perangkat dan sambungan internalnya. Terutama karena variasi kecil dari posisi dan bentuk kawat dalam kisaran mm dapat berdampak signifikan pada kopling. Oleh karena itu, geometri yang disederhanakan, seperti yang akan diperoleh saat menggunakan perkakas kawat yang tersedia di Q3D, tidaklah cukup. Bersama dengan simulasi perpindahan panas, tata letak yang dioptimalkan ditemukan. Dari sudut pandang ketahanan termal, kedua varian posisi chip menawarkan Rth yang sama. Namun, "Tata letak lurus" menawarkan lebih banyak potensi untuk meningkatkan pembagian saat ini dibandingkan dengan "Tata letak klasik", terutama untuk memperlambat IGBT # 3 yang paling dekat dengan koneksi pemancar daya umum (lihat gambar 3). Untuk optimasi tata letak akhir, posisi gerbang IGBT # 3 diputar dan tata letak kawat emitor utama dan kawat gerbang dioptimalkan (lihat gambar 4). Hasilnya, ketidakseimbangan saat ini berkurang dari 30% dari "Tata letak klasik" menjadi 17% dari "Tata letak lurus dioptimalkan". Ini adalah langkah signifikan yang meningkatkan penyeimbangan beban dalam IGBT, tetapi juga menghasilkan pemanfaatan area operasi aman yang lebih tinggi dari chip IGBT.
Gambar 2: Jaring yang dibuat oleh Ansys Q3D untuk kabel bond dengan penampang melingkar dan heksagonal
Gambar 3: Perbandingan pembagian arus dengan tata letak dan referensi termal yang berbeda
Gambar 4: Tata letak lurus (kiri) - Tata letak lurus dioptimalkan (kanan)
Kesimpulan
Alat simulasi saat ini untuk simulasi termal dan elektromagnetik sangat kuat, mempersingkat waktu pengembangan dan meningkatkan kualitas desain modul IGBT secara signifikan. Namun, masukan untuk simulasi elemen hingga harus seakurat mungkin dan mencerminkan desain produk akhir jika ingin mendapatkan hasil yang optimal. Khususnya untuk detail yang kompleks seperti ikatan kawat, penyederhanaan yang jelas terlihat menarik pada pandangan pertama karena pekerjaan yang membosankan dan memakan waktu yang diperlukan dalam CAD. Namun, akurasi hasil akan mengalami penyederhanaan, dan potensi penuh dari alat simulasi tidak digunakan.
Dengan menggunakan perangkat lunak MFis Wire, waktu dipersingkat secara signifikan untuk membuat model geometri 3D yang kompleks dari tata letak kabel bond. Menggunakan penampang kawat heksagonal dalam geometri masukan ekstraktor parasit menghasilkan komputasi empat kali lebih cepat, yang memungkinkan untuk menyelidiki beberapa varian tata letak dalam satu hari kerja. Metode ini digunakan di SwissSEM, memungkinkan peningkatan pembagian arus internal modul ED-Type hampir dua kali lipat dibandingkan dengan pendekatan desain klasik.