Accelerare l'elettromagnetismo modulo design per il massimo utilizzo delle prestazioni del chip e la massima robustezza con gli strumenti più recenti per l'instradamento dei cavi di collegamento e le simulazioni elettromagnetiche.
Creazione di layout di filo di giunzione utilizzando CAD 3D
Sebbene i sistemi CAD 3D oggi siano ben consolidati nello sviluppo di moduli di potenza per la prototipazione virtuale e la creazione della documentazione necessaria del prodotto, i fili di collegamento spesso mancano nei modelli 3D. Mentre un singolo filo di collegamento può essere modellato con alcuni archi e linee, la modellazione di un intero layout di filo di collegamento richiede tempo, poiché spesso ogni filo di collegamento ha la sua geometria individuale. Per colmare questa lacuna, la prima versione del software MFis Wire è stata rilasciata nel 2020 da MFis GmbH, una società che fornisce servizi e strumenti di ingegneria con un focus sull'imballaggio dell'elettronica di potenza.
MFis Wire fornisce un'interfaccia intuitiva (vedere la figura 1) e rende veloce la modellazione 3D di fili a cuneo, nastro e sferici. Un filo di collegamento viene disegnato selezionando il punto iniziale e finale del filo e definendo in modo interattivo la sua forma ad anello e la rotazione del piede. Molti comandi CAD come copia, sposta, specchia, matrice possono essere utilizzati per modificare uno o più fili o punti di unione selezionati, ad esempio per regolare il passo di una fila di fili di connessione.
Figura 1: Il software MFis Wire, utilizzato per disegnare il layout del filo di collegamento del modulo di alimentazione di tipo ED
Il software è stato realizzato come plug-in per la potente e conveniente piattaforma CAD Rhino3D. Per la creazione di layout di filo di giunzione sono necessarie solo le competenze di base della modellazione CAD. Brevi video di formazione che mostrano il flusso di lavoro guidano l'utente nella creazione dei primi layout di fili in breve tempo. Una volta che un modello 3D è pronto, può essere esportato in molti formati CAD standard del settore o convertito in un disegno 2D con coordinate del punto di unione. Poiché Rhino3D dispone di potenti funzionalità di rendering, le immagini fotorealistiche del layout di un modulo di alimentazione vengono create con poco sforzo (vedere la figura 4).
Ottimizzazione della geometria per un'estrazione rapida di parassiti
Una geometria del layout del filo di legame 3D può ad esempio essere utilizzata per la documentazione, l'analisi elettrotermica degli elementi finiti o per scopi di estrazione parassita. A seconda dell'uso mirato, la geometria della sezione trasversale del filo deve essere scelta in modo diverso. Ai fini della documentazione, una sezione trasversale circolare sembra più naturale e ha una dimensione del file più bassa.
Quando si punta all'analisi elettrotermica agli elementi finiti, è rilevante solo l'area della sezione trasversale di un filo. La scelta migliore è una sezione trasversale triangolare con la stessa area della sezione trasversale del filo originale, che rende la geometria efficiente per la mesh e il calcolo e non influenzerà le temperature del filo di collegamento e le resistenze ottenute come risultato dell'analisi agli elementi finiti.
Per l'estrazione parassitaria, la forma della sezione trasversale è rilevante. Se viene utilizzata una sezione trasversale circolare, il mesher dell'estrattore parassita approssimerà la forma rotonda con diversi elementi. In genere, si ottiene un migliore compromesso tra tempo di elaborazione e precisione quando l'approssimazione è già implementata nella geometria di input. Buoni risultati si ottengono utilizzando una sezione trasversale del filo esagonale.
La modellazione della geometria del filo di collegamento e l'estrazione parassita sono state eseguite per il modulo di tipo ED con un layout del filo di collegamento costituito da 165 fili, molti dei quali hanno la loro forma individuale. Dopo aver realizzato la disposizione dei fili, che collega 661 punti, i fili sono stati esportati nelle varianti con sezione circolare ed esagonale e lavorati utilizzando l'estrattore parassita Ansys Q3D. La figura 2 mostra la differenza di maglia ottenuta per le varianti con sezione circolare ed esagonale. Per il filo con una sezione trasversale circolare, il mesher mette molte celle triangolari per approssimare la forma rotonda, il che ha portato a risultati più realistici, ma ha impiegato 5.5 ore per convergere in contrasto con solo 71 minuti nel caso della geometria con sezione trasversale esagonale . Inoltre, il consumo di memoria di 22.3 GB era molto più elevato per i fili circolari rispetto a 11.4 GB per i fili esagonali. La differenza nell'autoinduttanza del modulo ottenuto era solo dello 0.1%.
Ottimizzazione del progetto del modulo di tipo ED
In quanto azienda emergente, è fondamentale per SwissSEM Technologies AG portare i suoi primi prodotti sul mercato in tempi brevi e di alta qualità. L'ottimizzazione elettromagnetica e termica sono essenziali per prestazioni eccellenti del dispositivo. Il tipo ED, un'altezza standard del settore di 17 mm 62 x 152 mm Modulo IGBT, offre sfide speciali per la condivisione della corrente interna tra i IGBTCiò è dovuto al suo design allungato. La maggior parte dei layout classici soffre di uno squilibrio più o meno attuale tra i chip, ed il nostro obiettivo è lanciare un modulo con la migliore omogeneità di corrente possibile per sfruttare appieno i vantaggi della nostra ultima generazione di IGBT i20.
Con l'aiuto del software MFis Wire siamo stati in grado di generare rapidamente varie varianti di progettazione, comprese variazioni nella disposizione del filo di collegamento. Ciò ci ha permesso di simulare gli accoppiamenti elettromagnetici delle varianti in Q3D e di effettuare simulazioni di commutazione con il simulatore SIMetrix Spice utilizzando i modelli circuitali estratti da Q3D. Queste simulazioni sono state la base per una migliore comprensione del dispositivo e dei suoi accoppiamenti interni. Soprattutto perché già piccole variazioni della posizione e della forma del filo nell'ordine dei mm possono avere un impatto significativo sull'accoppiamento. Pertanto una geometria semplificata, come si otterrebbe utilizzando lo strumento wire disponibile in Q3D, non è sufficiente. Insieme alle simulazioni del trasferimento di calore è stato trovato un layout ottimizzato. Dal punto di vista della resistenza termica, entrambe le varianti di posizionamento del chip offrono lo stesso Rth. Tuttavia, il “Layout dritto” offre maggiori potenzialità per migliorare la condivisione della corrente rispetto al “Layout classico”, in particolare per rallentare l’IGBT n. 3 che è più vicino alla connessione del comune emettitore di potenza (vedere figura 3). Per l'ottimizzazione del layout finale, la posizione del gate dell'IGBT n. 3 è stata ruotata e la disposizione del filo dell'emettitore principale e del filo del gate è stata ottimizzata (vedere figura 4). Di conseguenza, lo squilibrio attuale è stato ridotto dal 30% del “Layout classico” al 17% del “Layout rettilineo ottimizzato”. Si tratta di un passo significativo che migliora il bilanciamento del carico all'interno degli IGBT, ma garantisce anche un utilizzo più sicuro dell'area operativa dei chip IGBT.
Figura 2: Rete creata da Ansys Q3D per fili di collegamento con sezioni trasversali circolari ed esagonali
Figura 3: Confronto della condivisione di corrente con diversi layout e riferimento termico
Figura 4: Layout dritto (a sinistra) - Layout dritto ottimizzato (a destra)
Conclusione
Gli strumenti di simulazione odierni per le simulazioni termiche ed elettromagnetiche sono molto potenti, riducono i tempi di sviluppo e migliorano significativamente la qualità dei progetti dei moduli IGBT. Tuttavia, l'input per le simulazioni agli elementi finiti deve essere il più accurato possibile e riflettere il progetto finale del prodotto se si vuole ottenere il risultato ottimale. Soprattutto per dettagli complessi come le giunzioni a filo, le ovvie semplificazioni sono attraenti a prima vista a causa del lavoro noioso e dispendioso in termini di tempo che richiede nel CAD. Tuttavia, l'accuratezza dei risultati risentirà delle semplificazioni e il pieno potenziale degli strumenti di simulazione non viene utilizzato.
Utilizzando il software MFis Wire, il tempo è notevolmente ridotto per la creazione di modelli geometrici 3D complessi di layout di filo di giunzione. L'utilizzo della sezione trasversale del filo esagonale nella geometria di ingresso dell'estrattore parassita risulta in un calcolo quattro volte più veloce, il che rende possibile studiare diverse varianti di layout in una singola giornata lavorativa. Questo metodo utilizzato presso SwissSEM, ha consentito un miglioramento della condivisione di corrente interna del modulo ED-Type di quasi un fattore due rispetto agli approcci di progettazione classici.