電磁波の高速化 モジュール ボンドワイヤ配線および電磁シミュレーション用の最新ツールを使用して、チップのパフォーマンスを最大限に活用し、最高の堅牢性を実現する設計を実現します。
3DCADを使用したボンドワイヤレイアウトの作成
今日の3DCADシステムは、仮想プロトタイピングおよび必要な製品ドキュメントの作成のためのパワーモジュール開発で十分に確立されていますが、3Dモデルではボンドワイヤが欠落していることがよくあります。 単一のボンドワイヤはいくつかの円弧と線でモデル化できますが、各ボンドワイヤには個別のジオメトリがあることが多いため、ボンドワイヤレイアウト全体のモデル化には時間がかかります。 このギャップを埋めるために、ソフトウェアMFisWireの最初のバージョンが2020年にパワーエレクトロニクスパッケージングに焦点を当てたエンジニアリングサービスとツールを提供する会社であるMFisGmbHによってリリースされました。
MFis Wireは、ユーザーフレンドリーなインターフェイス（図1を参照）を提供し、ウェッジ、リボン、およびボールボンドワイヤの3Dモデリングを高速化します。 ボンドワイヤは、ワイヤの始点と終点を選択し、ループの形状と足の回転をインタラクティブに定義することで描画されます。 コピー、移動、ミラーリング、アレイなどの多くのCADコマンドを使用して、選択したXNUMXつ以上のボンドワイヤまたはボンドポイントを変更できます。たとえば、ボンドワイヤの列のピッチを調整できます。
図1：EDタイプのパワーモジュールのボンドワイヤレイアウトのドラフトに使用されるソフトウェアMFis Wire
このソフトウェアは、強力で手頃な価格のRhino3DCADプラットフォームのプラグインとして実現されています。 ボンドワイヤレイアウトの作成には、CADモデリングの基本的なスキルのみが必要です。 ワークフローを示す短いトレーニングビデオは、ユーザーが短時間で最初のワイヤーレイアウトを作成するようにガイドします。 3Dモデルの準備ができたら、多くの業界標準のCAD形式にエクスポートしたり、結合点座標を使用して2D図面に変換したりできます。 Rhino3Dには強力なレンダリング機能があるため、パワーモジュールレイアウトの写実的な画像が少ない労力で作成されます（図4を参照）。
高速寄生抽出のための形状最適化
3Dボンドワイヤレイアウトジオメトリは、たとえば、文書化、電熱有限要素解析、または寄生抽出の目的で使用できます。 対象となる用途に応じて、ワイヤの断面形状を異なる方法で選択する必要があります。 文書化の目的で、円形の断面は最も自然に見え、ファイルサイズが最小になります。
電熱有限要素解析を対象とする場合、ワイヤの断面積のみが関連します。 最良の選択は、元のワイヤと同じ断面積を持つ三角形の断面です。これにより、ジオメトリがメッシュ作成と計算に効率的になり、有限要素解析の結果として得られるボンドワイヤの温度と抵抗に影響を与えません。
寄生抽出の場合、断面形状が関係します。 円形の断面を使用する場合、寄生抽出器のメッシャーは、いくつかの要素で丸い形状に近づきます。 通常、近似が入力ジオメトリにすでに実装されている場合、計算時間と精度の間のより良いトレードオフが達成されます。 六角形のワイヤー断面を使用すると、良好な結果が得られます。
ボンドワイヤの形状モデリングと寄生抽出は、165本のワイヤで構成されるボンドワイヤレイアウトを備えたEDタイプのモジュールに対して行われ、その多くは個別の形状を持っています。 661ポイントを接続するワイヤレイアウトを作成した後、ワイヤは円形および六角形の断面を持つバリアントでエクスポートされ、寄生エクストラクタAnsysQ3Dを使用して処理されました。 図2は、断面が円形と六角形のバリアントで得られたメッシュの違いを示しています。 円形断面のワイヤーの場合、メッシャーは円形に近似するために多くの三角形のセルを配置します。これにより、最も現実的な結果が得られましたが、六角形の断面のジオメトリの場合のわずか5.5分とは対照的に、収束には71時間かかりました。 また、22.3 GBのメモリ消費量は、六角形のワイヤの11.4GBよりも円形のワイヤの方がはるかに高かった。 得られたモジュールの自己インダクタンスの差はわずか0.1％でした。
EDタイプのモジュール設計の最適化
新興企業として、SwissSEM Technologies AGは、最初の製品を高品質かつ短期間で市場に投入することが重要です。 優れたデバイス性能を得るには、電磁的および熱的最適化が不可欠です。 EDタイプ、業界標準の高さ17 mm 62 x 152 mm IGBTモジュール、間の内部電流共有に特別な課題を提供します。 IGBT長めのデザインのため。 ほとんどの古典的なレイアウトでは、多かれ少なかれ、電流の不均衡が生じます。 チップ最新の IGBT i20 世代の利点を最大限に活用するために、可能な限り最高の電流均質性を備えたモジュールを発売することが私たちの目標です。
MFis Wireソフトウェアの助けを借りて、ボンドワイヤレイアウトのバリエーションを含むさまざまなデザインバリエーションをすばやく生成することができました。 これにより、Q3Dのバリアントの電磁結合をシミュレートし、Q3Dから抽出された回路モデルを使用してSIMetrixSpiceシミュレーターでスイッチングシミュレーションを行うことができました。 これらのシミュレーションは、デバイスとその内部結合をよりよく理解するための基礎となりました。 特に、mm範囲でのワイヤの位置と形状の小さな変化は、カップリングに大きな影響を与える可能性があるためです。 したがって、Q3Dで利用可能なワイヤーツールを使用したときに得られるような単純化されたジオメトリでは不十分です。 熱伝達シミュレーションとともに、最適化されたレイアウトが見つかりました。 熱抵抗の観点から、チップ位置決めの両方のバリエーションは同じRthを提供します。 ただし、「レイアウトストレート」は、「レイアウトクラシック」と比較して、特に一般的なパワーエミッタ接続に最も近いIGBT＃3の速度を低下させるために、電流共有を改善する可能性が高くなります（図3を参照）。 最終的なレイアウトの最適化では、IGBT＃3のゲート位置を回転させ、メインエミッタワイヤとゲートワイヤのレイアウトを最適化しました（図4を参照）。 その結果、現在の不均衡は「クラシックレイアウト」の30％から「ストレート最適化レイアウト」の17％に減少しました。 これは、IGBT内の負荷分散を改善するだけでなく、IGBTチップのより高い安全動作領域の使用率をもたらす重要なステップです。
図2：円形および六角形の断面を持つボンドワイヤ用にAnsysQ3Dによって作成されたメッシュ
図3：さまざまなレイアウトと熱基準による電流共有の比較
図4：まっすぐなレイアウト（左）–まっすぐに最適化されたレイアウト（右）
まとめ
熱シミュレーションおよび電磁シミュレーション用の今日のシミュレーションツールは非常に強力であり、開発時間を短縮し、IGBTモジュール設計の品質を大幅に向上させます。 それでも、有限要素シミュレーションの入力は、最適な結果を達成するために、可能な限り正確であり、最終製品の設計を反映する必要があります。 特にワイヤボンドのような複雑な詳細の場合、CADで必要となる面倒で時間のかかる作業のため、一見したところ明らかな単純化が魅力的です。 ただし、結果の精度は単純化の影響を受け、シミュレーションツールの可能性を十分に活用できません。
ソフトウェアMFisWireを使用することにより、ボンドワイヤレイアウトの複雑な3Dジオメトリモデルを作成するための時間が大幅に短縮されます。 寄生エクストラクタの入力ジオメトリで六角形のワイヤ断面を使用すると、計算がXNUMX倍高速になり、XNUMX日で複数のレイアウトバリアントを調査できます。 SwissSEMで使用されているこの方法により、従来の設計アプローチと比較して、EDタイプモジュールの内部電流共有をほぼXNUMX倍に改善することができました。