전자기파의 속도를 높이다 모듈 본드 와이어 라우팅 및 전자기 시뮬레이션을 위한 최신 도구를 사용하여 칩 성능 활용도를 극대화하고 견고성을 극대화하도록 설계했습니다.
3D CAD를 사용하여 본드 와이어 레이아웃 생성
오늘날 3D CAD 시스템은 가상 프로토 타이핑 및 필요한 제품 문서 작성을위한 전력 모듈 개발에서 잘 확립되어 있지만, 본드 와이어는 종종 3D 모델에서 누락됩니다. 단일 본드 와이어는 일부 호와 선을 사용하여 모델링 할 수 있지만 전체 본드 와이어 레이아웃을 모델링하는 것은 종종 각 본드 와이어가 개별 형상을 갖기 때문에 시간이 많이 걸립니다. 이 격차를 메우기 위해 소프트웨어 MFis Wire의 첫 번째 버전은 전력 전자 패키징에 중점을 둔 엔지니어링 서비스와 도구를 제공하는 회사 인 MFis GmbH가 2020 년에 출시했습니다.
MFis Wire는 사용자 친화적 인 인터페이스 (그림 1 참조)를 제공하며 쐐기, 리본 및 볼 본드 와이어의 3D 모델링을 빠르게합니다. 와이어의 시작점과 끝점을 선택하고 루프 모양과 발 회전을 대화식으로 정의하여 본드 와이어를 그립니다. 복사, 이동, 미러링, 배열과 같은 많은 CAD 명령을 사용하여 하나 이상의 선택한 본드 와이어 또는 본드 포인트를 수정하여 본드 와이어 행의 피치를 조정할 수 있습니다.
그림 1 : ED 유형 전력 모듈의 본드 와이어 레이아웃 초안 작성에 사용되는 소프트웨어 MFis Wire
이 소프트웨어는 강력하고 경제적 인 Rhino3D CAD 플랫폼을위한 플러그인으로 구현되었습니다. 본드 와이어 레이아웃을 생성하려면 CAD 모델링의 기본 기술 만 필요합니다. 워크 플로우를 보여주는 짧은 교육 비디오는 사용자가 짧은 시간 내에 첫 번째 와이어 레이아웃을 생성하도록 안내합니다. 3D 모델이 준비되면 여러 산업 표준 CAD 형식으로 내보내거나 본드 포인트 좌표가있는 2D 도면으로 변환 할 수 있습니다. Rhino3D에는 강력한 렌더링 기능이 있기 때문에 전력 모듈 레이아웃의 사실적인 이미지가 적은 노력으로 생성됩니다 (그림 4 참조).
빠른 기생 추출을위한 형상 최적화
예를 들어 3D 본드 와이어 레이아웃 지오메트리는 문서화, 전열 유한 요소 분석 또는 기생 추출 목적으로 사용될 수 있습니다. 대상 용도에 따라 와이어 단면 형상을 다르게 선택해야합니다. 문서화를 위해 원형 횡단면이 가장 자연스럽게 보이고 파일 크기가 가장 작습니다.
전열 유한 요소 분석을 목표로 할 때 와이어의 단면적 만 관련이 있습니다. 가장 좋은 선택은 원래 와이어와 동일한 단면적을 가진 삼각형 단면입니다. 이는 형상을 메시 및 계산에 효율적으로 만들고 유한 요소 분석의 결과로 얻은 본드 와이어 온도 및 저항에 영향을주지 않습니다.
기생 추출의 경우 단면 모양이 관련됩니다. 원형 횡단면이 사용되는 경우 기생 추출기의 메셔는 여러 요소를 사용하여 둥근 모양에 가깝게 만듭니다. 일반적으로 입력 지오메트리에 근사치가 이미 구현 된 경우 컴퓨팅 시간과 정확도 사이의 더 나은 균형이 이루어집니다. 육각형 와이어 단면을 사용하면 좋은 결과를 얻을 수 있습니다.
본드 와이어 지오메트리 모델링 및 기생 추출은 165 개의 와이어로 구성된 본드 와이어 레이아웃을 사용하여 ED 형 모듈에 대해 수행되었으며, 대부분은 개별 모양을가집니다. 661 개의 점을 연결하는 와이어 레이아웃을 만든 후 와이어를 원형 및 육각형 단면의 변형으로 내보내고 기생 추출기 Ansys Q3D를 사용하여 처리했습니다. 그림 2는 원형 및 육각형 단면의 변형에 대해 얻은 메시의 차이를 보여줍니다. 원형 단면이있는 와이어의 경우 메셔는 둥근 모양에 가깝게 많은 삼각형 셀을 배치하여 가장 사실적인 결과를 얻었지만 5.5 각형 단면이있는 형상의 경우 71 분에 불과한 반면 수렴하는 데 22.3 시간이 필요했습니다. . 또한 11.4GB의 메모리 소비는 원형 와이어의 경우 0.1 각형 와이어의 경우 XNUMXGB보다 훨씬 높았습니다. 얻은 모듈 자체 인덕턴스의 차이는 XNUMX %에 불과했습니다.
ED 형 모듈 설계 최적화
신흥 기업으로서 SwissSEM Technologies AG는 고품질의 단기간에 첫 제품을 시장에 출시하는 것이 중요합니다. 전자기 및 열 최적화는 우수한 장치 성능을 위해 필수적입니다. ED-Type, 산업 표준 17mm 높이 62 x 152mm IGBT 모듈, 내부 전류 공유에 대한 특별한 과제를 제공합니다. IGBT길쭉한 디자인 때문이다. 대부분의 클래식 레이아웃은 다음과 같은 현재 불균형을 겪습니다. 칩최신 IGBT i20 세대의 이점을 최대한 활용하기 위해 가능한 최고의 전류 동질성을 갖춘 모듈을 출시하는 것이 우리의 목표입니다.
MFis Wire 소프트웨어의 도움으로 본드 와이어 레이아웃의 변형을 포함하여 다양한 설계 변형을 신속하게 생성 할 수있었습니다. 이를 통해 Q3D 변형의 전자기 결합을 시뮬레이션하고 Q3D에서 추출한 회로 모델을 사용하여 SIMetrix Spice 시뮬레이터로 스위칭 시뮬레이션을 수행 할 수있었습니다. 이러한 시뮬레이션은 장치와 내부 커플 링을 더 잘 이해하기위한 기초가되었습니다. 특히 mm 범위의 와이어 위치와 모양의 작은 변화는 커플 링에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 Q3D에서 제공되는 와이어 도구를 사용할 때 얻을 수있는 단순화 된 지오메트리는 충분하지 않습니다. 열 전달 시뮬레이션과 함께 최적화 된 레이아웃이 발견되었습니다. 열 저항의 관점에서 칩 포지셔닝의 두 변형 모두 동일한 Rth를 제공합니다. 그러나 "Layout straight"는 "Layout classic"에 비해 전류 공유를 개선 할 수있는 더 많은 잠재력을 제공합니다. 특히 공통 전력 방출기 연결에 가장 가까운 IGBT # 3 속도를 늦출 수 있습니다 (그림 3 참조). 최종 레이아웃 최적화를 위해 IGBT # 3의 게이트 위치가 회전되고 메인 이미 터 와이어 및 게이트 와이어 레이아웃이 최적화되었습니다 (그림 4 참조). 그 결과 현재 불균형이 "클래식 레이아웃"의 30 %에서 "레이아웃 스트레이트 최적화"의 17 %로 감소했습니다. 이것은 IGBT 내의로드 밸런싱을 개선하는 중요한 단계이지만 IGBT 칩의 더 높은 안전한 작동 영역 활용도를 제공합니다.
그림 2 : 원형 및 육각형 단면이있는 본드 와이어를 위해 Ansys Q3D에서 생성 한 메시
그림 3 : 다양한 레이아웃 및 열 참조를 사용한 전류 공유 비교
그림 4 : 레이아웃 직선 (왼쪽) – 레이아웃 직선 최적화 (오른쪽)
결론
오늘날의 열 및 전자기 시뮬레이션을위한 시뮬레이션 도구는 매우 강력하고 개발 시간을 단축하며 IGBT 모듈 설계의 품질을 크게 향상시킵니다. 그러나 유한 요소 시뮬레이션을위한 입력은 가능한 한 정확해야하며 최적의 결과를 얻으려면 최종 제품 설계를 반영해야합니다. 특히 와이어 본드와 같은 복잡한 세부 사항의 경우 CAD에서 필요한 지루하고 시간이 많이 걸리는 작업으로 인해 명백한 단순화가 언뜻보기에 매력적입니다. 그러나 결과의 정확성은 단순화로 인해 어려움을 겪고 시뮬레이션 도구의 잠재력을 최대한 활용하지 못합니다.
소프트웨어 MFis Wire를 사용하면 본드 와이어 레이아웃의 복잡한 3D 지오메트리 모델을 생성하는 시간이 크게 단축됩니다. 기생 추출기의 입력 지오메트리에 육각형 와이어 단면을 사용하면 계산 속도가 XNUMX 배 빨라져 하루에 여러 레이아웃 변형을 조사 할 수 있습니다. SwissSEM에서 사용 된이 방법은 기존 설계 접근 방식에 비해 ED-Type 모듈의 내부 전류 공유를 거의 XNUMX 배 향상시킬 수있었습니다.