Mempercepatkan elektromagnet modul reka bentuk untuk penggunaan prestasi Cip maksimum dan keteguhan tertinggi dengan alatan terkini untuk penghalaan wayar ikatan dan simulasi elektromagnet.
Membuat Susun atur Kawat Ikatan Menggunakan 3D CAD
Walaupun sistem CAD 3D hari ini mapan dalam pengembangan modul kuasa untuk prototaip maya dan pembuatan dokumentasi produk yang diperlukan, wayar ikatan sering hilang dalam model 3D. Walaupun wayar ikatan tunggal dapat dimodelkan dengan beberapa busur dan garis, pemodelan keseluruhan susunan wayar ikatan memakan masa, kerana selalunya setiap wayar ikatan mempunyai geometri tersendiri. Untuk mengisi jurang ini, versi pertama perisian MFis Wire dikeluarkan pada tahun 2020 oleh MFis GmbH, sebuah syarikat yang menyediakan perkhidmatan dan alat kejuruteraan dengan fokus pada pembungkusan elektronik kuasa.
MFis Wire menyediakan antara muka yang mesra pengguna (lihat gambar 1) dan membuat pemodelan 3D wayar baji, pita, dan ikatan bola cepat. Kawat ikatan dilukis dengan memilih titik permulaan dan akhir wayar dan secara interaktif menentukan bentuk gelung dan putaran kaki. Banyak arahan CAD seperti copy, move, mirror, array dapat digunakan untuk mengubahsuai satu atau lebih wayar ikatan atau titik ikatan yang dipilih misalnya untuk menyesuaikan nada deretan wayar ikatan.
Gambar 1: Perisian MFis Wire, digunakan untuk merangka susun atur wayar ikatan modul kuasa jenis ED
Perisian ini telah direalisasikan sebagai pemalam untuk platform Rhino3D CAD yang kuat dan berpatutan. Untuk membuat susunan wayar ikatan, hanya diperlukan kemahiran asas pemodelan CAD. Video latihan pendek yang menunjukkan aliran kerja membimbing pengguna membuat susun atur wayar pertama dalam masa yang singkat. Setelah model 3D siap, ia dapat dieksport ke banyak format CAD standard industri atau ditukar menjadi gambar 2D dengan koordinat titik ikatan. Oleh kerana Rhino3D mempunyai ciri rendering yang kuat, gambar realistik foto dari susun atur modul kuasa dibuat dengan usaha yang rendah (lihat gambar 4).
Pengoptimuman Geometri untuk Pengekstrakan Parasitik Pantas
Geometri susun atur wayar ikatan 3D misalnya dapat digunakan untuk dokumentasi, analisis elemen terhingga elektro-termal atau tujuan pengekstrakan parasit. Bergantung pada penggunaan yang disasarkan, geometri keratan rentas wayar mesti dipilih secara berbeza. Untuk tujuan dokumentasi, keratan rentas bulat kelihatan paling semula jadi dan mempunyai ukuran fail yang paling rendah.
Semasa mensasarkan analisis elemen terhingga elektro-termal, hanya luas keratan rentas wayar yang relevan. Pilihan terbaik adalah keratan rentas segitiga dengan luas keratan rentas yang sama dengan wayar asal, yang menjadikan geometri cekap untuk mencantum dan pengiraan dan tidak akan mempengaruhi suhu dan rintangan wayar ikatan yang diperoleh hasil daripada analisis elemen terhingga.
Untuk pengekstrakan parasit, bentuk keratan rentas adalah relevan. Sekiranya keratan rentas bulat digunakan, mesher pengekstrak parasit akan menghampiri bentuk bulat dengan beberapa elemen. Biasanya, pertukaran yang lebih baik antara masa dan ketepatan pengkomputeran dicapai apabila penghampiran sudah dilaksanakan dalam geometri input. Hasil yang baik diperoleh dengan menggunakan keratan rentas dawai heksagon.
Pemodelan geometri wayar ikatan dan pengekstrakan parasit dilakukan untuk modul jenis ED dengan susun atur wayar ikatan yang terdiri daripada 165 wayar, kebanyakannya mempunyai bentuk masing-masing. Setelah membuat susun atur wayar, yang menghubungkan 661 titik, wayar dieksport dalam varian dengan keratan rentas bulat dan heksagon dan diproses menggunakan pengekstrak parasit Ansys Q3D. Rajah 2 menunjukkan perbezaan mesh yang diperoleh untuk varian dengan keratan rentas bulat dan heksagon. Untuk wayar dengan keratan rentas bulat, mesher meletakkan banyak sel segitiga untuk menghampiri bentuk bulat, yang menghasilkan hasil yang paling realistik, tetapi memerlukan 5.5 jam untuk berkumpul berbeza dengan hanya 71 minit sekiranya geometri dengan keratan rentas heksagon . Juga, penggunaan memori 22.3 GB jauh lebih tinggi untuk wayar bulat daripada 11.4 GB untuk wayar heksagon. Perbezaan induktansi kendiri modul yang diperoleh hanyalah 0.1%.
Pengoptimuman Reka Bentuk Modul Jenis ED
Sebagai syarikat yang baru muncul, sangat penting bagi SwissSEM Technologies AG untuk membawa produk pertamanya ke pasaran dalam kualiti tinggi dan masa yang singkat. Pengoptimuman elektromagnetik dan termal sangat penting untuk prestasi peranti yang sangat baik. Jenis ED, standard industri dengan ketinggian 17 mm 62 x 152 mm Modul IGBT, menawarkan cabaran khas untuk perkongsian semasa dalaman antara IGBTs kerana reka bentuknya yang panjang. Kebanyakan susun atur klasik mengalami lebih kurang ketidakseimbangan semasa antara cip, dan adalah matlamat kami untuk melancarkan modul dengan kehomogenan semasa yang terbaik untuk mendapat manfaat penuh generasi IGBT i20 kami yang terkini.
Dengan bantuan perisian MFis Wire kami dapat menjana pelbagai varian reka bentuk dengan cepat termasuk variasi dalam susun atur wayar ikatan. Ini membolehkan kami mensimulasikan gandingan elektromagnet bagi varian dalam Q3D dan membuat simulasi pensuisan dengan simulator Rempah SIMetrix menggunakan model litar yang diekstrak daripada Q3D. Simulasi ini adalah asas untuk pemahaman yang lebih baik tentang peranti dan gandingan dalamannya. Terutamanya kerana variasi kecil kedudukan dan bentuk wayar dalam julat mm boleh memberi kesan yang ketara pada gandingan. Oleh itu, geometri yang dipermudahkan, seperti yang akan diperolehi apabila menggunakan alat wayar yang terdapat dalam Q3D, adalah tidak mencukupi. Bersama-sama dengan simulasi pemindahan haba, susun atur yang dioptimumkan ditemui. Dari sudut rintangan haba, kedua-dua varian kedudukan cip menawarkan Rth yang sama. Walau bagaimanapun, "Layout straight" menawarkan lebih banyak potensi untuk meningkatkan perkongsian semasa berbanding dengan "Layout classic", terutamanya untuk memperlahankan IGBT #3 yang paling hampir dengan sambungan pemancar kuasa biasa (lihat rajah 3). Untuk pengoptimuman susun atur akhir, kedudukan get IGBT #3 telah diputar dan susun atur wayar pemancar utama dan wayar get telah dioptimumkan (lihat rajah 4). Akibatnya, ketidakseimbangan semasa telah dikurangkan daripada 30% daripada "Susun atur Klasik" kepada 17% daripada "Susun atur lurus dioptimumkan". Ini merupakan langkah penting yang meningkatkan pengimbangan beban dalam IGBT, tetapi juga menghasilkan penggunaan kawasan operasi selamat yang lebih tinggi bagi cip IGBT.
Gambar 2: Mesh yang dibuat oleh Ansys Q3D untuk wayar ikatan dengan keratan rentas bulat dan heksagon
Gambar 3: Perbandingan perkongsian semasa dengan susun atur dan rujukan terma yang berbeza
Gambar 4: Tata letak lurus (kiri) - Tata letak lurus dioptimumkan (kanan)
Kesimpulan
Alat simulasi hari ini untuk simulasi termal dan elektro-magnetik sangat hebat, memendekkan masa pembangunan dan meningkatkan kualiti reka bentuk modul IGBT dengan ketara. Masih, input untuk simulasi elemen hingga harus seakurat mungkin dan mencerminkan reka bentuk produk akhir jika hasil yang optimum dapat dicapai. Terutama untuk perincian yang kompleks seperti ikatan wayar, penyederhanaan yang jelas menarik pada pandangan pertama kerana kerja yang membosankan dan memakan masa yang diperlukan dalam CAD. Namun, ketepatan hasilnya akan mengalami penyederhanaan, dan potensi penuh alat simulasi tidak digunakan.
Dengan menggunakan perisian MFis Wire, masa diperpendek dengan ketara untuk membuat model geometri 3D yang kompleks mengenai susunan wayar ikatan. Menggunakan penampang wayar heksagon dalam geometri input pengekstrak parasit menghasilkan pengiraan empat kali lebih cepat, yang memungkinkan untuk menyelidiki beberapa varian susun atur dalam satu hari kerja. Kaedah ini digunakan di SwissSEM, memungkinkan peningkatan perkongsian arus dalaman modul ED-Type dengan hampir dua faktor berbanding pendekatan reka bentuk klasik.