Het versnellen van de elektromagnetische werking module ontwerp voor maximale benutting van chipprestaties en hoogste robuustheid met de nieuwste tools voor het routeren van verbindingsdraden en elektromagnetische simulaties.
Bond-draadlay-outs maken met 3D CAD
Hoewel 3D CAD-systemen tegenwoordig goed ingeburgerd zijn in de ontwikkeling van voedingsmodules voor virtuele prototyping en het creëren van de nodige productdocumentatie, ontbreken de verbindingsdraden vaak in 3D-modellen. Hoewel een enkele verbindingsdraad kan worden gemodelleerd met enkele bogen en lijnen, is het modelleren van een hele verbindingsdraadlay-out tijdrovend, aangezien vaak elke verbindingsdraad zijn individuele geometrie heeft. Om deze leemte op te vullen, werd in 2020 de eerste versie van de software MFis Wire uitgebracht door MFis GmbH, een bedrijf dat technische diensten en tools levert met een focus op verpakkingen van vermogenselektronica.
MFis Wire biedt een gebruiksvriendelijke interface (zie figuur 1) en maakt 3D-modellering van wedge-, lint- en ball-bond-draden snel. Een verbindingsdraad wordt getrokken door het begin- en eindpunt van de draad te selecteren en interactief de lusvorm en voetrotatie te definiëren. Veel CAD-opdrachten zoals kopiëren, verplaatsen, spiegelen, array kunnen worden gebruikt om een of meer geselecteerde verbindingsdraden of verbindingspunten te wijzigen, bijvoorbeeld voor het aanpassen van de spoed van een rij verbindingsdraden.
Figuur 1: De software MFis Wire, gebruikt voor het opstellen van de verbindingsdraadlay-out van de ED-type voedingsmodule
De software is gerealiseerd als plug-in voor het krachtige en betaalbare Rhino3D CAD-platform. Voor het maken van verbindingsdraadlay-outs zijn alleen basisvaardigheden van CAD-modellering nodig. Korte trainingsvideo's die de workflow laten zien, begeleiden de gebruiker om in korte tijd de eerste draadlay-outs te maken. Zodra een 3D-model gereed is, kan het worden geëxporteerd naar vele industriestandaard CAD-formaten of geconverteerd naar een 2D-tekening met coördinaten van verbindingspunten. Omdat Rhino3D over krachtige weergavefuncties beschikt, worden fotorealistische afbeeldingen van de lay-out van een voedingsmodule met weinig moeite gemaakt (zie figuur 4).
Geometrie-optimalisatie voor snelle parasitaire extractie
Een 3D-geometrie van de verbindingsdraadlay-out kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor documentatie, elektro-thermische eindige-elementenanalyse of parasitaire extractie. Afhankelijk van het beoogde gebruik moet de geometrie van de draaddoorsnede anders worden gekozen. Voor documentatiedoeleinden ziet een ronde doorsnede er het meest natuurlijk uit en heeft deze de laagste bestandsgrootte.
Bij elektro-thermische eindige-elementenanalyse is alleen het dwarsdoorsnedegebied van een draad relevant. De beste keuze is een driehoekige doorsnede met hetzelfde dwarsdoorsnedegebied als de originele draad, wat de geometrie efficiënt maakt voor meshing en berekening en geen invloed heeft op de temperatuur van de verbindingsdraad en de weerstanden die worden verkregen als resultaat van de eindige-elementenanalyse.
Voor parasitaire extractie is de dwarsdoorsnedevorm relevant. Als een cirkelvormige doorsnede wordt gebruikt, zal de mesher van de parasitaire extractor de ronde vorm benaderen met verschillende elementen. Meestal wordt een betere afweging tussen rekentijd en nauwkeurigheid bereikt wanneer de benadering al is geïmplementeerd in de invoergeometrie. Goede resultaten worden verkregen met een zeshoekige draaddoorsnede.
Modellering van verbindingsdraadgeometrie en parasitaire extractie werd gedaan voor de ED-type module met een verbindingsdraadlay-out bestaande uit 165 draden, waarvan vele hun individuele vorm hadden. Na het maken van de draadlayout, die 661 punten met elkaar verbindt, werden de draden geëxporteerd in varianten met ronde en zeshoekige doorsneden en verwerkt met behulp van de parasitaire extractor Ansys Q3D. In figuur 2 is het verschil in maaswijdte weergegeven voor de varianten met ronde en zeshoekige doorsneden. Voor de draad met een cirkelvormige doorsnede plaatst de mesher veel driehoekige cellen om de ronde vorm te benaderen, wat resulteerde in de meest realistische resultaten, maar het had 5.5 uur nodig om samen te komen in tegenstelling tot slechts 71 minuten in het geval van de geometrie met zeshoekige doorsnede. . Ook was het geheugenverbruik van 22.3 GB veel hoger voor ronde draden dan 11.4 GB voor zeshoekige draden. Het verschil in de verkregen zelfinductie van de module was slechts 0.1%.
Optimalisatie van het ontwerp van de module van het ED-type
Als opkomend bedrijf is het cruciaal voor SwissSEM Technologies AG om zijn eerste producten in hoge kwaliteit en in korte tijd op de markt te brengen. Elektromagnetische en thermische optimalisatie zijn essentieel voor uitstekende apparaatprestaties. Het ED-type, een industriestandaard 17 mm hoogte 62 x 152 mm IGBT-module, biedt bijzondere uitdagingen voor de interne stroomdeling tussen de IGBTs vanwege het lange ontwerp. De meeste klassieke lay-outs lijden min of meer aan een huidige onbalans tussen de chips, en het is ons doel om een module te lanceren met de best mogelijke stroomhomogeniteit om optimaal te kunnen profiteren van onze nieuwste IGBT i20-generatie.
Met behulp van de MFis Wire-software waren we in staat om snel verschillende ontwerpvarianten te genereren, inclusief variaties in de lay-out van de verbindingsdraad. Dit stelde ons in staat om de elektromagnetische koppelingen van de varianten in Q3D te simuleren en schakelsimulaties te maken met de SIMetrix Spice-simulator met behulp van de geëxtraheerde circuitmodellen uit Q3D. Deze simulaties vormden de basis voor een beter begrip van het apparaat en zijn interne koppelingen. Vooral omdat al kleine variaties in de positie en vorm van de draad in het mm-bereik een aanzienlijke invloed kunnen hebben op de koppeling. Daarom is een vereenvoudigde geometrie, zoals die zou worden verkregen bij gebruik van het draadgereedschap dat beschikbaar is in Q3D, niet voldoende. Samen met warmteoverdrachtssimulaties werd een geoptimaliseerde lay-out gevonden. Vanuit het oogpunt van thermische weerstand bieden beide varianten van chippositionering dezelfde Rth. De "Layout straight" biedt echter meer mogelijkheden om het huidige delen te verbeteren in vergelijking met de "Layout classic", vooral om IGBT # 3 te vertragen, die het dichtst in de buurt komt van de gewone stroomzenderverbinding (zie figuur 3). Voor de uiteindelijke optimalisatie van de lay-out werd de poortpositie van IGBT # 3 geroteerd en werd de lay-out van de hoofdemitterdraad en poortdraad geoptimaliseerd (zie figuur 4). Hierdoor werd de huidige onbalans teruggebracht van 30% van de “Klassieke layout” naar 17% van de “Layout recht geoptimaliseerd”. Dit is een belangrijke stap die de taakverdeling binnen de IGBT's verbetert, maar ook leidt tot een hoger veilig gebruik van de IGBT-chips.
Figuur 2: Mesh gemaakt door Ansys Q3D voor verbindingsdraden met ronde en zeshoekige doorsneden
Figuur 3: Vergelijking van het huidige delen met verschillende lay-outs en thermische referentie
Figuur 4: Layout recht (links) - Layout recht geoptimaliseerd (rechts)
Conclusie
De huidige simulatietools voor zowel thermische als elektromagnetische simulaties zijn zeer krachtig, verkorten de ontwikkelingstijd en verbeteren de kwaliteit van IGBT-moduleontwerpen aanzienlijk. Toch moet de input voor de eindige-elementensimulaties zo nauwkeurig mogelijk zijn en het uiteindelijke productontwerp weerspiegelen, wil het optimale resultaat worden bereikt. Vooral voor complexe details zoals draadverbindingen zijn voor de hand liggende vereenvoudigingen op het eerste gezicht aantrekkelijk vanwege het vervelende en tijdrovende werk dat het vereist in de CAD. De nauwkeurigheid van de resultaten zal echter worden vereenvoudigd en het volledige potentieel van de simulatietools wordt niet benut.
Door de software MFis Wire te gebruiken, wordt de tijd aanzienlijk verkort voor het maken van complexe 3D-geometriemodellen van verbindingsdraadlay-outs. Het gebruik van zeshoekige draaddoorsneden in de invoergeometrie van de parasitaire extractor resulteert in een vier keer snellere berekening, waardoor het mogelijk is om meerdere lay-outvarianten in één werkdag te onderzoeken. Deze methode die bij SwissSEM werd gebruikt, maakte een verbetering mogelijk van de interne stroomverdeling van de ED-Type-module met bijna een factor twee in vergelijking met klassieke ontwerpbenaderingen.