Acelerando o eletromagnético módulo design para utilização máxima do desempenho do chip e maior robustez com as ferramentas mais recentes para roteamento de fios bond e simulações eletromagnéticas.
Criação de layouts de fios de ligação usando CAD 3D
Embora os sistemas CAD 3D hoje estejam bem estabelecidos no desenvolvimento de módulos de energia para prototipagem virtual e criação da documentação necessária do produto, os fios de ligação geralmente estão ausentes nos modelos 3D. Embora um único fio de ligação possa ser modelado com alguns arcos e linhas, modelar um layout de fio de ligação completo é demorado, já que frequentemente cada fio de ligação tem sua geometria individual. Para preencher essa lacuna, a primeira versão do software MFis Wire foi lançada em 2020 pela MFis GmbH, uma empresa que fornece serviços e ferramentas de engenharia com foco em embalagens de eletrônicos de potência.
O MFis Wire oferece uma interface amigável (consulte a figura 1) e torna mais rápida a modelagem 3D de fios de cunha, fita e ligação de esferas. Um fio de ligação é desenhado selecionando o ponto inicial e final do fio e definindo interativamente sua forma de loop e rotação do pé. Muitos comandos CAD como copiar, mover, espelhar, matriz podem ser usados para modificar um ou mais fios de ligação ou pontos de ligação selecionados, por exemplo, para ajustar o passo de uma fileira de fios de ligação.
Figura 1: O software MFis Wire, usado para esboçar o layout do fio de ligação do módulo de potência do tipo ED
O software foi desenvolvido como um plug-in para a plataforma CAD Rhino3D poderosa e acessível. Para a criação de layouts de fios de ligação, apenas as habilidades básicas de modelagem CAD são necessárias. Vídeos curtos de treinamento mostrando o fluxo de trabalho orientam o usuário a criar os primeiros layouts de fio em pouco tempo. Assim que um modelo 3D estiver pronto, ele pode ser exportado para muitos formatos CAD padrão da indústria ou convertido em um desenho 2D com coordenadas de ponto de ligação. Como o Rhino3D tem recursos de renderização poderosos, imagens foto-realistas de um layout de módulo de energia são criadas com pouco esforço (consulte a figura 4).
Otimização de geometria para extração parasitária rápida
Uma geometria de layout de fio de ligação 3D pode, por exemplo, ser usada para documentação, análise de elemento finito eletrotérmico ou fins de extração parasita. Dependendo do uso pretendido, a geometria da seção transversal do fio deve ser escolhida de forma diferente. Para fins de documentação, uma seção transversal circular parece mais natural e tem o menor tamanho de arquivo.
Ao direcionar a análise de elemento finito eletrotérmico, apenas a área da seção transversal de um fio é relevante. A melhor escolha é uma seção transversal triangular com a mesma área da seção transversal do arame original, o que torna a geometria eficiente para engrenamento e cálculo e não influencia as temperaturas e resistências do arame de ligação obtidas como resultado da análise de elementos finitos.
Para extração de parasitas, a forma da seção transversal é relevante. Se uma seção transversal circular for usada, o gerador de malhas do extrator parasita se aproximará da forma redonda com vários elementos. Normalmente, uma melhor compensação entre o tempo de computação e a precisão é obtida quando a aproximação já está implementada na geometria de entrada. Bons resultados são obtidos usando uma seção transversal de fio hexagonal.
A modelagem da geometria do fio de ligação e extração de parasitas foi feita para o módulo do tipo ED com um layout de fio de ligação consistindo de 165 fios, muitos deles tendo sua forma individual. Após a criação do layout de fios, que conecta 661 pontos, os fios foram exportados em variantes com seções circulares e hexagonais e processados no extrator parasita Ansys Q3D. A Figura 2 mostra a diferença de malha obtida para as variantes com seções circulares e hexagonais. Para o fio com seção transversal circular o gerador de malhas coloca muitas células triangulares para aproximar a forma redonda, o que resultou em resultados mais realistas, mas precisou de 5.5 horas para convergir em contraste com apenas 71 minutos no caso da geometria com seção transversal hexagonal . Além disso, o consumo de memória de 22.3 GB foi muito maior para fios circulares do que 11.4 GB para fios hexagonais. A diferença na auto-indutância do módulo obtida foi de apenas 0.1%.
Otimização de Design de Módulo Tipo ED
Como uma empresa emergente, é crucial para a SwissSEM Technologies AG trazer seus primeiros produtos ao mercado em alta qualidade e em curto prazo. A otimização eletromagnética e térmica são essenciais para um desempenho excelente do dispositivo. O tipo ED, um padrão da indústria de 17 mm de altura 62 x 152 mm Módulo IGBT, oferece desafios especiais para o compartilhamento interno da corrente entre os IGBTé devido ao seu design alongado. A maioria dos layouts clássicos sofre um desequilíbrio mais ou menos atual entre o batatas fritas, e nosso objetivo é lançar um módulo com a melhor homogeneidade de corrente possível para aproveitar todos os benefícios de nossa última geração IGBT i20.
Com a ajuda do software MFis Wire conseguimos gerar rapidamente diversas variantes de design, incluindo variações no layout do fio de ligação. Isso nos permitiu simular os acoplamentos eletromagnéticos das variantes no Q3D e fazer simulações de comutação com o simulador SIMetrix Spice usando os modelos de circuito extraídos do Q3D. Estas simulações serviram de base para um melhor entendimento do dispositivo e seus acoplamentos internos. Especialmente porque pequenas variações na posição e formato do fio na faixa de mm podem ter um impacto significativo no acoplamento. Portanto, uma geometria simplificada, como seria obtida usando a ferramenta de arame disponível no Q3D, não é suficiente. Juntamente com simulações de transferência de calor, foi encontrado um layout otimizado. Do ponto de vista da resistência térmica, ambas as variantes de posicionamento do chip oferecem o mesmo Rth. No entanto, o “Layout direto” oferece mais potencial para melhorar o compartilhamento de corrente em comparação com o “Layout clássico”, especialmente para desacelerar o IGBT #3, que está mais próximo da conexão do emissor de energia comum (ver figura 3). Para a otimização final do layout, a posição da porta do IGBT #3 foi girada e o fio do emissor principal e o layout do fio da porta foram otimizados (veja a figura 4). Como resultado, o desequilíbrio atual foi reduzido de 30% do “Layout Clássico” para 17% do “Layout reto otimizado”. Este é um passo significativo que melhora o balanceamento de carga dentro dos IGBTs, mas também resulta em uma utilização mais segura da área operacional dos chips IGBT.
Figura 2: Malha criada por Ansys Q3D para fios de ligação com seções transversais circulares e hexagonais
Figura 3: Comparação do compartilhamento de corrente com diferentes layouts e referência térmica
Figura 4: Layout reto (esquerda) - Layout reto otimizado (direita)
Conclusão
As ferramentas de simulação atuais para simulações térmicas e eletromagnéticas são muito poderosas, reduzem o tempo de desenvolvimento e melhoram significativamente a qualidade dos projetos de módulos IGBT. Ainda assim, a entrada para as simulações de elementos finitos precisa ser tão precisa quanto possível e refletir o projeto do produto final se o resultado ideal for alcançado. Especialmente para detalhes complexos como ligações de arame, simplificações óbvias são atraentes à primeira vista devido ao trabalho tedioso e demorado que requer no CAD. No entanto, a precisão dos resultados sofrerá com as simplificações e todo o potencial das ferramentas de simulação não será utilizado.
Usando o software MFis Wire, o tempo é significativamente reduzido para a criação de modelos de geometria 3D complexos de layouts de fios de ligação. O uso da seção transversal hexagonal do fio na geometria de entrada do extrator parasita resulta em um cálculo quatro vezes mais rápido, o que torna possível investigar várias variantes de layout em um único dia de trabalho. Este método usado na SwissSEM, permitiu uma melhoria do compartilhamento de corrente interna do módulo ED-Type em quase um fator de dois em comparação com as abordagens de design clássicas.