การเร่งความเร็วของแม่เหล็กไฟฟ้า โมดูล การออกแบบเพื่อการใช้ประโยชน์ชิปสูงสุดและความทนทานสูงสุดด้วยเครื่องมือล่าสุดสำหรับการกำหนดเส้นทางลวดบอนด์และการจำลองทางแม่เหล็กไฟฟ้า
การสร้างโครงร่างลวดผูกมัดโดยใช้ 3D CAD
แม้ว่าระบบ 3D CAD ในปัจจุบันจะได้รับการยอมรับอย่างดีในการพัฒนาโมดูลพลังงานสำหรับการสร้างต้นแบบเสมือนและการสร้างเอกสารประกอบผลิตภัณฑ์ที่จำเป็น แต่สายพันธะมักขาดหายไปในโมเดล 3 มิติ ในขณะที่ลวดพันธะเดี่ยวสามารถสร้างแบบจำลองด้วยส่วนโค้งและเส้นบางส่วนการสร้างแบบจำลองโครงร่างลวดพันธะทั้งหมดนั้นใช้เวลานานเนื่องจากบ่อยครั้งที่ลวดพันธะแต่ละเส้นมีรูปทรงเรขาคณิตของตัวเอง เพื่อเติมเต็มช่องว่างนี้ซอฟต์แวร์ MFis Wire เวอร์ชันแรกได้รับการเผยแพร่ในปี 2020 โดย MFis GmbH ซึ่งเป็น บริษัท ที่ให้บริการด้านวิศวกรรมและเครื่องมือโดยมุ่งเน้นไปที่บรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง
MFis Wire มีอินเทอร์เฟซที่ใช้งานง่าย (ดูรูปที่ 1) และทำให้การสร้างแบบจำลอง 3 มิติของลิ่มริบบิ้นและสายบอนด์บอลทำได้อย่างรวดเร็ว ลวดผูกมัดถูกดึงโดยการเลือกจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของลวดและกำหนดรูปทรงของวงและการหมุนเท้าแบบโต้ตอบ คำสั่ง CAD หลายคำสั่งเช่นคัดลอกย้ายมิเรอร์อาร์เรย์สามารถใช้เพื่อปรับเปลี่ยนสายบอนด์หรือจุดบอนด์ที่เลือกอย่างน้อยหนึ่งเส้นตัวอย่างเช่นสำหรับการปรับระยะห่างของแถวของสายบอนด์
รูปที่ 1: ซอฟต์แวร์ MFis Wire ที่ใช้สำหรับร่างโครงร่างลวดเชื่อมของโมดูลจ่ายไฟประเภท ED
ซอฟต์แวร์นี้ได้รับการยอมรับว่าเป็นปลั๊กอินสำหรับแพลตฟอร์ม Rhino3D CAD ที่มีประสิทธิภาพและราคาไม่แพง สำหรับการสร้างโครงร่างลวดผูกมัดจำเป็นต้องใช้ทักษะพื้นฐานของการสร้างแบบจำลอง CAD เท่านั้น วิดีโอการฝึกอบรมสั้น ๆ ที่แสดงขั้นตอนการทำงานจะแนะนำผู้ใช้ในการสร้างเลย์เอาต์สายแรกภายในเวลาอันสั้น เมื่อโมเดล 3 มิติพร้อมแล้วก็สามารถส่งออกไปยังรูปแบบ CAD มาตรฐานอุตสาหกรรมจำนวนมากหรือแปลงเป็นรูปวาด 2 มิติพร้อมพิกัดจุดบอนด์ เนื่องจาก Rhino3D มีคุณสมบัติการเรนเดอร์ที่ทรงพลังภาพที่เหมือนภาพถ่ายจริงของเค้าโครงโมดูลพลังงานจึงถูกสร้างขึ้นโดยใช้ความพยายามเพียงเล็กน้อย (ดูรูปที่ 4)
การเพิ่มประสิทธิภาพทางเรขาคณิตสำหรับการสกัดปรสิตอย่างรวดเร็ว
รูปทรงเรขาคณิตโครงร่างลวดพันธะ 3 มิติสามารถใช้สำหรับการจัดทำเอกสารการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ด้วยความร้อนด้วยไฟฟ้าหรือวัตถุประสงค์ในการสกัดปรสิต ขึ้นอยู่กับการใช้งานที่กำหนดเป้าหมายรูปทรงหน้าตัดขวางของเส้นลวดจะต้องถูกเลือกให้แตกต่างกัน เพื่อวัตถุประสงค์ในการจัดทำเอกสารหน้าตัดวงกลมจะดูเป็นธรรมชาติที่สุดและมีขนาดไฟล์ต่ำสุด
เมื่อกำหนดเป้าหมายการวิเคราะห์องค์ประกอบ จำกัด ด้วยความร้อนด้วยไฟฟ้าเฉพาะพื้นที่หน้าตัดของเส้นลวดเท่านั้นที่มีความเกี่ยวข้อง ทางเลือกที่ดีที่สุดคือหน้าตัดรูปสามเหลี่ยมที่มีพื้นที่หน้าตัดเดียวกันกับเส้นลวดดั้งเดิมซึ่งทำให้รูปทรงเรขาคณิตมีประสิทธิภาพสำหรับการเชื่อมและการคำนวณและจะไม่ส่งผลต่ออุณหภูมิและความต้านทานของลวดพันธะซึ่งเป็นผลมาจากการวิเคราะห์องค์ประกอบ จำกัด
สำหรับการสกัดปรสิตรูปร่างหน้าตัดมีความเกี่ยวข้อง หากใช้หน้าตัดแบบวงกลมตาข่ายของเครื่องสกัดปรสิตจะประมาณรูปร่างกลมที่มีองค์ประกอบหลายอย่าง โดยปกติแล้วการแลกเปลี่ยนระหว่างเวลาในการคำนวณและความแม่นยำจะทำได้ดีขึ้นเมื่อมีการใช้การประมาณในรูปทรงเรขาคณิตของอินพุตแล้ว ผลลัพธ์ที่ดีจะได้รับโดยใช้หน้าตัดลวดหกเหลี่ยม
การสร้างแบบจำลองเรขาคณิตลวดบอนด์และการแยกปรสิตได้ทำขึ้นสำหรับโมดูลประเภท ED ที่มีโครงร่างลวดเชื่อมซึ่งประกอบด้วยสาย 165 เส้นซึ่งส่วนใหญ่มีรูปร่างที่แตกต่างกัน หลังจากสร้างโครงร่างลวดที่เชื่อมต่อ 661 จุดแล้วสายไฟจะถูกส่งออกในรูปแบบต่างๆที่มีหน้าตัดวงกลมและหกเหลี่ยมและประมวลผลโดยใช้เครื่องสกัดปรสิต Ansys Q3D รูปที่ 2 แสดงความแตกต่างของตาข่ายที่ได้รับสำหรับตัวแปรที่มีหน้าตัดวงกลมและหกเหลี่ยม สำหรับลวดที่มีหน้าตัดเป็นวงกลมตาข่ายจะวางเซลล์สามเหลี่ยมจำนวนมากเพื่อประมาณรูปทรงกลมซึ่งทำให้ได้ผลลัพธ์ที่เหมือนจริงที่สุด แต่ต้องใช้เวลา 5.5 ชั่วโมงในการบรรจบกันซึ่งตรงกันข้ามกับเวลาเพียง 71 นาทีในกรณีของรูปทรงเรขาคณิตที่มีหน้าตัดหกเหลี่ยม . นอกจากนี้การใช้หน่วยความจำ 22.3 GB นั้นสูงกว่ามากสำหรับสายไฟแบบวงกลมมากกว่า 11.4 GB สำหรับสายหกเหลี่ยม ความแตกต่างของการเหนี่ยวนำตัวเองของโมดูลที่ได้รับมีเพียง 0.1%
การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบโมดูล ED-Type
ในฐานะ บริษัท เกิดใหม่จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งที่ SwissSEM Technologies AG จะนำผลิตภัณฑ์แรกออกสู่ตลาดด้วยคุณภาพและระยะเวลาอันสั้น การเพิ่มประสิทธิภาพแม่เหล็กไฟฟ้าและความร้อนเป็นสิ่งสำคัญสำหรับประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่ยอดเยี่ยม ED-Type มาตรฐานอุตสาหกรรม 17 มม. สูง 62 x 152 มม โมดูล IGBTเสนอความท้าทายพิเศษสำหรับการแบ่งปันปัจจุบันภายในระหว่าง IGBTเนื่องจากมีการออกแบบที่ยาวนาน เค้าโครงแบบคลาสสิกส่วนใหญ่ประสบปัญหาความไม่สมดุลในปัจจุบันไม่มากก็น้อยระหว่าง ชิปและเป็นเป้าหมายของเราในการเปิดตัวโมดูลที่มีความเป็นเนื้อเดียวกันในปัจจุบันที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้ได้รับประโยชน์อย่างเต็มที่จาก IGBT i20 รุ่นใหม่ล่าสุดของเรา
ด้วยความช่วยเหลือของซอฟต์แวร์ MFis Wire ทำให้เราสามารถสร้างรูปแบบการออกแบบที่หลากหลายได้อย่างรวดเร็วรวมถึงรูปแบบต่างๆในโครงร่างลวดผูกมัด สิ่งนี้ช่วยให้เราสามารถจำลองข้อต่อแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวแปรใน Q3D และทำการจำลองการสลับด้วยเครื่องจำลอง SIMetrix Spice โดยใช้แบบจำลองวงจรที่ดึงออกมาจาก Q3D การจำลองเหล่านี้เป็นพื้นฐานสำหรับความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับอุปกรณ์และข้อต่อภายใน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อตำแหน่งและรูปร่างของเส้นลวดที่มีขนาดเล็กอยู่แล้วในช่วงมม. อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อข้อต่อ ดังนั้นรูปทรงเรขาคณิตที่เรียบง่ายอย่างที่จะได้รับเมื่อใช้เครื่องมือลวดที่มีอยู่ใน Q3D จึงไม่เพียงพอ เมื่อรวมกับการจำลองการถ่ายเทความร้อนแล้วพบว่าเค้าโครงที่เหมาะสมที่สุด จากมุมมองความต้านทานความร้อนการกำหนดตำแหน่งชิปทั้งสองรูปแบบมีค่า Rth เท่ากัน อย่างไรก็ตาม "เค้าโครงตรง" มีศักยภาพมากขึ้นในการปรับปรุงการแบ่งปันปัจจุบันเมื่อเทียบกับ "Layout classic" โดยเฉพาะอย่างยิ่งการทำให้ IGBT # 3 ช้าลงซึ่งใกล้เคียงกับการเชื่อมต่อตัวปล่อยพลังงานทั่วไปมากที่สุด (ดูรูปที่ 3) สำหรับการปรับโครงร่างขั้นสุดท้ายตำแหน่งเกตของ IGBT # 3 จะถูกหมุนและปรับรูปแบบลวดตัวปล่อยหลักและลวดเกตให้เหมาะสม (ดูรูปที่ 4) ด้วยเหตุนี้ความไม่สมดุลในปัจจุบันจึงลดลงจาก 30% ของ "เลย์เอาต์แบบคลาสสิก" เหลือ 17% ของ "การปรับรูปแบบตรง" นี่เป็นขั้นตอนสำคัญที่ช่วยปรับปรุงการทำโหลดบาลานซ์ภายใน IGBT แต่ยังให้ผลในการใช้ชิป IGBT ในพื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัยสูงขึ้นด้วย
รูปที่ 2: ตาข่ายที่สร้างโดย Ansys Q3D สำหรับสายไฟบอนด์ที่มีส่วนตัดขวางแบบวงกลมและหกเหลี่ยม
รูปที่ 3: การเปรียบเทียบการแชร์ปัจจุบันกับเลย์เอาต์ที่แตกต่างกันและการอ้างอิงเชิงความร้อน
รูปที่ 4: เลย์เอาต์ตรง (ซ้าย) - เลย์เอาต์ตรง (ขวา)
สรุป
เครื่องมือจำลองสำหรับการจำลองความร้อนและแม่เหล็กไฟฟ้าในปัจจุบันมีประสิทธิภาพมากลดระยะเวลาในการพัฒนาและปรับปรุงคุณภาพของการออกแบบโมดูล IGBT ได้อย่างมาก ถึงกระนั้นอินพุตสำหรับการจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์จะต้องแม่นยำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และสะท้อนถึงการออกแบบผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายหากต้องการผลลัพธ์ที่ดีที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับรายละเอียดที่ซับซ้อนเช่นพันธะลวดการปรับให้เรียบง่ายอย่างเห็นได้ชัดนั้นน่าสนใจเมื่อมองแวบแรกเนื่องจากงานที่น่าเบื่อและใช้เวลานานใน CAD อย่างไรก็ตามความแม่นยำของผลลัพธ์จะได้รับผลกระทบจากการทำให้เรียบง่ายและไม่ได้ใช้ศักยภาพสูงสุดของเครื่องมือจำลอง
ด้วยการใช้ซอฟต์แวร์ MFis Wire เวลาจะสั้นลงอย่างมากสำหรับการสร้างแบบจำลองรูปทรงเรขาคณิต 3 มิติที่ซับซ้อนของโครงร่างลวดพันธะ การใช้หน้าตัดลวดหกเหลี่ยมในรูปทรงอินพุตของเครื่องแยกปรสิตส่งผลให้คำนวณได้เร็วขึ้นถึงสี่เท่าซึ่งทำให้สามารถตรวจสอบรูปแบบเค้าโครงต่างๆได้ในวันทำงานเดียว วิธีนี้ใช้ที่ SwissSEM ทำให้สามารถปรับปรุงการแบ่งปันกระแสภายในของโมดูล ED-Type ได้เกือบสองปัจจัยเมื่อเทียบกับวิธีการออกแบบแบบคลาสสิก