近(jin)日，國際(ji)電力電子行業領先(xian)期刊《Bodo’s功(gong)率系統》，刊發了賽晶科(ke)技旗下瑞士子公司SwissSEM 副總裁Raffael聯合發表的技術性文章《3D 鍵合線(xian)建(jian)模(mo)和電磁仿真 加速 IGBT 模(mo)塊開發》。

文章重點闡(chan)述了借助最新MFis Wire軟件工具，加快(kuai)電磁模(mo)塊(kuai)設計(ji)速度，并實現最高的芯(xin)片性(xing)能和最高的耐用性(xing)。

SwissSEM作為(wei)賽晶科技旗(qi)下的一家新興科研公司(si)，在(zai)短時間內高質量(liang)地將其首款產品推向市場至關重要，其目(mu)標是推出一種具有最(zui)佳(jia)電(dian)流一致性的模塊，以充(chong)分發揮最(zui)新研發的IGBT i20這一代產品優勢。

使(shi)用3D CAD創建(jian)鍵合線(xian)布局

盡管當今的(de)(de)3D CAD系統已(yi)經可(ke)以很好地(di)為電源模(mo)塊開發建(jian)立虛擬樣機并(bing)輸出必要的(de)(de)產品文(wen)檔，但(dan)3D模(mo)型往往不支持(chi)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)建(jian)模(mo)。雖然可(ke)以使用(yong)(yong)一(yi)些弧線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)和(he)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)對(dui)單(dan)個(ge)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)進行(xing)建(jian)模(mo)，但(dan)是對(dui)整(zheng)個(ge)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)布局進行(xing)建(jian)模(mo)卻非(fei)常耗時，因為鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)通常形狀(zhuang)各(ge)異。為了填(tian)補(bu)這(zhe)一(yi)空(kong)白(bai)，MFis GmbH公(gong)司(si)于(yu)2020年(nian)發布了第(di)一(yi)版MFis Wire軟(ruan)件，該(gai)公(gong)司(si)面向電力電子封裝提供(gong)工程服務和(he)工具。MFis Wire軟(ruan)件用(yong)(yong)戶界面友(you)好（如(ru)圖1所示），并(bing)且對(dui)楔(xie)形、帶狀(zhuang)和(he)球形鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)的(de)(de)3D建(jian)模(mo)速度更快。通過(guo)選擇(ze)導線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)的(de)(de)起點(dian)和(he)終點(dian)并(bing)交互式定義其回路形狀(zhuang)和(he)底腳旋(xuan)轉(zhuan)即可(ke)繪(hui)制接合(he)(he)(he)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)。許多CAD命令（例如(ru)復制、移動、鏡像(xiang)、陣列）可(ke)用(yong)(yong)于(yu)修改一(yi)個(ge)或多個(ge)選定的(de)(de)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)或鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)點(dian)，例如(ru)可(ke)以用(yong)(yong)來調整(zheng)一(yi)行(xing)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)的(de)(de)間(jian)距。

圖1：MFis Wire軟件：用(yong)于草繪(hui)ED型電源模(mo)塊的鍵合(he)線布局

該(gai)軟件可(ke)作為(wei)(wei)功能強大且價格合(he)理的Rhino3D CAD平臺的插件。創建(jian)(jian)(jian)鍵(jian)(jian)合(he)線(xian)布(bu)局(ju)也僅僅需(xu)要CAD建(jian)(jian)(jian)模的基本技能。簡短(duan)的介紹(shao)工作流程的培訓視頻可(ke)以指導用戶在短(duan)時間內(nei)創建(jian)(jian)(jian)第一(yi)條導線(xian)布(bu)局(ju)。3D模型完(wan)成后，可(ke)以將其導出為(wei)(wei)許多行業標準的CAD格式，或(huo)轉換(huan)為(wei)(wei)帶有鍵(jian)(jian)合(he)點坐標的2D工程圖。借助Rhino3D強大的渲染功能，用戶可(ke)以輕(qing)松地創建(jian)(jian)(jian)功率模塊布(bu)局(ju)的逼真圖像（如(ru)下(xia)圖4所示）。

幾何優化實現寄生參數快速提取

3D鍵合線(xian)布局幾(ji)何形狀可以實現如下功能：文(wen)(wen)檔記(ji)錄、電-熱耦合有限(xian)元分(fen)析、寄生參數提(ti)取。根(gen)據目(mu)標用途，必須選擇不同的(de)導線(xian)橫截(jie)面幾(ji)何形狀。出(chu)于(yu)文(wen)(wen)檔目(mu)的(de)，圓(yuan)形橫截(jie)面看起來最(zui)自然的(de)，并且文(wen)(wen)件也最(zui)小。

對(dui)于電(dian)-熱(re)耦(ou)合有限元(yuan)分析，導線的(de)(de)橫(heng)截(jie)面積非(fei)(fei)常重要。最(zui)佳選擇是(shi)橫(heng)截(jie)面積與原始(shi)導線相同(tong)的(de)(de)三(san)角形橫(heng)截(jie)面，這種(zhong)幾(ji)何形狀下(xia)網格(ge)剖分和計算非(fei)(fei)常高效，并且不會影(ying)響(xiang)鍵合線溫度(du)和電(dian)阻(zu)的(de)(de)有限元(yuan)分析結果(guo)。

對于寄生參數(shu)(shu)提(ti)取(qu)(qu)，橫(heng)截(jie)面(mian)形狀也(ye)很重要。如(ru)果使(shi)用(yong)(yong)圓形橫(heng)截(jie)面(mian)，那(nei)么(me)寄生參數(shu)(shu)提(ti)取(qu)(qu)器(qi)的網格劃分器(qi)將(jiang)通(tong)過多個有限元(yuan)來逼(bi)近圓形。通(tong)常，當(dang)輸(shu)入的幾(ji)何形狀已(yi)經實現了近似時(shi)，可以(yi)在(zai)計算時(shi)間和(he)精度(du)之(zhi)間取(qu)(qu)得更好的平衡。使(shi)用(yong)(yong)六角(jiao)形導線(xian)橫(heng)截(jie)面(mian)可獲(huo)得較好的結果。

我(wo)們(men)對ED型(xing)模(mo)塊(kuai)進行了(le)(le)焊線(xian)幾何(he)建模(mo)和(he)寄生(sheng)參數提(ti)(ti)取(qu)，其(qi)鍵合線(xian)布局(ju)由165根導(dao)(dao)(dao)線(xian)組成(cheng)，其(qi)中許多導(dao)(dao)(dao)線(xian)具(ju)有(you)各(ge)自的形(xing)(xing)(xing)(xing)狀。在創建了(le)(le)可連接661個點的導(dao)(dao)(dao)線(xian)布局(ju)之(zhi)后(hou)，我(wo)們(men)將(jiang)導(dao)(dao)(dao)線(xian)導(dao)(dao)(dao)出(chu)為具(ju)有(you)圓形(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)六(liu)邊形(xing)(xing)(xing)(xing)橫截(jie)面(mian)的變(bian)體，并使用寄生(sheng)參數提(ti)(ti)取(qu)器Ansys Q3D進行后(hou)續處理。圖2對比(bi)了(le)(le)具(ju)有(you)圓形(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)六(liu)邊形(xing)(xing)(xing)(xing)橫截(jie)面(mian)的變(bian)體的網格剖(pou)分(fen)差異。對于圓形(xing)(xing)(xing)(xing)橫截(jie)面(mian)的鍵合線(xian)，網格劃分(fen)器采用了(le)(le)很多三角形(xing)(xing)(xing)(xing)單元來近似(si)圓形(xing)(xing)(xing)(xing)，其(qi)效果較逼真，但是(shi)需要(yao)5.5小時才能收斂，而(er)對于具(ju)有(you)六(liu)邊形(xing)(xing)(xing)(xing)橫截(jie)面(mian)的幾何(he)圖形(xing)(xing)(xing)(xing)，僅需要(yao)71分(fen)鐘(zhong)即可收斂。同樣，圓形(xing)(xing)(xing)(xing)導(dao)(dao)(dao)線(xian)的22.3 GB內存(cun)消(xiao)耗(hao)比(bi)六(liu)角形(xing)(xing)(xing)(xing)電線(xian)的11.4 GB同樣高出(chu)很多。然而(er)，計算(suan)得到的模(mo)塊(kuai)自感(gan)差異僅為0.1％。

圖2：基(ji)于Ansys Q3D對具(ju)有(you)圓形和六角形橫(heng)截面的鍵合線進行網格剖(pou)分的結果

ED型模塊設計優化

作為一(yi)家新興(xing)公司，對(dui)于(yu)SwissSEM Technologies AG而言(yan)，在短時間內(nei)高(gao)質量地將其首款產品推(tui)向市場(chang)至關重要。為了實現出色的器件性能，電(dian)磁和(he)熱優(you)(you)化(hua)至關重要。行業標準的17毫(hao)米高(gao)、62 x 152毫(hao)米ED型IGBT模塊，其冗長的設計對(dui)IGBT之(zhi)間的內(nei)部(bu)電(dian)流均(jun)流提出了特(te)殊(shu)的挑(tiao)戰。大多(duo)(duo)數經典布局或(huo)多(duo)(duo)或(huo)少(shao)都會面臨芯(xin)片之(zhi)間電(dian)流不平衡的問題(ti)，我們的目標是(shi)推(tui)出一(yi)種具(ju)有最(zui)佳電(dian)流一(yi)致性的模塊，以充分發揮我們最(zui)新的IGBT i20這一(yi)代產品的優(you)(you)勢。

圖(tu)3：不同布局(ju)和(he)熱參考的均流效果比(bi)較

借助(zhu)MFis Wire軟件，我們能夠快(kuai)速(su)生(sheng)成(cheng)各種設(she)計(ji)變(bian)體(ti)(ti)，包(bao)括鍵(jian)(jian)合(he)線布(bu)(bu)(bu)局(ju)的(de)(de)(de)變(bian)體(ti)(ti)。這有助(zhu)于我們在Q3D中仿(fang)真(zhen)變(bian)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)磁耦(ou)合(he)，并(bing)使(shi)(shi)用SIMetrix Spice仿(fang)真(zhen)器(qi)對Q3D提取的(de)(de)(de)電(dian)(dian)路模型進行(xing)開關(guan)仿(fang)真(zhen)。這些(xie)仿(fang)真(zhen)是更(geng)好地(di)了解器(qi)件及其內(nei)部耦(ou)合(he)的(de)(de)(de)基礎。特別(bie)是對于導線位置(zhi)和(he)形狀(zhuang)的(de)(de)(de)mm級別(bie)微小變(bian)化(hua)也會(hui)對上述耦(ou)合(he)產生(sheng)較大影響的(de)(de)(de)場(chang)合(he)。因此，使(shi)(shi)用Q3D中的(de)(de)(de)鍵(jian)(jian)合(he)線工具獲得簡化(hua)的(de)(de)(de)幾何形狀(zhuang)效果非常(chang)有限(xian)。結(jie)合(he)傳熱(re)仿(fang)真(zhen)，可(ke)以實現優化(hua)布(bu)(bu)(bu)局(ju)。從熱(re)阻的(de)(de)(de)角(jiao)度來看，芯(xin)片(pian)位置(zhi)的(de)(de)(de)兩個(ge)變(bian)體(ti)(ti)都會(hui)得到相(xiang)同的(de)(de)(de)Rth。但是，與“經典布(bu)(bu)(bu)局(ju)”相(xiang)比，“筆直布(bu)(bu)(bu)局(ju)”改(gai)善電(dian)(dian)流(liu)均流(liu)性能效果更(geng)好，特別(bie)是對于IGBT＃3（如(ru)(ru)圖3所示），其連(lian)接離(li)發射極更(geng)近(jin)。對于最終(zhong)的(de)(de)(de)布(bu)(bu)(bu)局(ju)優化(hua)，其旋轉了IGBT＃3的(de)(de)(de)柵極位置(zhi)，并(bing)優化(hua)主發射極線和(he)柵極線的(de)(de)(de)布(bu)(bu)(bu)局(ju)（如(ru)(ru)圖4所示）。結(jie)果，電(dian)(dian)流(liu)不平(ping)(ping)衡從“經典布(bu)(bu)(bu)局(ju)”的(de)(de)(de)30％減(jian)少到“優化(hua)的(de)(de)(de)筆直布(bu)(bu)(bu)局(ju)”的(de)(de)(de)17％。這對于改(gai)善IGBT內(nei)部負載平(ping)(ping)衡并(bing)同時提高IGBT芯(xin)片(pian)安全工作(zuo)區的(de)(de)(de)利(li)用率(lv)至關(guan)重要。

圖4：筆直布(bu)局（左），優化的筆直布(bu)局（右(you)）

結論

當(dang)今用(yong)于(yu)熱和(he)電磁仿真的(de)(de)(de)仿真工具非(fei)常(chang)強大，可以明顯縮短開發時間(jian)并顯著提(ti)高IGBT模塊(kuai)設計質量。但是(shi)為(wei)獲得最佳結果(guo)，有(you)(you)限元仿真的(de)(de)(de)輸(shu)入必須盡可能地準確(que)，且(qie)需(xu)反映最終實際(ji)產(chan)品的(de)(de)(de)設計情(qing)況。特(te)別是(shi)是(shi)對于(yu)諸(zhu)如引線鍵合之類的(de)(de)(de)復(fu)雜細節，其CAD建模繁瑣且(qie)復(fu)雜，乍一看簡(jian)單的(de)(de)(de)簡(jian)化非(fei)常(chang)有(you)(you)利(li)。但是(shi)，結果(guo)的(de)(de)(de)準確(que)性會(hui)受到簡(jian)化的(de)(de)(de)影響，并且(qie)仿真工具的(de)(de)(de)全部潛力沒(mei)有(you)(you)充分利(li)用(yong)。

借助(zhu)MFis Wire軟件，可(ke)(ke)以大大縮短(duan)創建鍵(jian)合線布(bu)局(ju)復雜3D幾何模型的(de)(de)時間(jian)。在寄生(sheng)參數提取器的(de)(de)輸入幾何結構中使用六角形導線橫(heng)截(jie)面，可(ke)(ke)以將(jiang)計算速度提高四倍(bei)，這將(jiang)有助(zhu)于在一(yi)個工作(zuo)日內(nei)實現(xian)對幾種布(bu)局(ju)變體的(de)(de)研(yan)究。SwissSEM所(suo)采用的(de)(de)這種方法(fa)使ED-Type模塊的(de)(de)內(nei)部電流均流性能比(bi)傳(chuan)統的(de)(de)設計方法(fa)提高了近兩(liang)倍(bei)。

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