3D 键合线建模和电磁仿真 加速 IGBT 模块开发

近日，国际电力电子行业领先期刊《Bodo’s功率系统》，刊发了赛晶科技旗下瑞士子公司SwissSEM 副总裁Raffael联合发表的技术性文章《3D 键合线建模和电磁仿真 加速 IGBT 模块开发》。

文章重点阐述了借助最新MFis Wire软件工具，加快电磁模块设计速度，并实现最高的芯片性能和最高的耐用性。

SwissSEM作为赛晶科技旗下的一家新兴科研公司，在短时间内高质量地将其首款产品推向市场至关重要，其目标是推出一种具有最佳电流一致性的模块，以充分发挥最新研发的IGBT i20这一代产品优势。

使用3D CAD创建键合线布局

尽管当今的3D CAD系统已经可以很好地为电源模块开发建立虚拟样机并输出必要的产品文档，但3D模型往往不支持键合线建模。虽然可以使用一些弧线和线对单个键合线进行建模，但是对整个键合线布局进行建模却非常耗时，因为键合线通常形状各异。为了填补这一空白，MFis GmbH公司于2020年发布了第一版MFis Wire软件，该公司面向电力电子封装提供工程服务和工具。MFis Wire软件用户界面友好（如图1所示），并且对楔形、带状和球形键合线的3D建模速度更快。通过选择导线的起点和终点并交互式定义其回路形状和底脚旋转即可绘制接合线。许多CAD命令（例如复制、移动、镜像、阵列）可用于修改一个或多个选定的键合线或键合点，例如可以用来调整一行键合线的间距。

图1：MFis Wire软件：用于草绘ED型电源模块的键合线布局

该软件可作为功能强大且价格合理的Rhino3D CAD平台的插件。创建键合线布局也仅仅需要CAD建模的基本技能。简短的介绍工作流程的培训视频可以指导用户在短时间内创建第一条导线布局。3D模型完成后，可以将其导出为许多行业标准的CAD格式，或转换为带有键合点坐标的2D工程图。借助Rhino3D强大的渲染功能，用户可以轻松地创建功率模块布局的逼真图像（如下图4所示）。

几何优化实现寄生参数快速提取

3D键合线布局几何形状可以实现如下功能：文档记录、电-热耦合有限元分析、寄生参数提取。根据目标用途，必须选择不同的导线横截面几何形状。出于文档目的，圆形横截面看起来最自然的，并且文件也最小。

对于电-热耦合有限元分析，导线的横截面积非常重要。最佳选择是横截面积与原始导线相同的三角形横截面，这种几何形状下网格剖分和计算非常高效，并且不会影响键合线温度和电阻的有限元分析结果。

对于寄生参数提取，横截面形状也很重要。如果使用圆形横截面，那么寄生参数提取器的网格划分器将通过多个有限元来逼近圆形。通常，当输入的几何形状已经实现了近似时，可以在计算时间和精度之间取得更好的平衡。使用六角形导线横截面可获得较好的结果。

我们对ED型模块进行了焊线几何建模和寄生参数提取，其键合线布局由165根导线组成，其中许多导线具有各自的形状。在创建了可连接661个点的导线布局之后，我们将导线导出为具有圆形和六边形横截面的变体，并使用寄生参数提取器Ansys Q3D进行后续处理。图2对比了具有圆形和六边形横截面的变体的网格剖分差异。对于圆形横截面的键合线，网格划分器采用了很多三角形单元来近似圆形，其效果较逼真，但是需要5.5小时才能收敛，而对于具有六边形横截面的几何图形，仅需要71分钟即可收敛。同样，圆形导线的22.3 GB内存消耗比六角形电线的11.4 GB同样高出很多。然而，计算得到的模块自感差异仅为0.1％。

图2：基于Ansys Q3D对具有圆形和六角形横截面的键合线进行网格剖分的结果

ED型模块设计优化

作为一家新兴公司，对于SwissSEM Technologies AG而言，在短时间内高质量地将其首款产品推向市场至关重要。为了实现出色的器件性能，电磁和热优化至关重要。行业标准的17毫米高、62 x 152毫米ED型IGBT模块，其冗长的设计对IGBT之间的内部电流均流提出了特殊的挑战。大多数经典布局或多或少都会面临芯片之间电流不平衡的问题，我们的目标是推出一种具有最佳电流一致性的模块，以充分发挥我们最新的IGBT i20这一代产品的优势。

图3：不同布局和热参考的均流效果比较

借助MFis Wire软件，我们能够快速生成各种设计变体，包括键合线布局的变体。这有助于我们在Q3D中仿真变体的电磁耦合，并使用SIMetrix Spice仿真器对Q3D提取的电路模型进行开关仿真。这些仿真是更好地了解器件及其内部耦合的基础。特别是对于导线位置和形状的mm级别微小变化也会对上述耦合产生较大影响的场合。因此，使用Q3D中的键合线工具获得简化的几何形状效果非常有限。结合传热仿真，可以实现优化布局。从热阻的角度来看，芯片位置的两个变体都会得到相同的Rth。但是，与“经典布局”相比，“笔直布局”改善电流均流性能效果更好，特别是对于IGBT＃3（如图3所示），其连接离发射极更近。对于最终的布局优化，其旋转了IGBT＃3的栅极位置，并优化主发射极线和栅极线的布局（如图4所示）。结果，电流不平衡从“经典布局”的30％减少到“优化的笔直布局”的17％。这对于改善IGBT内部负载平衡并同时提高IGBT芯片安全工作区的利用率至关重要。

图4：笔直布局（左），优化的笔直布局（右）

结论

当今用于热和电磁仿真的仿真工具非常强大，可以明显缩短开发时间并显著提高IGBT模块设计质量。但是为获得最佳结果，有限元仿真的输入必须尽可能地准确，且需反映最终实际产品的设计情况。特别是是对于诸如引线键合之类的复杂细节，其CAD建模繁琐且复杂，乍一看简单的简化非常有利。但是，结果的准确性会受到简化的影响，并且仿真工具的全部潜力没有充分利用。

借助MFis Wire软件，可以大大缩短创建键合线布局复杂3D几何模型的时间。在寄生参数提取器的输入几何结构中使用六角形导线横截面，可以将计算速度提高四倍，这将有助于在一个工作日内实现对几种布局变体的研究。SwissSEM所采用的这种方法使ED-Type模块的内部电流均流性能比传统的设计方法提高了近两倍。

文章地址：https://www.swiss-sem.com/creating-bond-wire-layouts-using-3d-cad