仿真助力碳化硅器件封装研发.pdf

1、仿真助力碳化硅器件封装研发意法半导体|功率半导体封装研发中心梁一鸣，冯清茗10.29.2024议程21功率器件封装设计2仿真方法3设计验证功率器件封装设计 DFX设计 封装设计考量 封装设计流程功率器件封装设计Design for X面向产品生命周期设计可靠性可测性成本性能可装配性可制造性质量可持续性4功率器件封装设计客户需求市场需求性能成本交付物料设备人力研发期、原型期、试生产期、.低损耗、高频率、高导热、耐热、.直接材料、间接材料、人力资源、设备、运输、仓储、.原材料交付、供应链储备、材料性能、.设备排期、设备兼容性、设备能力、.操作员、设备工程师、测试工程师、工艺工程师.封装设计考量5功

2、率器件封装设计6设计需求封装设计(电路和几何）电学分析 电路均流 杂散参数 电磁兼容热学分析 结温计算 热阻标定 热管理力学分析 芯片/键合线/焊锡应力 封装翘曲 工艺/装配/材料生命周期预测 引线疲劳 焊接/烧结疲劳 TCT、PCT、IOL 模拟设计规则检查和验证 封装寄生参数提取 标定芯片SPICE模型 驱动控制功能系统性能评估通过不通过设计修改原型制作不通过通过封装设计流程仿真方法 仿真原理 仿真的优势 应用场景仿真方法8目标网格数据结果边界条件2模型边界条件1实际情况模型构建网格剖分结果分析仿真原理材料描述边界条件求解器设置仿真方法问题分析模型构建网格剖分前处理运算过程仿真结果数据分析

3、模型优化后处理软件MATLAB 和 Simulink电路设计与仿真多物理场仿真软件工程仿真软件客户认可的仿真平台，在行业内广泛使用，有充分的参考价值。有限元分析，包括机械、电气、热模拟和多物理场耦合。SPICE 仿真工具，用于评估特定条件下的电气性能。用于数据分析和算法开发的编程工具。9仿真原理仿真方法工程问题有限元分析（仿真模拟）实验分析模型构建运算仿真结果试样制备实验实验结果结果对比所需时间结果精度有限元分析（仿真模拟）实验分析更短周期网格数量和阶次构成模型的复杂性（多物理场和非线性）材料非线性和几何非线性更长周期试样制备重复实验实验设计取决于：网格质量求解器的收敛精度材料和几何精度取决于

4、：重复实验次数（统计拟合）设备精度实验的一致性仿真的优势10仿真方法11仿真模拟总体目标 支持技术的开发和优化 减少开发的时间和成本功率模块行业建模与仿真的基本映射电-热-机械建模与方法有限元分析工具材料参数和失效标准物理模型CAD界面产品设计封装研发集成流程可靠性客户应用场景设计验证 概述 电学仿真 热学仿真 热-流体力学仿真设计验证13概述杂散电感电流密度分布脉冲和谐振分析过载分析/EMC/EMI热阻计算结温计算温度分布云图瞬态热分析结构形变应力状态疲劳断裂和分层流体压降流速分布模流仿真空洞缺陷端子过流能力功率损耗焦耳热电热耦合仿真热-机械耦合仿真翘曲变形残余应力寿命预测热-流体耦合仿真电

5、学仿真热学仿真流体仿真机械仿真传热系数提取流体温度分布瞬态热分析设计验证14电学仿真PCB驱动器+封装负载芯片模型单个芯片上的分布式电流对于单独的封装：主要使用双脉冲测试进行封装级别的测试验证主要侧重于第一次关断和第二次导通对于集成系统：谐波和动态负载都可以用于系统级测试系统级电磁兼容性和具体功率损耗均可以评估结果系统级封装电气评估的SPICE模型结构导通过程中电流与电压的变化导通过程中的 变化 设计验证15热学仿真热学仿真结果示例目标识别结构中的潜在高温位置评估封装的散热性能评估热阻和热分布定义封装堆叠和布局联系现实与温度相关的材料属性动态散热表现潜在缺陷的引入基于标准的模型设置结果封装的几

6、何形状和相应网格示例散热性能验证设计对比材料选型设计验证16热-流体耦合仿真为什么使用CFD（计算流体力学）？更好地模拟对流换热性能评估液体的相关属性优化热源排列改进流道设计应用系统级热性能评估冷却系统设计的水平对比热CFD仿真过程示意图网格流体发热温度不同冷却板设计的热性能对比系统级空冷仿真示例意法半导体的功率器件封装开发需要经过严格而详细的设计和验证程序，其中包括对全生命周期要求和实际制造的全面考虑。Takeaways事实证明，仿真是一种高效的方法，不仅可以简化工作流程，