ON SEMICONDUCTOR CZECH REPUBLIC, s.r.o.

Výrobci polovodičů neustále hledají nové materiály, které umožní zvýšit účinnost, minimalizovat ztráty a prodloužit životnost polovodičových součástek.

Společnost onsemi, se sídlem ve Scottsdale v Arizoně, je předním světovým výrobcem polovodičů s více než 60 výrobními a vývojovými středisky v 19 zemích. Stejně jako jiné společnosti v oboru musí neustále vyvíjet nové a výkonnější polovodičové součástky, které jsou zároveň menší, cenově dostupnější, udržitelnější a energeticky efektivnější. Zároveň musí být řešení dostatečně odolná, aby obstála v náročných podmínkách automobilových a průmyslových aplikací, protože tyto sektory tvoří přibližně 75 % příjmů společnosti. 

„Polovodičový průmysl se nachází na rozcestí,“ říká James Victory, který působí jako expert na simulace v onsemi od roku 2012. Victory dále říká: „Architektury čipů, návrhy čipů a pouzder se zásadně mění. Vlastnosti součástek se zlepšují každý den. Výrobní procesy se také zásadně proměňují.“ 

Součástí této revoluce je využívání nových materiálů, jako je karbid křemíku (SiC). Společnost onsemi je lídrem v zavádění tohoto materiálů s velkou šířkou zakázaného pásu, který umožňuje vyrábět polovodiče s vyšší energetickou účinností, menšími rozměry a větší odolností než jiné křemíkové alternativy. Výsledkem jsou komponenty pro automobilový a průmyslový sektor, které mají vyšší výkon, menší velikost a nižší náklady. 

„Polovodiče založené na SiC mají lepší elektrické i tepelné vlastnosti než jiné křemíkové varianty, což jim umožňuje fungovat při vyšších napětích, frekvencích a teplotách. Ve skutečnosti mají součástky založené na SiC čtyřnásobně lepší tepelnou vodivost než součástky vyrobené z tradičních křemíkových materiálů,“ poznamenává Victory. 

Podle Victoryho lepší elektrické a tepelné vlastnosti SiC splňují současné požadavky trhu, ale otevírají i nové možnosti pro aplikace součástek. „V rozsahu 650 až 1200 voltů se SiC ukázal jako nejlepší řešení z hlediska výkonové účinnosti u nové generace elektromobilů, průmyslové solární a akumulační energetiky, napájecích zdrojů, pokročilých napájecích systémů, nabíječek baterií a dalších vysokovýkonných systémů,“ dodává. 

Modelování výkonnější budoucnosti s Ansys 

Na základě obrovského potenciálu SiC investuje onsemi intenzivně do výzkumu a vývoje zaměřeného právě na tento materiál. 

Victory, který používá Ansys již od počátku 90. let, nastoupil do onsemi v roce 2012 s cílem vybudovat návrhové prostředí pro výkonové polovodiče a zajistit tak onsemi vedoucí pozici v oblasti inovací. Díky tomu dnes onsemi využívá během vývoje virtuálního prototypování, které je založené na softwaru Ansys. 

Simulace založené na softwaru Ansys pomáhají simulovat jevy související s rychlým spínáním tranzistorů SiC MOSFET. Rychlé přepínání může způsobit interakce mezi čipem a pouzdrem, které ovlivňují odolnost a spolehlivost polovodiče. Aby bylo možné sériově vyrábět moduly výkonových SiC čipů, musí vývojový tým onsemi porozumět elektrickým, tepelným a mechanickým interakcím a jejich vlivu na výkonnost a životnost. 

„Modelování a simulace dávají smysl v každém odvětví, ale z vlastní zkušenosti vím, jakou obrovskou hodnotu přinášejí výrobě polovodičů,“ říká Victory. „Společnosti mohou simulace využít jako výraznou konkurenční výhodu.“ Podle něj je simulace nejlepším způsobem, jak zkrátit vývojové cykly, například čipů SiC, a udržet krok s rychlostí vývoje technologií a měnícími se požadavky trhu. 

Inovace produktů začíná inovací procesů 

Ve spolupráci s Ansys vyvinul Victory a jeho tým novou metodiku pro automatizaci a urychlení procesu víceúrovňového tepelného modelování (MFIT) pro simulaci výkonových modulů s čipy SiC MOSFET. 

Tento inovativní a proprietární přístup byl popsán v odborném článku publikovaném v IEEE Explore s názvem: “Automated Multidisciplinary Analysis and Lab Verification for Silicon-Carbide Based Power Modules.” 

Automatizovaný MFIT proces, vyvinutý ve spolupráci mezi onsemi a Ansys, urychluje elektro-termální modelování modulů a zároveň zvyšuje jejich přesnost. Společně vytvořili první kompletní automatizovanou simulační platformu, která zahrnuje: 

• Generování 3D modelů pomocí Ansys SpaceClaim (Discovery)
• Simulace tepelné impedance pomocí Ansys Icepak 
• Extrakce parazitních RLC parametrů pomocí Ansys Q3D Extractor 
• Generování modelů SPICE s redukovaným řádem 
• Automatizaci pomocí knihoven Python skriptů od Ansys 

Ve srovnání s předchozími přístupy je tento workflow výrazně rychlejší a přesnější. Například tradiční proces FEA vyžaduje zdlouhavé manuální vytváření CAD modelu a jeho následné zpracování v simulačním softwaru. V novém přístupu je tento krok automatizovaný pomocí skriptu. 

Inovativní proces také eliminuje zbytečné kroky, například automaticky generuje síť podle analyzované části. Například aktivní oblast čipu je klíčová pro tepelnou analýzu, zatímco propojení signálů je důležité pouze pro elektrickou simulaci proto každá část vyžaduje jiný typ sítě.

Automatizovaný proces MFIT vyvinutý společnostmi onsemi a Ansys se ukázal jako velmi přesný při využití 3D modelu výkonového modulu SiC MOSFET (vlevo) k předpovědi výkonu finálního produktu.

Automatizace přináší rychlejší a předvídatelnější výsledky 

Výsledky tohoto přístupu byly ověřeny testováním na výkonových modulech onsemi s čipy SiC MOSFET, což znamená, že nyní lze řešit složité elektro-termální problémy rychle a spolehlivě pomocí Ansys softwaru a automatizovaných workflow. 

„Fyzické testy a prototypy potvrdily, že výsledky MFIT dosahují vysoké přesnosti. Tato schopnost "napoprvé správně” je pro onsemi obrovskou výhodou, pokud jde o rychlé uvedení inovativních produktů na trh,“ dodává Victory. 

Materiály a výrobní procesy spojené s výrobou SiC jsou velmi drahé, což znamená, že predikce výkonnosti produktu už v rané fázi návrhu, ještě před investicí do výroby, přináší výrazné úspory nákladů. 

Podle Victoryho je dnes automatizovaný MFIT proces, vyvinutý ve spolupráci s Ansys, základním stavebním kamenem vývoje výrobků v onsemi. Jeho rychlost a důslednost umožňuje společnosti být lídrem v komercializaci SiC pro široké spektrum aplikací. 

„Stejně jako u většiny inovací i zde přechod na SiC přináší významné inženýrské a konstrukční výzvy. Máme ale to štěstí, že s Ansys spolupracujeme již řadu let a společně vyvíjíme návrhové, procesní a simulační inovace, které vedou přímo k produktovým inovacím,“ uzavírá Victory. 

Zdroj: https://www.ansys.com/blog/onsemi-electrifies-product-process-innovation-with-ansys

Použitý software

Ansys Discovery

Zobrazit

Ansys Icepak

Ansys Icepak je CFD řešič pro simulace chlazení elektronických komponent. Předpovídá proudění vzduchu, teplotu a přenos tepla v IC pouzdrech, deskách plošných spojů, elektronických sestavách, skříních a výkonové elektronice.

Zobrazit

3D integrované obvodyEMI/EMCSpolehlivost elektroniky

Ansys Q3D Extractor

Zobrazit