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# 1. 晶片封裝設計

    在講述封裝設計前，先介紹一個SiC的模組設計應用論文\[2]。這篇研究使用Simplorer和Q3D來做模擬設計。提出的特點是在封裝中加入snubber 電容的概念，也就是把電容封在模組中。利用這個電容有主要三個好處。1.降低高頻迴路漏感，減低電壓spike。2.降低耦合影響。減低高頻回流路徑可以降低耦合。3.把電容當作EMI濾波器使用。

    功率模組在電磁場的分析第一步通常會考慮主動與被動元件的功能與位置，未來還有可能整合控制IC。第二步再考慮模組的開發整合性與驗證。第三步會考量內部電磁場、損耗場、熱流、結構性。最後考量生產性與可維修性的問題。最後在這四個考量中相互trade-off。

<figure><img src="/files/j6ilJ5nXQJyzLdRSMmeD" alt=""><figcaption><p>圖1-1</p></figcaption></figure>

&#x20;   舉一個power module來看，在這個功率模組中，包含了出pin(E C Gate)、介質膠、IGBT與diode晶片、陶瓷基板與外殼。

<figure><img src="/files/phOA0N9vGBpkoHAipIv6" alt=""><figcaption><p>圖1-2</p></figcaption></figure>

除去外殼與膠體後，看到更精細的內部結構。這時候對於電磁場，可以做IGBT的特性、電流分布、切換損耗與電磁場的分析。

<figure><img src="/files/mQPcVwdPmbDyErfi1Pc2" alt=""><figcaption><p>圖1-3</p></figcaption></figure>

分析的流程可以參考圖1-4，從3D功率模組出發，可以用3D模型放到Maxwell做電磁場的分析，分析電流與損耗分布。 再來我們會想知道高頻的響應，所以我們需要萃取寄生參數，放到電路軟體做設計建模。 再由量測DPT的資料對IGBT做降階模型建模， 最後還可以用push excitation放到HFSS觀測輻射場。

<figure><img src="/files/GPFDTL5qxNlLx68oXu5n" alt=""><figcaption><p>圖1-4</p></figcaption></figure>

如圖1-5的IGBT模型，大家會認為電流流向每顆IGBT會是均流的嗎？可能不會，因為上面的高頻阻抗其實差異頗大。

<figure><img src="/files/3f9uzlnCFyJGRt7XSSqZ" alt=""><figcaption><p>圖1-5</p></figcaption></figure>

如果不會均流，可能會造成什麼問題呢？使用時間拉長，可能會造成部分壓力過高與穩定性的問題。這時候EM模擬軟體就可以用來分析。ANSYS 的電模擬軟體都具有自適應網格的能力，只要簡單的設定就能自動疊代做出收斂且正確的電磁場分析。圖1-6是模擬IGBT打開而飛輪關閉的電流分布。

<figure><img src="/files/cxjJMFmG6vdcB4tAz7P7" alt=""><figcaption><p>圖1-6</p></figcaption></figure>

分析後可觀察到，部分的電流密度是過高的，需要再做電流路徑的規畫修正均流性。分析軟體的好處就是可以很直觀的看出結果，這也是很難量測觀測的設計項目。

圖1-7

<figure><img src="/files/1d7nBhSDIfEbRseF7C81" alt="" width="272"><figcaption><p>圖1-7</p></figcaption></figure>

鎊線是封裝中很重要的連接元素，利用模擬，我們可以做電、熱、結構的耦合分析，如圖1-8所示。

<figure><img src="/files/F1IzbMYRY3ngl2G4ge5k" alt=""><figcaption><p>圖1-8</p></figcaption></figure>

如果需要放到電路做進一步的模擬，需要萃取寄生參數。如圖1-9的電纜截面，在高頻與低頻所看到場的分布是不同的，同樣的結構，在高頻的時候會受到鄰近效應與及膚深度的影響。所以當我們在做降階模型的時候，高頻和低頻的寄生參數看到的會是不同的值。在Q3D各個值的萃取會需要考量頻率的設定。通常也會依不同的網絡做不同的萃取。

<figure><img src="/files/1ZH0ACgIS3DPnRBzynXl" alt="" width="375"><figcaption><p>圖1-9</p></figcaption></figure>

所以當我們在做降階模型的時候，高頻和低頻的寄生參數看到的會是不同的值。在Q3D各個值的萃取會需要考量頻率的設定。通常也會依不同的網絡做不同的萃取。

<figure><img src="/files/qPPfhRegbGSrbqP7hfMB" alt=""><figcaption><p>圖1-10</p></figcaption></figure>

IGBT的電路模型上，Simplorer提供了三種建模，由系統級到動態響應級的模型。這是比較表，綜整來說：advanced dynamic提供了最完整的建模。但大部分的設計，依筆者經驗用到Basic Dynamic的模型就可以了。

<figure><img src="/files/aEXfkA0lfikB9PyFczjO" alt=""><figcaption><p>圖1-11</p></figcaption></figure>

&#x20;   圖1-12介紹了IGBT建模，通常會建議使用DPT的量測結果來建模，因為datasheet的量測資料不一定是機器的使用工況。這邊以datasheet建模舉例。 依據Simplorer步驟鍵入資料。這邊要特別提一下在ANSYS AEDT裡面提供一個sheetscan工具可以把圖形檔轉換成table形式的資料檔，避免人為誤判資料。建立模型可以善用這個工具。經過13個步驟的建立後，得到一個精細的動態IGBT模型。在Simplorer中使用。

<figure><img src="/files/O1PFap11oCveF6KL9fG1" alt=""><figcaption><p>圖1-12</p></figcaption></figure>

有了 IGBT Model，帶入電路模擬與Q3D和Maxwell，更能細部的觀測到電磁場的順態模擬。

<figure><img src="/files/x6RgY8FB3tXBpLtQeNzw" alt=""><figcaption><p>圖1-13</p></figcaption></figure>


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