本文原刊登于Ansys.com：《onsemi Electrifies Product and Process Innovation With Ansys》

作者：Emily Gerken | Ansys市場傳播專員

編輯整理：李旭 | Ansys高級應用工程師

“建模和仿真在任何行業都具有重要意義，而在我的職業生涯中，我親眼見證了它們如何為半導體制造商帶來令人難以置信的價值。”

——James Victory，onsemi建模和仿真研究員

半導體制造商必須確定能夠最大限度提高效率、減少損耗并延長產品使用壽命的新一代材料。

onsemi總部位于美國亞利桑那州斯科茨代爾，是一家全球領先的半導體制造商，在19個國家/地區共設有60多個生產工廠和設計中心。與其他半導體公司一樣，onsemi面臨著巨大壓力，以求持續推出功能更強的設計，同時要使其體積更小、成本更低、可持續性更高、以及更節能。此外，其解決方案必須足夠堅固耐用，才能滿足汽車和工業應用的實際需求，而這些應用領域業務的收入約占公司收入的75%。

James Victory自2012年以來一直擔任onsemi的建模和仿真研究員，他表示：“如今，半導體行業正處于關鍵的十字路口。架構概念、芯片設計和芯片封裝都在發生變革，器件功能正在日益提高，制造功能也在經歷重構。”

這場行業變革得益于利用碳化硅（SiC）等非傳統材料的優勢，而onsemi正在引領這種寬禁帶材料的廣泛應用，這有助于推動生產比硅基替代方案更節能、更緊湊、更可靠的半導體。最終，這會為我們帶來性能更高、尺寸更小、成本更低的汽車和工業組件。

Victory指出：“與硅基替代方案相比，基于SiC的半導體具有更出色的電氣和熱屬性，這使其能夠在更高的電壓、頻率和溫度下運行。事實上，與傳統芯片設計相比，基于SiC的解決方案將熱導率提高了4倍。”

據Victory稱，SiC的出色電氣和熱性能不僅能夠滿足現有的市場要求，還創造了令人振奮的新應用。Victory說道：“SiC的工作電壓介于650至1200伏之間，就性能效率而言，其已被證明是新一代電動汽車、工業太陽能和儲能、不間斷電源、先進電源、電池充電和其他大功率系統的最佳解決方案。”

了解Ansys面向電熱應用的創新能力

利用Ansys為未來系統建模賦能

基于SiC的巨大潛力，onsemi正在加大投入，積極推進相關研發工作。

這些工作的一個關鍵重點是，通過Ansys軟件的虛擬原型設計平臺來評估器件和技術性能。Victory自20世紀90年代初就一直是Ansys的用戶，他于2012年加入onsemi，并幫助該公司創建了行業領先的功率半導體設計賦能能力，助力onsemi屹立于半導體產品創新的最前沿。他曾先后在Motorola Semiconductor、Xtremspectrum和Jazz Semiconductor等公司負責領導設計賦能計劃并大獲成功。

基于Ansys的仿真，有助于onsemi解決SiC MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）的快速開關特性所帶來的設計挑戰。快速開關效應會導致芯片-封裝相互作用，從而影響半導體的魯棒性和可靠性。為了可靠地實現SiC功率模塊的大規模生產，onsemi的產品開發團隊必須了解電氣、熱和機械相互作用，以及它們如何影響模塊性能和可靠性。

Victory表示：“建模和仿真在任何行業都具有重要意義，而在我的職業生涯中，我親眼見證了它們如何為半導體制造商帶來令人難以置信的價值。事實上，半導體公司可以將其建模和仿真功能轉化為顯著的競爭優勢。”Victory認為，仿真是縮短真正的開創性設計（如onsemi的SiC芯片）開發周期的最佳途徑，制造商可以由此提高創新速度，緊跟技術和市場變革的步伐。

產品創新始于流程創新

Victory及其團隊與Ansys合作開發了一種新方法，用于自動執行和加速驗證onsemi SiC MOSFET工業功率模塊的多保真度熱建模（MFIT）流程。

IEEE Explore上發表的一篇技術論文中，對他們的創新型專有方法進行了介紹，論文題為《Automated Multidisciplinary Analysis and Lab Verification for Silicon-Carbide Based Power Modules》（碳化硅功率模塊的自動化多學科分析和實驗室驗證） 。

由onsemi和Ansys共同開發的基于Web的自動化MFIT流程，不僅可加速基于SiC的功率模塊設計電熱建模，同時還提高了其準確性。onsemi和Ansys合作，于業內率先建立了完整且自動化的功率模塊仿真平臺，其中包括：

• 通過Ansys SpaceClaim 3D計算機輔助設計（CAD）建模軟件生成3D實體模型
• 使用Ansys Icepak電子散熱仿真軟件進行熱阻抗仿真
• 由Ansys Q3D Extractor寄生參數提取電磁仿真軟件提供支持的寄生RLC（電阻、電感和電容）參數提取
• 生成降階SPICE（以集成電路為重點的仿真程序）模型
• 部署用于自動化的Ansys原生Python腳本庫
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由于工程師可以對基于碳化硅（SiC）的功率模塊設計進行迭代，onsemi基于對象的方法能夠實現更大的創意自由度。一種突破性的任意夾片設計工具可適應復雜性，使建模團隊能夠探索不同的夾片形狀和方向，以最大限度地提高整體性能

與之前的建模方法相比，onsemi的專有自動化工作流程更快速且更精確。例如，在典型的有限元分析（FEA）模型生成流程中，包括一個耗時且容易出錯的環節：即生成CAD實體模型，隨后還需在仿真預處理步驟中導入模型并進行簡化處理。在新的onsemi-Ansys工作流程中，這項任務被完全腳本化、自動化的3D實體模型生成所取代，只需最少的用戶交互即可完成。

此外，創新流程還可自動為特定實體模型應用定制的網格劃分和求解策略，從而減少不必要的步驟。舉例來說，對芯片的有源區域進行建模對于熱分析非常重要，對所有信號連接器進行建模，則主要是為了評估電氣效應，而該流程會自動適應用戶的最終分析目標。

自動化MFIT方法，也比依賴于按規定順序分層或堆疊實體幾何結構的傳統工作流程更靈活。onsemi的流程是基于對象的，因此每個模塊都可以采用自底向上的方法構建——首先從定義組件主干的基礎對象開始。該流程更易于適應新的布局和復雜形狀，從而助力產品創新。

自動化分析可助力獲得更快速、更可預測的結果

這種專有MFIT方法的結果，已在onsemi SiC MOSFET工業功率模塊中進行了實驗室測試驗證，這意味著onsemi現在可以通過Ansys軟件和自動化工作流程快速可靠地解決復雜的電熱問題。

Victory補充道：“物理測試和原型證明了我們的MFIT結果具有很高的精度。這種‘一次性成功’功能為onsemi帶來了巨大優勢，可幫助其加快具有競爭力的創新產品的上市進程。”

Victory強調，與SiC生產相關的材料和制造流程非常昂貴，而專有的MFIT流程，能夠在尚未進行任何生產投資的最早期設計階段預測產品性能，從而幫助onsemi顯著節省成本。

與Ansys合作創建的自動化MFIT流程現在已成為onsemi端到端開發流程的關鍵組成部分。MFIT流程的速度和嚴謹性，使onsemi能夠引領行業實現SiC商業化發展，以滿足廣泛的客戶應用需求。

Victory總結道：“與大多數創新產品一樣，向SiC的轉型也帶來了重大的工程和設計挑戰。幸運的是，我們多年來一直與Ansys合作，通過開發設計、流程和仿真流程創新來應對這些挑戰，從而直接推動產品創新。”