本文原刊登于Ansys.com：《onsemi Electrifies Product and Process Innovation With Ansys》
作者：Emily Gerken | Ansys市场传播专员
编辑整理：李旭 | Ansys高级应用工程师
“建模和仿真在任何行业都具有重要意义，而在我的职业生涯中，我亲眼见证了它们如何为半导体制造商带来令人难以置信的价值。”
——James Victory，onsemi建模和仿真研究员
半导体制造商必须确定能够最大限度提高效率、减少损耗并延长产品使用寿命的新一代材料。
onsemi总部位于美国亚利桑那州斯科茨代尔，是一家全球领先的半导体制造商，在19个国家/地区共设有60多个生产工厂和设计中心。与其他半导体公司一样，onsemi面临着巨大压力，以求持续推出功能更强的设计，同时要使其体积更小、成本更低、可持续性更高、以及更节能。此外，其解决方案必须足够坚固耐用，才能满足汽车和工业应用的实际需求，而这些应用领域业务的收入约占公司收入的75%。
James Victory自2012年以来一直担任onsemi的建模和仿真研究员，他表示：“如今，半导体行业正处于关键的十字路口。架构概念、芯片设计和芯片封装都在发生变革，器件功能正在日益提高，制造功能也在经历重构。”
这场行业变革得益于利用碳化硅（SiC）等非传统材料的优势，而onsemi正在引领这种宽禁带材料的广泛应用，这有助于推动生产比硅基替代方案更节能、更紧凑、更可靠的半导体。最终，这会为我们带来性能更高、尺寸更小、成本更低的汽车和工业组件。
Victory指出：“与硅基替代方案相比，基于SiC的半导体具有更出色的电气和热属性，这使其能够在更高的电压、频率和温度下运行。事实上，与传统芯片设计相比，基于SiC的解决方案将热导率提高了4倍。”
据Victory称，SiC的出色电气和热性能不仅能够满足现有的市场要求，还创造了令人振奋的新应用。Victory说道：“SiC的工作电压介于650至1200伏之间，就性能效率而言，其已被证明是新一代电动汽车、工业太阳能和储能、不间断电源、先进电源、电池充电和其他大功率系统的最佳解决方案。”
利用Ansys为未来系统建模赋能
基于SiC的巨大潜力，onsemi正在加大投入，积极推进相关研发工作。
这些工作的一个关键重点是，通过Ansys软件的虚拟原型设计平台来评估器件和技术性能。Victory自20世纪90年代初就一直是Ansys的用户，他于2012年加入onsemi，并帮助该公司创建了行业领先的功率半导体设计赋能能力，助力onsemi屹立于半导体产品创新的最前沿。他曾先后在Motorola Semiconductor、Xtremspectrum和Jazz Semiconductor等公司负责领导设计赋能计划并大获成功。
基于Ansys的仿真，有助于onsemi解决SiC MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的快速开关特性所带来的设计挑战。快速开关效应会导致芯片-封装相互作用，从而影响半导体的鲁棒性和可靠性。为了可靠地实现SiC功率模块的大规模生产，onsemi的产品开发团队必须了解电气、热和机械相互作用，以及它们如何影响模块性能和可靠性。
Victory表示：“建模和仿真在任何行业都具有重要意义，而在我的职业生涯中，我亲眼见证了它们如何为半导体制造商带来令人难以置信的价值。事实上，半导体公司可以将其建模和仿真功能转化为显著的竞争优势。”Victory认为，仿真是缩短真正的开创性设计（如onsemi的SiC芯片）开发周期的最佳途径，制造商可以由此提高创新速度，紧跟技术和市场变革的步伐。
产品创新始于流程创新
Victory及其团队与Ansys合作开发了一种新方法，用于自动执行和加速验证onsemi SiC MOSFET工业功率模块的多保真度热建模（MFIT）流程。
IEEE Explore上发表的一篇技术论文中，对他们的创新型专有方法进行了介绍，论文题为《Automated Multidisciplinary Analysis and Lab Verification for Silicon-Carbide Based Power Modules》（碳化硅功率模块的自动化多学科分析和实验室验证） 。
由onsemi和Ansys共同开发的基于Web的自动化MFIT流程，不仅可加速基于SiC的功率模块设计电热建模，同时还提高了其准确性。onsemi和Ansys合作，于业内率先建立了完整且自动化的功率模块仿真平台，其中包括：
l通过Ansys SpaceClaim 3D计算机辅助设计（CAD）建模软件生成3D实体模型
l使用Ansys Icepak电子散热仿真软件进行热阻抗仿真
l由Ansys Q3D Extractor寄生参数提取电磁仿真软件提供支持的寄生RLC（电阻、电感和电容）参数提取
l生成降阶SPICE（以集成电路为重点的仿真程序）模型
l部署用于自动化的Ansys原生Python脚本库
由于工程师可以对基于碳化硅（SiC）的功率模块设计进行迭代，onsemi基于对象的方法能够实现更大的创意自由度。一种突破性的任意夹片设计工具可适应复杂性，使建模团队能够探索不同的夹片形状和方向，以最大限度地提高整体性能
与之前的建模方法相比，onsemi的专有自动化工作流程更快速且更精确。例如，在典型的有限元分析（FEA）模型生成流程中，包括一个耗时且容易出错的环节：即生成CAD实体模型，随后还需在仿真预处理步骤中导入模型并进行简化处理。在新的onsemi-Ansys工作流程中，这项任务被完全脚本化、自动化的3D实体模型生成所取代，只需最少的用户交互即可完成。
此外，创新流程还可自动为特定实体模型应用定制的网格划分和求解策略，从而减少不必要的步骤。举例来说，对芯片的有源区域进行建模对于热分析非常重要，对所有信号连接器进行建模，则主要是为了评估电气效应，而该流程会自动适应用户的最终分析目标。
自动化MFIT方法，也比依赖于按规定顺序分层或堆叠实体几何结构的传统工作流程更灵活。onsemi的流程是基于对象的，因此每个模块都可以采用自底向上的方法构建——首先从定义组件主干的基础对象开始。该流程更易于适应新的布局和复杂形状，从而助力产品创新。
由onsemi和Ansys合作开发的自动化MFIT流程经过验证，在使用SiC MOSFET功率模块（左）3D模型来预测成品（右）性能方面非常准确。
自动化分析可助力获得更快速、更可预测的结果
这种专有MFIT方法的结果，已在onsemi SiC MOSFET工业功率模块中进行了实验室测试验证，这意味着onsemi现在可以通过Ansys软件和自动化工作流程快速可靠地解决复杂的电热问题。
Victory补充道：“物理测试和原型证明了我们的MFIT结果具有很高的精度。这种‘一次性成功’功能为onsemi带来了巨大优势，可帮助其加快具有竞争力的创新产品的上市进程。”
Victory强调，与SiC生产相关的材料和制造流程非常昂贵，而专有的MFIT流程，能够在尚未进行任何生产投资的最早期设计阶段预测产品性能，从而帮助onsemi显著节省成本。
与Ansys合作创建的自动化MFIT流程现在已成为onsemi端到端开发流程的关键组成部分。MFIT流程的速度和严谨性，使onsemi能够引领行业实现SiC商业化发展，以满足广泛的客户应用需求。
Victory总结道：“与大多数创新产品一样，向SiC的转型也带来了重大的工程和设计挑战。幸运的是，我们多年来一直与Ansys合作，通过开发设计、流程和仿真流程创新来应对这些挑战，从而直接推动产品创新。”
