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20210924_D Webinar企業決勝關鍵論壇:快速驗證產業轉型應用

西門子平台優化熱特性分析與仿真數據管理

產業快速發展,電子設備的功能不斷精進,MOSEFET、IGBT等功率元件的發熱越來越高,有效散熱成為設備業者的產品設計重點。除了散熱外,仿真模擬也是工程師開發過程中的必要環節,現在產品結構越來越精細,趨勢對仿真數據的管理效能帶來嚴苛考驗,唯有優化管理機制,方能精準控制成本與品質。

為協助設備業者與工程師解決上述問題,西門子特於2021年7月7日舉辦線上研討會,邀請兩位西門子專家介紹該公司的半導體封裝元件的熱特性、仿真數據管理兩種平台。

全面掌握熱特性分析量測數據

西門子數位工業軟體資深顧問許欽淳首先以「半導體封裝元件的熱特性」為題發表精采演說。半導體已然成為各類型產業的發展核心科技,許欽淳分析,近年來半導體有五大應用重點,包括汽車產業的5G使用、再生能源、電動車、物聯網與人工智慧,由於這五大應用系統都需要高運算機制,在此態勢下,電子設備的散熱設計更趨重要。

電子設備與系統的熱主要來自兩處,一是電子元件本身,像是SiC(碳化矽)、GaN(氮化鎵)等第三代半導體,本身雖然訴求可耐高溫特色,不過設備內部也需能排除這些元件帶來的高熱。二是設備所處的環境,以車用電子為例,行駛中的汽車,其內部溫度非常高,這些高溫都會影響功率元件的運作,因此業者必須特別注意元件材料、製程工藝等環節。

對此,許欽淳建議業者可採用西門子的Simcenter平台,此平台可滿足業者在設計、分析、測試與應用方面的需求,工程師除可藉此分析產品結構的完整性、灰塵與濕度的影響、聲學設計、電子效能的表現外,在散熱分析方面更有其卓越之處。

西門子的Simcenter系列的平台眾多,在熱特性分析與量測方面,則有T3Ster、FIoTHERM、POWERTESTER、DynTIM & TeraLED、In-Line Tester、MicRed等。

其中Simcenter T3Ster是依據JEDEC國際規範進行量測,此平台可應用於二極體、電晶體、LED或大型邏輯IC的量測,其原理是利用功率轉換獲得半導體封裝元件的熱特性,進而產生模擬軟體可用的熱阻模型,或透過量測結果協助校準西門子Simcenter FIoTHERM、FLOEFD、FIoTHERM XT等模擬軟體中的熱模型。

POWERTESTER是結合功率循環與熱特性分析的全自動量測平台,此平台主要是測試功率元件的熱特性與可靠度,協助可靠度工程師利用功率循環,分析產品降級的原因。平台內有工作流程專用軟體,工程師可透過不同測試方式、高精度監控、全自動化操作等特色優化工作效率、縮短總測試時間。

DynTIM & TeraLED中的DynTIM可控制介面材料的厚度,工程師參考ASTM5470並利用T3Ster技術進行量測。TeraLED則可在考慮光轉換效率下的實際熱阻,釐清電流、溫度、熱阻關係,透過全自動化操作,提升量測品質。

In-Line Tester為電子元件品質檢測,可檢測多種類型的半導體封裝元件,其功能包括來料檢驗與驗證、是別製造缺陷、全自動分檢、簡易操作系統,此平台可應用於生產線上,目前日、韓、中、英等科技大國均有導入等。

至於MicRed則是熱測試解決方案,可分析各種電子元件內各層材料的熱特性,強化產品設計及熱分析能量,透過散熱問題的解決,提升產品品質與可靠性,此平台的量測標準同時相容JEDEC、IEC與美軍測試標準。

在仿真數據管理平台部分,西門子數位工業軟體資深顧問劉海藤指出,仿真模擬主要作為產品設計研發的驗證,如果相關數據管理不當,將導致後續花費大量時間處理錯誤數據,對產品品質與開發時程都有極大傷害。

他進一步表示,電子業仿真的應用場景越來越多,像是電腦電源強制對流冷卻、電子散熱的液冷散熱版、電池效能管理...等,仿真模擬軟體的應用都越來越深。在這些應用場景中,電子設備業者往往面對幾個問題,像是企業內不同仿真工具的整合、CAD數據的正確性、多種學科的仿真流程與其協同性、重用已完成的仿真模型。

對於上述問題,既有的仿真因不具備管理功能,導致工作效率不彰,根據勞斯萊斯航空引擎公司的報告,在此環境下,分析師會有30%的時間用於尋找或提供資料,另外32%時間用於討論與會議,對此企業必須建立具有管理功能與流程化的仿真分析環境,西門子Teamcenter PLM則是目前市面上功能最完整的平台。

Teamcenter仿真數據管理平台內含八大功能模組,包括仿真需求定義、仿真專案管理、仿真BOM管理、仿真資料結構化、仿真優化流程、仿真多學科工具整合、仿真數據視覺化、仿真知識庫,這些平台都可加以整合,像是前端的設計資料可以直接傳送給仿真人員,仿真人員也可利用後端的設備進行實務驗證,讓仿真模型更精確。

精準管理仿真模擬數據

仿真模擬流程中,模型清理、網格劃分、材料屬性、邊界條件、求解、後處理等各程序環環相扣,前端的CAD會影響到後面的CAE Define、CAE Results、CAE Include等模型,劉海藤指出,工程師可利用西門子的Teamcenter的功能了解每一環節的狀況,當模型結果有誤,就可追溯出哪一環節出錯,進而快速導正問題,提升工作品質與效率。

劉海藤表示,新世代的仿真數據管理平台必須強化幾大效能,在流程管理方面,可透過仿真任務的流程化與制度化,提升團隊協同效率。結構管理部分,則是快速創建不同學科目的CAE 結構及重用仿真模型。

另外整合仿真工具並設計為可視化,將可優化協同效率及加強資料的正確性。最後是建立仿真知識庫分享相關知識,加速新進人員學習時間。如果能完善建置上述仿真環境,企業將可保證仿真分析全過程的可信度、減少產品研發時間並提高效率,從而擴大競爭優勢,從容面對未來挑戰。

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