半導體製造商必須找出可發揮最大能源效率、減少損耗並延長產品壽命的次世代材料。
onsemi 總部位於亞利桑那州史考茲戴爾，是全球領先的半導體製造商，在 19 個國家擁有超過 60 個製造與設計據點。如同其他半導體公司，onsemi 面臨持續開發更高效能設計的壓力，這些設計同時必須體積更小、具備成本效益、可持續性與能源效率。此外，其解決方案還必須堅固耐用，能夠承受汽車與工業應用的實際需求，而這些應用約佔公司營收的 75%。
「半導體產業如今正處於一個關鍵的轉捩點。」James Victory 表示，他自 2012 年起即為 onsemi 的建模與模擬領域專家。「架構概念、晶片設計與晶圓封裝都正在經歷革命性的變革。裝置的功能性每天都在提升。製造能力也正在被重新定義。」
這場產業革命也包含善用碳化矽 (SiC) 等非傳統材料的優勢。onsemi 引領這款寬能隙材料的廣泛應用，推動製造出比傳統矽材料更具能源效率、體積更小且更堅固的半導體。成果為何？汽車與工業元件不僅效能更高，同時體積更小、成本更低。
「以 SiC 為基礎的半導體在電性與熱性能上均優於矽基替代方案，使其能在更高電壓、更高頻率與更高溫度下運作。事實上，相較於傳統的矽設計，SiC 解決方案的熱導率提升了四倍。」Victory 說道。
根據 Victory 的說法，SiC 卓越的電性與熱傳導表現不僅滿足現有市場需求，還創造了嶄新且令人振奮的應用可能。「在 650 到 1200 伏特之間，SiC 已被證明是在效能效率方面應用於新一代電動車、工業用太陽能與能源儲存、不斷電系統、先進電源供應、電池充電及其他高功率系統的最佳解決方案。」Victory 表示。
瞭解 Ansys 在電熱應用方面的創新能力。
以 Ansys 建構更強大的未來
基於 SiC 的巨大潛力，onsemi 正積極投入以此材料為核心的研究與開發 (R&D) 工作。
這些研發工作的重點之一是透過採用 Ansys 軟體的虛擬原型平台評估裝置與技術效能。Victory 自 1990 年代初期即為 Ansys 使用者，於 2012 年加入 onsemi，他的使命是建立業界領先的電源半導體設計支持能力，協助 onsemi 成為半導體產品創新的領導者。他曾在 Motorola Semiconductor、Xtremespectrum 和 Jazz Semiconductor 成功推動設計支持計畫。
Ansys 模擬有助於 onsemi 解決由 SiC MOSFET (金屬氧化物半導體場效電晶體) 快速切換特性所帶來的設計挑戰。快速切換效應可能導致晶粒與封裝間的交互作用，進而影響半導體的堅固性與可靠度。為了穩定大量生產 SiC 功率模組，onsemi 的產品開發團隊必須掌握電、熱與機械間的互動關係，以及這些因素如何影響模組效能與可靠度。
「建模與模擬在任何產業中都非常有價值，而在我的職涯中，我親眼見證了它們為半導體製造商帶來的驚人效益。」Victory 表示。「事實上，半導體公司可以將其建模與模擬能力轉化為一項重大的競爭優勢。」Victory 認為，模擬是縮短開發週期，達到真正突破性設計 (例如 onsemi 的 SiC 晶片) 的最佳方式，讓製造商能將創新速度與技術和市場的變化步調同步。
產品創新始於程序創新
Victory 與其團隊攜手 Ansys，開發出一套全新的方法，用以自動化並加速多精度熱建模 (MFIT) 程序，該程序用於驗證 onsemi 的 SiC MOSFET 工業功率模組。
他們這項創新且專有的方法已於 IEEE Explore 發表的技術論文中詳加說明，標題為 「針對碳化矽功率模組的自動化多領域分析與實驗室驗證」。
onsemi 與 Ansys 共同開發的這套自動化網頁式 MFIT 流程序，加快了 SiC 功率模組設計的電熱模擬，同時也提升了其準確度。onsemi 與 Ansys 攜手建立了首個完整且自動化的功率模組模擬平台，功能包括：
- 透過 Ansys SpaceClaim 3D 電腦輔助設計 (CAD) 建模軟體進行 3D 實體建模
- 使用 Ansys Icepak 電子散熱模擬軟體執行熱阻抗模擬
- 透過 Ansys Q3D Extractor 寄生萃取電磁模擬軟體執行 RLC (電阻、電感與電容) 寄生參數萃取
當工程師迭代碳化矽 (SiC) 功率模組的設計時，onsemi 採用的物件導向方法賦予設計更多創造自由。一項突破性的任意夾具設計工具可因應各種複雜性，讓建模團隊能探索不同的夾具形狀與方向，以最大化整體效能。
- 簡化階次的 SPICE (強調積體電路的模擬程式) 模型產生
- 導入 Ansys 原生的 Python 指令碼庫以進行自動化處理
相較於過往的建模方法，onsemi 專有的自動化工作流程速度更快、準確度更高。舉例來說，一般的有限元素分析 (FEA) 模型建立流程包含耗時且易出錯的 CAD 實體建模，接著還需在模擬前處理階段進行模型匯入與理想化。在 onsemi 與 Ansys 新的工作流程中，這項作業已被完整指令碼化、自動化的 3D 實體建模所取代，幾乎不需使用者互動。
這項創新流程也會依據特定實體模型，自動套用客製化的網格與求解策略，進而省略不必要的步驟。例如，雖然針對晶片的作用區域進行建模對於散熱分析非常有意義，但所有訊號連接器的建模只在評估電性影響時才有必要。此流程會自動根據使用者的最終分析目標而進行調整。
這項自動化的 MFIT 方法也比傳統的自動化工作流程更具彈性，因為傳統流程仰賴按既定順序疊合實體幾何。由於 onsemi 採用物件導向流程，每個模組皆可自底向上組建──從定義組裝骨架的根物件出發進行設計。新佈局與複雜形狀能更容易被納入設計範疇，進而促進產品創新。
onsemi 與 Ansys 所開發的自動化 MFIT 流程，在使用 SiC MOSFET 功率模組的 3D 模型 (左圖) 預測成品效能 (右圖) 方面，已被證明具有高度準確度。
分析自動化推動更快速且可預測的成果
這套專有的 MFIT 方法已在實驗中成功驗證於 onsemi 的 SiC MOSFET 工業功率模組上──這表示 onsemi 現在可透過 Ansys 軟體與自動化的工作流程，以快速且可靠的方式解決複雜的電熱問題。
「實體測試與原型驗證證明我們的 MFIT 結果具有高度準確度。這種『一次就成功』的能力，讓 onsemi 在創新且具競爭力產品的上市速度方面具備極大優勢。」Victory 補充道。
Victory 強調，SiC 製造所需的材料與製程非常昂貴。這也代表，這套專有的 MFIT 流程能在設計初期就預測產品效能──在尚未投入任何生產成本前，即可為 onsemi 帶來顯著的節省成本效益。
根據 Victory 的說法，如今 onsemi 與 Ansys 合作開發的自動化 MFIT 流程，已成為其端對端開發流程中不可或缺的關鍵環節。MFIT 流程的高效率與嚴謹性，讓 onsemi 得以在多樣化的客戶應用中率先將 SiC 商業化，領先業界。
「如同多數創新一樣，轉向 SiC 也帶來了重大的工程與設計挑戰。我們很幸運多年來能與 Ansys 合作，攜手克服這類挑戰──透過設計、製程與模擬流程上的創新，直接促成產品創新。」Victory 最後表示。
深入瞭解 Ansys 的半導體模擬能力。
