LTCC_LTCF多层片式器件自动建模技术_陈森.pdf

磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 67 LTCC/LTCF多层片式器件自动建模技术陈森 1，赵勇 2，王敬林 2，李兰琼 2，王强 2(1.西南电子设备研究所，四川成都 610036；2.西南应用磁学研究所，四川绵阳 621000)摘要：针对LTCC/LTCF多层片式器件设计效率低下的问题，提出采用IronPython脚本语言实现自动化的版图检查和仿真建模的技术。介绍了多层片式器件的设计流程，采用VS2013+PTVS编程平台，开发了基于IronPython的脚本程序控制ANSYS EM软件，实现自动导入版图文件和自动建模，重点介绍脚本流程和处理图层信息的关键算法。应用于LTCF微磁变压器、LTCC电感器、片式共模滤波器等多层片式结构器件的设计，可显著提升设计效率。关键词：LTCC/LTCF多层片式器件；IronPython；脚本；LTCF微磁变压器；自动建模；ANSYS EM中图分类号：TM402文献标识码：A文章编号：1001-3830(2023)03-0067-05DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.03.011著录格式：陈森,赵勇,王敬林,等.LTCC/LTCF多层片式器件自动建模技术J.磁性材料及器件,2023,54(3):67-71./CHEN Sen,ZHAO Yong,WANG Jing-lin,et al.Automatic modeling technology on LTCC/LTCF multilayer components J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(3):67-71.Automatic modeling technology on LTCC/LTCF multilayer componentsCHEN Sen1,ZHAO Yong2,WANG Jing-lin2,LI Lan-qiong2,WANG Qiang21.Southwest Institute of Electronic Equipment,Chengdu 610036,China;2.Southwest Institute of Applied Magnetics,Mianyang 621000,ChinaAbstract:Aiming at the inefficiency of LTCC/LTCF multilayer chip components design,technology of using IronPython scripting language to achieve automated layout inspection and simulation modeling is proposed.The design process of multilayer chip components is introduced,and the VS2013+PTVS programming platform is used,and the IronPython-based script program control ANSYS EM software is developed to automatically import layout files and automatic modeling,focusing on the script process and key algorithms for processing layer information.Applied to the design of multilayer chip structure components such as LTCF transformer,LTCC inductor,chip common mode filter,etc.,it can significantly improve design efficiency.Key words:LTCC/LTCF multilayer components;IronPython;scripts;LTCF micromagnetic transformer;automatic modeling;ANSYS EM1 引言多层片式器件主要指采用 LTCC(低温共烧陶瓷)/LTCF(低温共烧铁氧体)工艺实现、具有特定功能的器件或组件，包括基于LTCC工艺的微波无源器件，如滤波器、功分器、定向耦合器、天线等；包括基于LTCF工艺的微磁器件，如微磁变压器、电感器，共模滤波器等；也包括基于LTCC/LTCF工艺实现、具有多层特征的功能组件，比如LTCC的T/R模块，LTCC/LTCF集成脉冲功率模块等。多层片式器件通过流延、打孔、印刷、叠压、烧结等工序实现了一体化独石结构，具有体积小、可靠性高等优点，在电子战、战略/战术弹载引信、航空/航天发动机点火等系统中应用日益广泛。多层片式器件一般采用AutoCAD软件和FEM(有限元)仿真软件进行版图设计和电磁/结构仿真，在正式加工前需要进行版图检查、构建3D仿真模型等，这些工作采收稿日期：2022-06-15 修回日期：2022-07-15通讯作者：赵 勇 E-mail:磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 68 用人工方式效率极低，而且容易出错。我们曾采用基于IronPython的方法，实现了YIG(钇铁石榴石)磁调谐器件的一键调用、模型参数化修改、全自动化建模、后续新器件可集成等1。基于同样的思路，针对多层片式器件的设计，进行基于IronPython的自动建模技术研究，实现快速的版图检查和3D建模，对于提高微磁器件的设计效率、实现知识共享具有积极的意义。2 总体方案多层片式器件的设计流程一般包括以下阶段：(1)理论设计和简化模型仿真本阶段根据产品设计输入要求，包括工作电压、频率、电感量等，进行理论分析与设计，确定外形尺寸等基本参数。多层片式器件具有复杂的薄片结构，在进行3D FEM仿真时会形成数以十万、百万计的网格，需要大量的计算资源(内存大于128 GB)和很长的仿真时间(数小时至数天)，为了提高仿真效率，一般采用简化的2D/3D模型进行电磁参数的仿真分析与优化。这些简化模型通过忽略层间过孔、简化绕组图形结构、对称求解等方法，对计算资源和仿真时间的消耗可降低一到两个数量级，可以快速完成参数扫描和变量优化等工作。(2)版图绘制基于前面的理论设计和仿真优化结果，采用AutoCAD软件分层绘制版图，包括所有层的线路图形、各层之间的连接通孔、加工说明等，并将所有图层组合形成完整的设计版图。在版图设计时需要考虑通孔位置、通孔和线路干涉关系等因素，既达到器件性能要求，同时满足最小线宽/线距等LTCF工艺的设计规范要求。(3)版图检查本阶段需要分层检查所有线路、通孔之间的连接关系，确保线路通断无异常，对于微磁器件还需要检查绕组同名端、绕向与设计要求是否一致等。一个复杂的LTCF微磁器件，使用的图层可达80100个，通孔数量超过500个，即便是一个通孔的位置或所在图层错误，都可能造成整个器件性能异常，因此，正式加工前的版图检查是非常重要的。在进行版图检查时，需要反复打开、关闭不同图层，以避免不同图层的图形相互遮挡，保证能清晰地看到各通孔的位置和图形连接关系，人工进行这种重复工作效率非常低且易出错。(4)3D有限元仿真本阶段需要根据真实结构建立3D模型，以进行有限元电磁场、结构力学仿真分析。ANSYS EM、SolidWorks等软件可以直接建立多层片式器件的3D模型，但器件结构较复杂或全参数化建模时，用人工建模方式将非常困难。以某型LTCF微磁变压器为例，其需要处理的绕组、通孔和介质等图层共计78层，参数化建模需要保证160多个设计变量的正确性，此外，建模完成后，还需要进行图形组合、端口/激励设置、材料库维护等工作。以上这些工作采用手工操作费时费力，如果设计版图有修改，则所有工作需重复进行。借助ANSYS EM软件可以在建立模型后进行版图检查，关键在于如何通过自动建模代替手工操作以提高建模效率。生成 3D 模型后，通过软件的“连通检查”功能可检查绕组的连接通断性，通过软件切换3D模型的不同视角可直观显示各通孔位置，快速发现通孔连接错误、绕组同名端异常等错误。因此，如果能实现快速自动建模，则可以大幅降低工作量，提升设计效率。在ANSYS EM软件中实现自动建模的方法有3种：(1)采用C+/C#等高级编程语言，通过函数调用实现对ANSYS EM软件各组件功能调用；(2)采用ANSYS EM 的 UDM(User Defined Models)或 UDP(User Defined Primitives)功能开发相应的控件；(3)采 用 脚 本 语 言 编 程，ANSYS EM 软 件 集 成 了VBScript、IronPython等脚本语言，可以进行脚本的录制、编写等，从而快速、有效地完成重复任务。综合考虑以上各种自动建模方法的优缺点，确定采用IronPython脚本语言编程是实现自动建模技术的最佳选择1-4。IronPython 是在 NET Framework和mono平台上实现的Python语言，具有Python语言的语法、库函数和NET平台的类和对象，是优雅的 Python 编程语言和强大的 NET 平台的有机结合1-3，ANSYS EM 19.2 内 置 支 持 IronPython V2.7.0.40。自 动 建 模 代 码 的 编 写、调 试 采 用VS2013+PTVS平台，VS(Visual Studio)2013具有强大的智能提示、代码调试等功能，PTVS(Python tools For Visual Studio)可使 VS 支持 Python 程序开发，并可以使得Python开发时运用到VS的一系列优势，提供语法着色、代码智能感知等高级编辑功能。陈森等：LTCC/LTCF多层片式器件自动建模技术 69 3 建模脚本首先采用AutoCAD分图层绘制器件的二维结构，并保存为DWG/DXF格式的版图文件。为了实现自动建模，需要在AutoCAD软件进行版图设计时遵守如下设计规范：(1)器件外形图放置于0层。该图层上的图形指明了LTCF微磁器件的长宽尺寸，也是后续所有图形定位的基准。(2)各图层根据功能依次命名，图层名字由“层功能+层序号”构成。其中，“层功能”指明当前图层上图形的功能，由一个字母构成，其中“t”“v”“d”分别表示绕组层、过孔层、介质层。“层序号”表示当前图形所在层数，由两位数字组成，对于第十层以前的数字前需补零。比如“t06”表明该层绘制的是绕组，位于总层数的第六层，“d17”表明该图层绘制的是介质图形，位于总层数的第十七层。对于连续相同的图形层，比如同时贯穿多个层的通孔，可以采用“层功能+起始图层+_终止图层”的命名方法简化版图设计。比如“v02_07”表明该图层的图形是过孔，且从第二层到第七层的图形相同。ANSYS EM软件支持函数调用导入DWG/DXF版图文件，导入版图后，将形成一系列单个实体图形，这些实体图形均基于所在图层的工程变量构建，通过读取、解析这些工程变量名，并设置这些工程变量的值，即可将实体图形移动到正确的位置，最终形成和实际结构完全一致的3D模型。因此，自动建模的核心算法是各实体图形的识别和解析。图1是自动建模算法的主要流程。首先设置系统运行环境并后台调用 ANSYS EM。在VS2013+PTVS平台中建立新IronPython项目，配置IronPython执行程序、库函数文件所在路径等参数后，引用sys、ScriptEnv等类，并采用sys类的函数path.append加载ANSYS EM软件的主程序文件、库函数文件所在路径，通过Script类的函数EnvInitialize进行ANSYS EM软件的后台调用，该函数会检查当前系统环境是否满足要求，并通过COM调用实例化oDesktop对象，通过调用该对象的方法和字段，即可控制ANSYS EM软件实现添加变量、绘制图形等各种操作。然后定义程序全局变量，并添加到ANSYS EM的工程变量。在插入新设计前，用户需要提供版图文件的路径、文件名等基本信息，并提供一些基本工艺参数用于实现参数化建模，包括印刷金属厚度、介质层厚度、生瓷片厚度、器件高度、版图最大层数，全局缩放比例系数等。脚本根据用户提供的版图文件名生成目标工程名和设计名。采用函数GetProjects和GetName循环检查当前工作窗口中所有工程的名字，通过函数CloseProject关闭和目标工程名相同的工程，避免文件冲突。代码如下：for pjt in oDesktop.GetProjects():if FileName=pjt.GetName():oDesktop.CloseProject(pjt.GetName()然后通过ANSYS EM软件内置函数ImportDXF实现版图导入。在调用该函数时，需要提供待导入图层的清单，未在该清单中的图层将不会导入。该清单内容由一系列的字符串按特定的复杂格式构成，手工输入该清单非常困难，因此，采用如下算法自动生成该清单。首先，根据用户输入版图最大层数信息生成所有图层名称，然后采用函数append形成包含所有图层名字的数组，最后根据图层清单的格式要求，形成 包 含 所 有 图 层 信 息 的 字 符 数 组。在 函 数ImportDXF中调用该字符数组，即可导入版图文件所需图层。导入过程所用时间和版图中图形数量相关，简单版图只需数秒钟，复杂版图需数分钟。如图2所示，ANSYS EM导入版图文件时，会自动将封闭的2D曲线生成厚度为0.1 mm的3D实体图形，默认高度为0 mm，因此所有的图形全都堆叠在一起。因此，版图导入后的处理过程是最关键的步骤。首先需保证器件居中，以方便后续设置端口、配置系统运行环境输入文件路径等基本参数插入新设计导入版图文件调整版图增加激励等 图1 自动建模算法主要流程图磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 70 激励等操作确定位置，其次需识别、解析、处理所有图层上的图形实体，最后还需要单独处理介质图形，保证和实际结构一致。在AutoCAD中设计版图时，一般图形相对于图纸坐标原点的位置是随机的，需要将所有实体中心整体移动到坐标原点以实现器件居中。ANSYS EM软件导入版图后会自动生成4个变量，用于指示图形 的 尺 寸 和 位 置，其 中，变 量 extent_x_pos 和extent_y_pos 代 表 图 形 最 左 下 角 的 坐 标，变 量extent_x_size和extent_y_size代表图形的长宽，通过这4个变量即可判断器件是否居中。在X、Y方向需要移动的距离deltaX和deltaY可由如下代码表示：deltaX=(extent_x_pos+extent_x_size/2)deltaY=(extent_Y_pos+extent_Y_size/2)deltaX和deltaY均为0，则器件已居中，否则需通过函数GetObjectsInGroup(“Solids”)选择所有导入的实体图形，并通过函数 move 沿着 deltaX 和deltaY指定的方向移动选中的所有图形，即可实现整个器件的居中。处理实体图形的前提是识别其所在图层。ANSYS EM软件每导入一个图层会自动生成2个变量，每个变量均以图层名开头，其中“图层名_lower_elevation”和“图层名_thickness”分别代表该图层上的图形在Z轴上的高度和厚度，所有导入的图形都引用所在图层的变量，因此，识别、解析这些图层变量名，并设置变量即可构建出最终的3D模型。图3是自动层次信息处理流程。首先，通过函数GetVariables读入ANSYS EM中所有的工程变量的名字，通过工程变量名的第一个字符识别出各变量所在的图层类型(T：图形层，V：通孔层，J：介质层，0：外形层)，然后通过“_lower_elevation”和“_thickness”关键词区分出高度和厚度变量，并生成代表各变量值的字符串，最后，通过函数SetVariableValue更新到ANSYS EM，则所有实体图形都可以自动调整到实际所在位置。图形层和介质层的所在层数信息已经包含在图层名中，层数信息乘以生瓷片厚度即为该图形在Z轴上的高度。图形层和介质层的厚度由工艺决定，因此，图形层和介质层的厚度变量和工艺厚度值相同。通孔层因为存在穿透多个图层的情况需要单独的算法进行处理。首先需要去掉图层工程变量的开始字符串(“图层名”)和结束字符串(“_thickness”或“_lower_elevation”)，然后判断剩下的字符串中是否包含字符“_”，如果没有字符“_”，则通孔在图 2 ANSYS EM导入版图后形成一系列堆叠的3D图形读取变量名是否图形层名是否高度变量是是是否厚度变量否组合多层变量设置高度变量设置厚度变量是是否通孔层名是否高度变量是去掉头尾字符是否厚度变量否包含“_”?组合多层变量是设置高度变量否去掉头尾字符包含“_”?组合多层变量是设置厚度变量否是否 图3 自动层次信息处理流程陈森等：LTCC/LTCF多层片式器件自动建模技术 71 Z轴上的高度由所在层数信息和生瓷片厚度决定，通孔厚度和生瓷片的厚度相等。否则，通孔在Z轴上的高度由字符“_”前的数字和和生瓷片厚度决定，通孔厚度由字符“_”前后的数值之差和生瓷片厚度决定。代码如下:elevation=(+layer0:2+-1)*H_Ferritethickness=(+layer3:5+-+layer0:2+1)+*H_Ferrite循环以上过程直至所有图层操作完成，通过布尔运算函数Unite将所有独立的实体图形组合起来，然后采用布尔运算函数SeparateBody进行分离，则本来相连的实体会组合形成一个独立的实体。对于LTCF/LTCC电感器等单绕组器件，只会形成一个绕组图形；而对于LTCF微磁变压器、LTCF共模电感器等多绕组器件，则会形成多个绕组图形，通过检查绕组图形个数即可判定版图连通性是否正常。3D结构建模完成后，采用函数AssignWaveport设置端口，利用函数InsertSetup设置求解频率等仿真参数，利用函数CreatReport生成结果报表，利使用函数CreateFieldPlot生成场解，利用函数SaveAs保存工程文件等1，从而实现一键式建模、仿真和结果参数后处理。4 设计实例采用以上脚本进行不同结构片式多层器件的建模，指定版图文件所在路径，并设置必要的工艺参数后，脚本自动调用ANSYS EM读入版图文件，识别、解析、设置各实体图形的参数形成3D模型，并增加激励、设置端口等。图4给出了18层绕组的LTCC电感器和24层绕组的LTCF微磁变压器模型，前者建模过程约2 min，建模后只形成了单个绕组，后者建模用时约5 min，建模后形成了两个绕组。以上建模过程相对于手工操作所需数小时乃至数天相比，设计效率显著提升。脚本构建的是全参数模型，生成的模型通过修改全局缩放变量即可满足版图检查需求。图5为24层绕组微磁变压器全局缩放10倍的局部放大视图，通过ANSYS EM软件的旋转、缩放等功能，调整3D模型的视角和缩放比例，可以直观地进行绕组、通孔位置等检查，避免人工重复操作和易错性，大幅降低版图检查难度。可见，采用基于IronPython的多层片式器件的自动建模技术，可实现全自动化建模、版图检查和全参数化模型等功能，对于提高LTCC/LTCF多层片式器件的设计效率具有积极的意义。参考文献：1罗鲲,赵勇,张弛,等.基于IronPython的YIG调谐滤波器自动建模J.磁性材料及器件,2020,51(3):51-58.2Magnus Lie Hetland挪.司维,曾军崴,谭颖华,译.Python 基础教程(第二版)M.北京:人民邮电出版社,2010.3ANSYS,Inc.HFSS Scripting Guid R.ANSYS,Inc,2020.4ANSYS,Inc.Maxwell Scripting Guide R.ANSYS,Inc,2020.作者简介：陈 森(1982)，男，满族，毕业于东南大学，高级工程师，研究方向为宽带射频微波技术。图4 采用脚本自动生成的LTCF微磁器件3D仿真模型：(a)18层，(b)48层图形和介质层图5 LTCF微磁变压器3D模型局部放大视图