3D-Power-Packaging

Auf dem Weg zu Power Components im Chip-Format

05. Oktober 2020, 10:07 Uhr   |  Von Mathew Dauterive, DC/DC Product Manager bei Recom

Auf dem Weg zu Power Components im Chip-Format
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In Zukunft wohl keine Vision mehr: AC/DC- oder DC/DC-Wandler als Power-Components im klassischen Halbleitergehäuse

Neue Verpackungsmethoden und Schaltungsinnovationen ermöglichen es, DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch in immer Chip-ähnlicheren Gehäusen unterzubringen. Doch wie bekommt man hochkompakte, günstige DC/DC-Wandler hin, die im Hinblick auf Handhabung, Platzierung und Löten eher ICs ähneln?

Trotz ständig steigender Anforderungen an höhere Leistung und eine verbesserte Leistungsdichte müssen DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch kostengünstig bleiben. Aus diesem Grund haben die Hersteller im Laufe der Zeit mit vielen Formfaktoren experimentiert, die eine kostengünstigere Fertigung ermöglichen sollten. Häufig wurden dabei Lösungsansätze mit SMT-Leiterplatten gewählt, die dann mit gewickelten Komponenten wie Transformatoren und Induktivitäten von Hand separat bestückt wurden. Um den Footprint zu minimieren, werden häufig SIP-Versionen verwendet. Sie können jedoch die Montage erschweren, da die verwendeten THT-Komponenten in einem zweiten Schritt wellen- oder sogar handgelötet werden müssen.

Obwohl jedes Jahr Millionen dieser THT-DC/DC-Wandler verkauft werden, hat sich Recom das langfristige Ziel gesetzt, alternative Versionen zu entwickeln, die sich wie alle anderen modernen SMT-Komponenten platzieren und verlöten lassen. Entsprechend niedrig sollte auch die Bauhöhe sein, passend zu den heutigen flachen SMT-Produkten. Ziel ist es, den Footprint so klein wie möglich zu halten, um die Vorteile eines Konverter-Moduls gegenüber einem diskreten Design zu realisieren. Ermöglicht wird dies durch 3D-Power-Packaging, wobei die DC/DC-Wandler-Module auch die Z-Achse in der Montagetechnik nutzen.

Die Entwicklung von SMT DC/DC-Modulen

Bei den ersten auf dem Markt erhältlichen SMT-DC/DCs handelte es sich lediglich um Versionen von THT-Typen, bei denen die Pins in Gull Wing gebogen waren. Diese konnten aber einem normalen Reflow-Lötprofil nicht standhalten, sodass häufig noch ein Handmontage-Prozess erforderlich war. Ein Fortschritt bestand dann darin, auf eine Technik umzusteigen, bei der ein Leadframe mit Lötstellen mit hohem Schmelzpunkt verwendet wurde. Er wurde dann mit einem hitzebeständigen Material spritzgegossen, um den IR-Reflow-Temperaturen standzuhalten.

Das war der Stand der Technik bis zum Umstieg auf bleifreies Löten, der die Spitzen-Lötofen-Temperaturen auf über 260 °C steigerte, was zu Schwierigkeiten bei der Zuverlässigkeit der inneren Lötverbindungen führte. Diese Leadframe-Konstruktion in Kombination mit dem Spritzgussverfahren ermöglicht es aber nur wenige diskrete Komponenten in die Schaltungen miteinzubeziehen. Wobei sich die Integration eines IC schwierig gestaltete.

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Flip-Chip on Leadframe-Konstruktion bei den RPX-Serien von Recom

Aus diesem Grund bevorzugen Hersteller seitdem Open-Frame Converter, um die Lötprobleme beim Reflow zu vermeiden. Dabei akzeptieren sie, dass die Lötstellen an den internen Komponenten wieder flüssig werden, dennoch auf ihrer Position bleiben. SMT-Stiftabschlüsse variieren von Gull Wings über Blöcke und Säulen bis hin zu Lötkugeln und neueren Landgitter-Array-Lötpads. Dies wurde als DOSA-Format für SMT-Wandler mit mehrschichtigen internen Platinen und planaren Induktoren standardisiert, auch mit der Erwartung, dass ein Luftstrom für die volle Ausgangsleistung verfügbar ist. Die Module haben einen klaren Vorteil gegenüber diskreten Lösungen, die nicht einfach auf den gleichen Footprint passen, ohne dass die Komponenten sich gegenseitig überhitzen. Sie benötigen weder einen komplexen Platinenaufbau der Applikation noch Embedded Plugged Vias, welche die Kosten der Konstruktion in die Höhe treiben würden.

Isolierte und nicht isolierte Verpackungstechnologien

In den letzten Jahren hat der Einsatz nicht isolierter DC/DC-Wandler zugenommen. Sie ersetzen häufig die herkömmlichen Längsregler mit drei Pins (TO-220). Heute werden sie auch oft als Point-of-Load-Regler mit höherer Eingangsspannung verwendet und bieten eine präzisere Niederspannungsversorgung für hochintegrierte ICs wie CPUs, GPUs und SoC-Geräte. Um einen Vorteil gegenüber diskreten Lösungen zu erzielen, sollte ein vorgefertigtes DC/DC-Modul den absoluten Mindestplatzbedarf und die Mindesthöhe einnehmen und trotzdem kühl laufen, während die strengen Transienten und Geräuschanforderungen moderner ICs weiterhin erfüllt werden.

Zur Erreichung dieser geringen Größe ist ein hoher Wirkungsgrad erforderlich, was normalerweise eine niedrige Schaltfrequenz und folglich eine relativ große Ausgangsinduktivität bedeutet – also genau das Gegenteil von dem, was benötigt wird. Verbesserte Halbleiter, Wandler-Topologien und magnetische Materialien haben es jedoch ermöglicht, dass es Frequenzen in den MHz-Bereich schaffen, ohne dass der Wirkungsgrad durch den kleineren Induktor wesentlich abnimmt.

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Visualisierung des 3D-Aufbaus der RPM-Serien von Recom

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1. Auf dem Weg zu Power Components im Chip-Format
2. Ein umfangreiches Sortiment

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