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電源封裝趨勢:元件整合的進展

上網時間: 2015年01月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:3D封裝  功率密度  磁性元件  熱管理  PCB 

作者:Patrick Le Fevre,Ericsson行銷與通訊總監

隨著用戶不斷要求提高每塊板卡的功率,並在電路板(PCB)上建置較以往更多的晶片,其結果是高階伺服器設計中日益增加的處理密度將對持續對未來的電源系統產生影響。ICT資料伺服器中每塊板卡的功率要求已經從1980年代早期的300W增加到今天的1kW以上,預計到2020年時每塊板卡將會需要達到3-5kW功率。然而,目前的DC/DC電源轉換器解決方案和技術還不足以達到這些功率級。

目前1kW DC/DC轉換器採用四分之一磚型封裝已經成為現實,其功率密度指標在幾年前是無法想像的。而在不久的將來可以採用更先進的封裝和更高整合度的元件實現八分之一磚型的1kW轉換器嗎?

本文從元件整合度、熱管理以及較目前最先進技術更高1倍的DC/DC電源轉換器密度等方面探討電源產業的發展趨勢。

3D封裝

目前DC/DC電源轉換器採用的磚型封裝仍由平面2D的PCB結構所主導,但要求更小封裝、更低高度元件和更小寄生阻抗的客戶應用正推動技術朝向高密度3D封裝發展。

在這些大功率磚型封裝中,3D封裝技術的使用是受限制的,但在嵌入主動和被動元件方面則很有發展前景,PCB供應商也視其為向價值鏈上游轉移的重要機會,其中包括晶片堆疊、封裝堆疊以及透過覆蓋成型(over-molding)實現元件嵌入。在這個領域中很重要的一點就是整合磁性材料,終極解決方案是在半導體晶圓上整合磁性元件

在3D封裝中,最常見的技術是在PCB中嵌入(主動和被動)元件。在PCB結構中嵌入元件有助於電源設計師明顯減少外形尺寸,以及增強冷卻能力,例如將驅動器放在靠近開關元件的位置。這種方法透過小型化和精確控制高頻開關電路設計中的互連寄生阻抗,從而促進性能和效率的提升。今後更多元件的3D組裝將進一步縮減所要求的外形尺寸,同時也縮減磁性元件的尺寸。

嵌入式元件可為電源設計師帶來明顯的優勢。然而,來自晶片產業的支援至關重要,符合標準化要求和認證測試的主動和被動元件供應鏈也不可或缺。在合適的基礎設備條件下,嵌入式技術將成為大功率應用提高功率密度的重要因素。由歐盟(EU)贊助的Hermes計劃已經成功展示大量電源轉換器的尺寸可以減少40%。磁隔離加上嵌入式技術可望帶來增強型隔離功能。透過整合控制的回饋路徑也可能變成磁性路徑,因而可望實現晶片級隔離型DC/DC電源轉換器解決方案。

元件

大功率DC/DC轉換器的開關頻率通常已經針對500kHz左右或以下的工作頻率進行了最佳化。為了達到所需的縮減尺寸與提高功率密度條件,必須將開關頻率提高至2MHz及以上,才能大幅減少磁體實體體積。最近剛剛商用的寬能隙(WBG)半導體元件可以在超過5MHz的較高頻率點順利運作了,如氮化鎵(GaN)和砷化鎵(GaAs)開關場效應電晶體(FET),已經成為實現更高開關頻率的重要推手了。新的DC/DC轉換器拓撲甚至會將開關頻率提升到10MHz範圍。這將進一步推動對採用更小寄生元件的封裝要求,而這一點可以利用3D整合技術實現。

PCB中嵌入式元件的商用化有助於減少寄生阻抗,從而有效利用更高頻率的WBG元件優勢,並有助於顯著改善大功率DC/DC轉換器的外形尺寸和效率。然而,更高開關速度有賴於低損耗高頻磁性材料的創新,從而推動商用大功率變壓器和電感解決方案實現量產上市。

有多種可行的技術路徑均可實現更高頻率的整合性磁元件,包括先進的磁芯設計和磁芯材料,以及空氣磁芯設計,都能顯著提高效率和功率密度。磁元件微型化的可行方式也有多種選擇,包括不依賴於磁芯材料特性的空氣磁芯設計,都能提供生產方法方面的靈活性,以及使用不同3D整合技術的可能性,如在多層PCB中嵌入式繞組以及帶整合式主動銅層的多層鐵氧體基板(圖1)。

圖1:在多層PCB中嵌入繞組以及整合主動銅層的多層鐵氧體基板。
圖1:在多層PCB中嵌入繞組以及整合主動銅層的多層鐵氧體基板。

目前這些新技術僅限於較低功率的轉換器,但透過改善磁性材料製程可進一步改進磁芯材料,並擴展至具有較大輸出電流的產品。未來,在半導體晶圓中嵌入磁體實現3D整合的最終目標以及完整的單片系統整合都可能實現。

熱管理

元件和封裝技術的不斷發展使得額定功率越來越高,以至於現在每立方釐米瓦數的功率密度比15年前用的舊技術更高出了一個數量級。市場上最新的磚型電源,如易利信的高功率密度864W四分之一磚型電源模組,可提供37W/cm3(600 W/in3),這對高效的內部熱管理提出了很高的要求。

圖2:易利信的高功率密度864W四分之一磚型電源模組。
圖2:易利信的高功率密度864W四分之一磚型電源模組。

因為半導體元件等電子元件對高溫十分敏感,所以確保高功率密度磚型電源模組中的元件能被適度冷卻並以合理的溫度工作至關重要。除非熱量傳導機制特別高效,否則電源系統設計和可靠性會可能受到損害。

可用於冷卻電子設備的主要冷卻機制是傳導和對流。每個關鍵元件的元件功耗(Pd,comp)和元件結點到外殼熱阻(Rth, J-C)變得更重要,因為它們決定了實際的結溫,而實際結溫將限制DC/DC轉換器的熱性能,即在最大輸出功率條件時允許的最大外殼溫度。

元件結點(或核心)和外殼之間的溫差可以用以下的公式計算:


因此,旨在倍增功率密度(75 W/cm3 或1200 W/in3) 的先進冷卻技術以及用於改善新興3D封裝元件熱性能的技術至關重要,無論是任何改善的元件技術,它們最終將決定更高功率密度的可行性。

許多標準元件不適合高密度或3D設計,因此它們沒有足夠的熱性能。在從DC/DC轉換器元件提供極高功率時將會面臨其它的熱設計挑戰,包括大電流分配、連接器技術、在45層板上組裝,以及即使採用現有的空氣對流等顯著增強的傳統冷卻技術也仍顯不足。

覆蓋成型很可能繼續成為用於提高熱性能的技術,但也很明顯地,用於包括磁元件和電容器在內的所有功率元件的熱增強型封裝將是大勢所趨,這種封裝可讓至少兩個相對的表面進行冷卻,同時使用改進的熱材料、製程和冷卻技術。圖3是採用這種3D封裝的例子。

圖3:採用覆蓋成型的3D封裝案例。
圖3:採用覆蓋成型的3D封裝案例。

功率元件必須安裝在臨時載體上,周圍並以電鑄方式安裝散熱器,而不再以晶片黏著或熱連接材料安裝在PCB上。各種尺寸和厚度的元件可以整合在被稱為整合式熱陣列板(ITAP)的相同電路板上。當移除載體時,元件的底面和頂面是共平面的,便於明確的和最佳化其熱連接。與採用環氧樹脂或焊線連接的傳統封裝元件相較,這種方法可以實現50%的熱阻改善,對固定結溫來說則是功耗可以高50%。

在結合使用液體冷卻技術的堆疊晶片解決方案中,矽穿孔(TSV)也是一種潛在的解決方案。這裡的實驗結果顯示熱性能可以提高50%。而使用直接綁定銅(DBC)技術的元件燒結取代了焊接和導熱膏,則是另一種可以顯著提高熱性能的技術。

其它潛在的冷卻技術包括針對某些大功率元件的液體傳導冷卻,以及針對中小功耗元件的強制空氣對流冷卻。使用被動液體冷卻技術(如熱管道)解決局部熱點的方法可能變得更加普及。熱擴散加上對流空氣冷卻可以延長元件壽命,因為透過改善的晶片連接技術可以減少元件封裝中的熱阻,但對於高功率密度的DC/DC轉換器中要求最嚴格的大功耗元件來說,可能需要主動液體冷卻技術(如泵和雙相沸騰)。

1kW的八分之一磚型電源模組

未來將在更大規模上推動3D封裝和IC類型的晶片級開發,包括整合功率磁元件,它們會將功率電平提升到遠遠超過目前非隔離型降壓轉換器可達到的程度。平面磁性元件的使用已經非常普及了,電源轉換器元件很可能通過覆蓋成型途徑來提高熱性能。

然而,倍增功率密度所需的3D封裝和其它嵌入式技術開發不能光靠DC/DC電源轉換器產業的推動。還必須有大量的汽車和馬達驅動業界廠商的大量投資,以及得到功率元件產業的支援,才能提供合適的元件、標準化的規格和認證測試。

提高伺服器設計中的處理密度將繼續影響未來的DC/DC轉換器功率密度。ICT資料伺服器中每塊板的功率需求近年持續大幅提高,在不久的將來預期每塊板卡將必須達到3kW至5kW的水準。此外,要求設備佔用更少的佔位空間,這也意味著更高的整體功率密度。

3D封裝和其它嵌入式技術的開發將明顯提高功率密度和熱管理性能。主要挑戰在於開發低損耗、超高頻(>5MHz)的磁設計與磁芯材料。如今,實驗結果和大規模的量產都顯示,採用熱管理解決方案實現雙倍的功率密度是可行的,可將元件核心溫度保持在規定範圍內,實現可靠的作業,並有助於在不久的將來實現1kW的八分之一磚型電源模組。





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