Fortschritte beim 3D Power Packaging (3DPP®)

Was ist Dreidimensionales Power Packaging (3DPP^®)?

Die Maximierung der Systemleistung in praktisch jedem Markt- oder Anwendungsbereich in der Welt der Elektronik hängt in hohem Maße vom Stromversorgungs-Subsystem ab, das alle Stromversorgungen, Stromumwandlungsgeräte, Filter, Schutzvorrichtungen und Verbindungen (Stecker, Drähte, Kabel, Leiterbahnen oder anderes) umfasst. Daher liegt der Schwerpunkt und die Charakterisierung auf den Größen-, Gewichts- und Leistungsmetriken (auch bekannt als SWaP-Faktoren, SWaP-C in Kombination mit Kostenmetriken) [1].

Eines der besten Werkzeuge im Werkzeugkasten des ständigen Strebens nach der Optimierung von SWaP-C sind fortschrittliche Packaging-Techniken, insbesondere im Bereich des Dreidimensionalen Power Packaging (3DPP). 3DPP ist ein neues Angebot an hochmodernen Montageverfahren, die eine maximale Leistungsdichte bei minimalem Footprint ermöglichen. Bei Surface-Mount DC/DC-Wandlern ermöglicht 3DPP Lösungen, die erstklassige Leistung mit maximaler Leistungsdichte und minimalem Footprint kombinieren. Das Ergebnis sind Stromversorgungsprodukte, die deutlich kleiner als andere Wandlermodule und dennoch hocheffizient sind, ohne dass sie einen kostspieligen Footprint benötigen. [2].

Die 3DPP^R-Technologie macht eine Printed Circuit Board (PCB) überflüssig, da die internen Komponenten direkt auf einem Leadframe montiert werden, wodurch der Platzbedarf der Umwandlungskomponenten innerhalb des Moduls reduziert wird. So ist beispielsweise einer der neu verfügbaren 3DPP^R-Schaltregler - RPX-1.0 - nur 3mm x 5mm x 1,6mm groß und damit fast so klein wie ein integrierter Schaltkreis (IC).

Diese Verkleinerung ermöglicht Ingenieuren und Designern schlankere PCB-Profile mit integrierter Leistungsumwandlung, ohne dass ein kostspieliges, kundenspezifisches Wandlerdesign erforderlich ist. Die mit der 3DPP^R-Technologie ausgestatteten Geräte sind in verschiedenen Gehäusetypen erhältlich, darunter LGA (Land Grid Array), Gull Wing, QFN (Quad Flat No Leads), Blocks-and-Pillars und Lötkugeln, was bei platzbeschränkten Anwendungen einen großen Unterschied ausmachen kann.

RECOM bietet einen ausgezeichneten Überblick über die Vorteile und neuesten Angebote in diesem Bereich [3]. Die Abbildung unten ist ein Beispiel für die Evaluierungslösungen, die zur Vereinfachung von Prüfstandstests und zur Beschleunigung der Markteinführung von Produkten angeboten werden.

Ermöglichung der Miniaturisierung von DC/DC-Wandlern

Um besser zu verstehen, wie 3DPP und andere fortschrittliche Verpackungstechniken die kontinuierliche Miniaturisierung von DC/DC-Wandlern vorantreiben, ist es ratsam, sich mit den verschiedenen Packaging-Praktiken und den Fortschritten in der Komponententechnologie etwas näher zu beschäftigen.

Die Kombination von zuvor getrennten Komponenten in einer einzigen Baugruppe ist kein neues Konzept, aber die Methoden haben sich in den letzten Jahrzehnten stark weiterentwickelt. Bei Stromversorgungslösungen bezog sich ein integriertes Modul in der Regel auf eine klassische, diskrete Implementierung mit dicht gepackten Komponenten auf einem dünnen Stück FR-4 (auch bekannt als PCB), das dann mit einer Art Kunststoff- oder Metallkappe abgedeckt wurde. Die Abdeckungen dienten hauptsächlich der Ästhetik, um den Eindruck zu erwecken, es handele sich um eine einzelne, IC-ähnliche Baugruppe, obwohl die Metallkappe auch einen praktischen Zweck erfüllen konnte, nämlich elektromagnetische Interferenzen (EMI) und/oder thermische Abschirmung.

Dann kam ein Vorstoß zur tatsächlichen Prozessintegration all dieser disaggregierten Komponenten in das, was heute als „heterogene Integration“ bekannt ist. Eine Definition der heterogenen Integration aus der Heterogeneous Integration Roadmap (HIR) des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Electronics Packaging Society (EPS) lautet:

„Heterogene Integration bezieht sich auf die Integration separat hergestellter Komponenten in eine übergeordnete Baugruppe, die in ihrer Gesamtheit eine erweiterte Funktionalität und verbesserte Betriebseigenschaften bietet.” [4]

HIR war das Ergebnis zahlreicher Interessengruppen, Branchenführer und der Ergebnisse von Workshops und Konferenzen, die den Stand der Technik (state-of-the-art, SOTA) in diesem Bereich beschrieben. Ein umfassender Überblick über diese Bemühungen würde zwar den Rahmen dieses Blogartikels sprengen, aber eine Handvoll wichtiger Faktoren, die speziell für Wandler/Lösungen relevant sind, soll hier erwähnt werden. Erinnern Sie sich an die zu Beginn dieser Diskussion erwähnten Bestrebungen zur Optimierung der SWaP-Faktoren. Während der Wunsch nach einer Verringerung von Größe und Gewicht greifbarer sein mag, sind das Streben nach einer höheren Leistungsdichte und die Strategien zur Erreichung dieses Ziels weniger offensichtlich.

Bei den meisten Schaltnetzteiltopologien (d.h. solchen, die sorgfältig gesteuerte Schalter verwenden, um die Stromumwandlung von einer Spannung in eine andere zu modulieren) hängt die Größe der Leistungskennzahl (figure of merit, FOM) mit der Schaltfrequenz der Stromversorgung zusammen. Um eine Reihe von Gleichungen zu vermeiden, die die mathematischen Beziehungen zwischen dem Design des Wandlers bzw. der Berechnung der Komponenten und der Schaltfrequenz darstellen, wozu eine einfache Google-Suche eine Fülle von Informationen liefert, sollten Sie hier einige Faustregeln beachten. Die Schaltfrequenz ist umgekehrt proportional zur Größe der Energiespeicher- und Filterkomponenten (d.h. Transformatoren, Induktivitäten, Ringkernspulen, Drosseln, Bulk-/Elektrolytkappen, Sicherheitskappen usw.), die oft die Gesamtgröße/das Gewicht des Netzteils dominieren (und sogar einen Hauptanteil an der Größe/dem Gewicht des gesamten Systems haben).

Parasitäre Effekte der Induktivität durch längere Verbindungsleitungen und schnelle Stromübergänge [v(t)=L*di/dt], die durch höhere Schaltfrequenzen induziert werden, können katastrophale Spannungsspitzen (auch bekannt als Transienten) für das Steuerungssystem und/oder die Stromversorgungsanlage eines Konverters verursachen. Parasitäre Kapazitätseffekte aufgrund der natürlichen Trennung von Leitern in einem System und schnelle Spannungsübergänge [i(t)=C*dV/dt], die durch höhere Schaltfrequenzen induziert werden, können katastrophale Energiespeicher und zirkulierende Ströme verursachen, die in vielerlei Hinsicht unangenehm auffallen können.

Die zunehmende Verwendung von Leistungshalbleitern mit wide bandgap (WBG) (z.B. Galliumnitrid oder GaN, Siliziumkarbid oder SiC usw.) in der Leistungselektronik bietet das Beste und das Schlechteste aus beiden Welten. WBG-Bauteile können die Schaltfrequenz deutlich erhöhen und gleichzeitig die thermischen FOMs verbessern (was die Zuverlässigkeit und die Leistungsdichte erhöht), haben aber auch eine steile Lernkurve, die die verbesserten Leistungsdichte-FOMs ergänzt. Auch wenn es den Rahmen dieses Blogs sprengen würde, sei darauf hingewiesen, dass schon allein die Gate-Treiberschaltungen für WBG-Bauteile aufgrund der höheren Schaltgeschwindigkeiten und Transienten, die von den Designregeln für herkömmliche Silizium-Leistungshalbleiter abweichen, weitaus komplexer sein können [5].

Einen hervorragenden Überblick und Verweis auf solche Herausforderungen finden Sie in unserem Whitepaper "DC/DC-Wandler für GaN-Gate-Treiber". Obwohl dies sicherlich ein tiefergehendes Thema für eine spätere Diskussion ist, sollte darauf hingewiesen werden, dass Fortschritte bei Hochfrequenz-Magnetwerkstoffen ein entscheidender Faktor für WBG-basierte Lösungen sind und in den letzten zehn Jahren aufgrund einer Forschungslücke in diesem Bereich besondere Aufmerksamkeit erhalten haben.

Jetzt, da wir die Notwendigkeit einer Verringerung der Gehäusegröße, der Package-bedingten Parasiten und der Unterstützung der SOTA in Halbleitern besser verstehen, kann sich der Fokus auf andere Komponenten verlagern, die für die heterogene Integration in 3DPP^R-Produkte von Nutzen sein können und diese ermöglichen. Eine Verkleinerung der gesamten Stromversorgungslösung bedeutet auch eine Verkleinerung der anderen aktiven (d.h. ICs, Schalter) und passiven Bauelemente (d.h. Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Dioden) und eine Annäherung an diese, indem sie in eine heterogene Anordnung eingebettet werden.

Irgendwann werden sogar die internen Gehäuseverbindungen (d.h. Pins, Bumps, Pads usw.) untragbar und führen zu unerwünschten Parasiten. Es gibt zahlreiche Technologien, die die Einbettung von passiven und aktiven Bauteilen ermöglichen. Ohne hier in die Tiefe gehen zu wollen, sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung von planaren Magneten eine enorme Erleichterung darstellt. Dies bezieht sich auf den Übergang von einem traditionellen Magneten, bei dem die Verdrahtung physisch um einen sperrigen Magnetkern gewickelt ist, zur Verwendung von Leiterbahnen, die um das magnetische Kernmaterial herumgeführt werden, um eine viel sauberere, eng kontrollierte und dennoch wiederholbare und robuste magnetische Komponente zu erhalten. [6]

Wie bei jeder größeren technologischen Entwicklung müssen auch hier zahlreiche Herausforderungen gemeistert werden. Die Kombination vieler, traditionell getrennter Fertigungsprozesse erfordert eine anpassungsfähige Lieferkette und Lernkurve. Unterbaugruppen können zusätzliche Prozessschritte und damit Reisen zu verschiedenen Standorten erfordern und/oder die Verarbeitung kann zu konsolidierten Vorgängen zusammengefasst werden, bei denen die Kannibalisierung von Prozessen Lernkurven und damit verbundene Bedienerschulungen für die neueren Aspekte nach sich ziehen kann.

Wie bei jeder Prozessverlagerung in der Fertigung gibt es auch hier Änderungen, die sich sowohl nach oben als auch nach unten in der Kette auswirken. Dazu gehören die Verarbeitung von Komponenten/Verbrauchsmaterialien, neue Investitionsgüter, strengere Umweltkontrollen, eine verbesserte Überwachung des Qualitätsmanagementsystems (QMS), Funktionstests, Inspektion/Nacharbeit, Handhabung/Entsorgung von Gefahrstoffen usw.

Wie ein altes Sprichwort besagt: „Nichts ist umsonst“.

FOMs zur Verbesserung der Wärme- und Leistungsdichte

Die Zuverlässigkeit und damit die Lebensdauer von elektronischen Geräten hängt von der Fähigkeit des Systems ab, die lokalen Umgebungs- und Komponententemperaturen zu regulieren. Auch wenn die Temperatur sicherlich nicht der einzige Faktor ist, der die Qualitätskennzahlen bestimmt (d.h. minimale/maximale/geringere Betriebstemperatur, mittlere Ausfallzeit (MTBF), mittlere Zeit bis zum Ausfall (MTTF), Ausfallrate (FIT) usw.), ist es immer eine gute Strategie, die Elektronik "thermisch bei Laune zu halten", um eine robuste Produktlebensdauer zu gewährleisten, die den vorgesehenen Betriebsparametern und der Lebensdauer entspricht.

3DPP^R kann einige thermische Herausforderungen mit sich bringen, da die Geräte enger aneinander gepresst werden. Dies kann in Form von Strahlungswärme von benachbarten Geräten geschehen, die sich auf ihre Nachbarn auswirkt. Die Fähigkeit, diese Wärme abzufangen, kann jedoch reduziert werden, indem einfach der leere Raum in einer ansonsten größeren Baugruppe entfernt wird. Schließlich ist Luft ein ausgezeichneter Isolator (sowohl thermisch als auch elektrisch). Eine große thermische Herausforderung in jedem System, das heterogene Materialien kombiniert, kann der Versuch sein, unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (coefficient of thermal expansion, CTE) auszugleichen [7]. Diese Herausforderung ist besonders ausgeprägt bei den oben beschriebenen heterogenen integrierten Baugruppen, die die größten Herausforderungen aller zuvor getrennten Prozesse darstellen, da sie Metalle, Keramik, Glasfaser, verschiedene Tinten, Klebstoffe und andere Materialien in einem großen Sandwich vereinen. Als ob das nicht schon herausfordernd genug wäre, wird dieser Blog es nicht einmal wagen, die Auswirkungen dieser Faktoren auf flexible hybride elektronische (flexible hybrid electronic, FHE) Baugruppen anzusprechen!

Umgekehrt bietet 3DPP^R auch (und im Allgemeinen mehr) Möglichkeiten, die Wärme von der Quelle weg und dorthin zu leiten, wo sie schneller und effizienter gemindert werden kann. Die Möglichkeit, externe Stifte zu vermeiden und SMD-Stromversorgungsmodule (surface mount device, SMD) direkt auf der Leiterplatte zu befestigen, ist ein Gewinn für die Thermik und die Qualität (z.B. weniger Probleme mit manuell eingesteckten Pins, Lötstellen usw.). Wie die Abbildung unten zeigt, wird eine hohe Leistungsdichte mit einer mehrlagigen, internen PCB erreicht, bei der gesteckte und blinde Durchkontaktierungen für eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine effiziente Nutzung des verfügbaren Platzes genutzt werden.

Wenn die Wärme effizienter aus dem Gehäuse abgeleitet wird, kann sie auch auf größere thermische Massen verteilt werden (d.h. auf die Stromversorgungsebenen des Systems, größere Kupferschichten, benachbarte Baugruppen). Auf der Außenseite des Gehäuses kann die thermische Abschwächung auf Systemebene (d.h. Kühlkörper, Konvektions- oder Zwangsluftkühlung, wassergekühlte Grundplatten, thermische Schnittstellenmaterialien oder TIMs usw.) ebenfalls effektiver genutzt werden.

Der Wert von 3DPP^R bei kritischen Anwendungen

Es ist schwierig, alle Vorteile und Verbesserungen, die 3DPP^R für eine Produktlinie bringen kann, in einem kurzen Blog zu erfassen. Auch wenn hier schon viele genannt wurden, gibt es doch einige Faktoren, die den Ausschlag für kritische Faktoren geben.

Es gibt kaum einen Akteur in der Welt der Elektronik, der nicht schon einmal von Problemen in der Lieferkette betroffen war, sei es bei der Versorgungssicherheit, der Beschaffung von Rohstoffen, Fälschungen, Zöllen, der Versandlogistik oder anderem. Wie uns die jüngste COVID-Pandemie gezeigt hat, sind sich auch die Endverbraucher inzwischen stärker bewusst, wie sich all diese scheinbar so weit entfernten Probleme über die Kosten des Autos, das sie kaufen, oder die Lebensmittel in den Regalen des Lebensmittelgeschäfts auf die Inflation auswirken können.

Bei unternehmenskritischen Anwendungen kann die durch den Einsatz von 3DPP^R-Technologien organisch bedingte Prozesskonsolidierung dazu beitragen, viele der oben genannten Risiken und Kopfschmerzen zu mindern, denn hier gibt es viel weniger Spielraum für Fehler. Die Einbeziehung von mehr Prozessen in einen einzigen Fertigungsvorgang zwingt nicht nur Gruppen wie Beschaffung, Enterprise Ressource Planning (ERP) und Qualität/Komponententechnik dazu, ihre Bleistifte zu spitzen, sondern zwingt auch zu mehr Zusammenarbeit und zum Denken über den ersten Auftrag hinaus, um den gemeinsamen Erfolg zu gewährleisten. Diese Punkte können in Katastrophensituationen (z.B. höhere Gewalt, politische Unruhen usw.) zum Tragen kommen, wenn der Business Continuity Plan (BCP) in Gang gesetzt werden muss, um den Betrieb so schnell wie möglich zwischen verschiedenen Fabriken (vielleicht sogar Ländern) zu verlagern.

Die Konsolidierung der Prozesse und des Lieferkettenmanagements führt auch zu einer Reduzierung der Gemeinkosten und der Logistikkosten. Die strengere Kontrolle und Automatisierung bei der Montage und Herstellung von Komponenten (insbesondere von Magneten) führt zu einer verbesserten Produktzuverlässigkeit und GLEICHZEITIG zu Skaleneffekten. Dies ist ein hervorragendes Rezept für die Optimierung der Wertschöpfung und die Senkung der Kosten im Jahresvergleich (YoY).

Medizinische Geräte (und ähnliche Anwendungsfälle mit hohen Isolations-/Sicherheitsanforderungen) sind ein Beispiel für eine kritische Anwendung, bei der 3DPP^R einen großen Mehrwert bieten kann. Eine sicherheitszertifizierte Isolierung in medizinischer Qualität ist in unterschiedlichem Maße erforderlich, klassifiziert nach dem Grad des Bedienerschutzes (means of operator protection, MOOP) und dem Grad des Patientenschutzes (means of patient protection, MOPP) [8].

Ein Beispiel für einen DC/DC-Wandler, der ein hohes Maß an medizinischer Isolierung erreicht und alle hier beschriebenen 3DPP^R-Vorteile kombiniert, ist der kürzlich veröffentlichte R05CT05S von RECOM. Dabei handelt es sich um ein kostengünstiges 0,5-W-Bauteil mit 5V Nenneingang und wählbaren Ausgängen von 3,3 V oder 5 V, alternativ 3,7V oder 5,4V, um Kopfspannungen für Low-Drop-Out-Regler (LDOs) bereitzustellen. Der Wandler befindet sich in einem kompakten 10,3mm x 7,7mm SMD-Gehäuse mit einer Höhe von nur 2,65mm für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot.

Die wichtigste Spezifikation des Produkts für medizinische Anwendungen ist seine 2 MOPP / 250VAC Dauerleistung gemäß IEC/EN 60601-1 mit 5kVAC Prüfspannung. Außerdem hat es eine Koppelkapazität von nur 3,5pF, was einen vernachlässigbaren Ableitstrom bei 250VAC / 50Hz-Anwendungen bedeutet. In nicht-medizinischen Anwendungen sind die Werte sogar noch beeindruckender - verstärkte Isolierung bei 800VAC Arbeitsspannung gemäß EN 62368-1. Die Betriebstemperatur beträgt bis zu 140°C mit Derating und das Bauteil verfügt über Enable-, Sync- und Trim-Funktionen sowie eine Unterspannungsabschaltung. [9]

Diese Vorteile können auch auf nicht-kritische Systeme ausgedehnt werden, die dennoch eine Isolierung mit geringem Stromverbrauch benötigen, wie z.B. externe Kommunikationsanschlüsse, wie z.B. ein Controller Area Network (CAN-Bus), Universal Serial Bus (USB) oder Power over Ethernet (PoE), die in der Automobil-, Computer- und Verbraucherindustrie allgegenwärtig sind.

Fazit

Das Packaging ist vielleicht nicht immer das erste, was einem in den Sinn kommt, wenn man über die Zukunft der Elektronik-Roadmaps nachdenkt, aber wie dieser Blog gezeigt hat, gibt es zahlreiche und bedeutende Leistungs- und Qualitätsfaktoren, die direkt mit dem Packaging zusammenhängen.

3DPP^R und die heterogene Integration führen zu evolutionären Verbesserungen beim Packaging und sind daher fast die wichtigsten Prioritäten, wenn es um die Optimierung von SWaP-C auf der Ebene der Stromversorgungslösung und des Gesamtsystems geht.

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Referenzen

[1] “Power Supply Design for maximum Performance,” RECOM Blog, Oct 21, 2022, https://recom-power.com/rec-n-power-supply-design-for-maximum-performance-229.html (abgerufen January 23, 2023).

[2] “Introducing RECOM 3D Power Packaging® (3DPP),” RECOM Blog, Feb 26, 2021, https://recom-power.com/rec-n-introducing-recom-3d-power-packaging-(3dpp)-145.html (abgerufen January 23, 2023).

[3] 3D Power Packaging® for Low Power DC/DC converters, https://recom-power.com/3dpp.html (abgerufen January 23, 2023).

[4] “Heterogeneous Integration Roadmap,” IEEE Electronics Packaging Society, updated 8 Feb 2017, https://eps.ieee.org/technology/heterogeneous-integration-roadmap.html (abgerufen January 23, 2023).

[5]“DC/DC for GaN,” RECOM Blog, Sep 16, 2022, https://recom-power.com/rec-n-dc!sdc-for-gan-225.html (abgerufen January 23, 2023).

[6] PSMA Packaging Committee, “3D Power Packaging With Focus on Embedded Passive Component and Substrate Technologies,” PSMA 3D Power Packaging Phase III, Power Sources Manufacturers Association (PSMA), February 2018.

[7] Wikipedia contributors, "Coefficient of thermal expansion," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_expansion#Coefficient_of_thermal_expansion (abgerufen January 23, 2023).

[8] Wikipedia contributors, "Means Of Protection (MOP)," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_safety_testing#Means_of_Patient_Protection_(MOPP) (abgerufen January 23, 2023).

[9] “Advanced power packaging enables medical isolation in DC/DC converters,” RECOM Blog, Mar 12, 2021, https://recom-power.com/rec-n-advanced-power-packaging-enables-medical-isolation-in-dc!sdc-converters-144.html (abgerufen January 23, 2023).