DC/DC-Wandler in Automobilanwendungen

Man sagt, dass das moderne Auto ein mobiles Rechenzentrum ist. Bei Elektroautos kommen noch die Handhabung der elektrischen Energie im industriellen Maßstab, das Aufladen der Batterien und die Motorantriebe hinzu, die jetzt in Bruchteilen von Megawatt bemessen sind. In einem modernen Auto arbeiten mehr als 100 Mikroprozessoren und Controller im Hintergrund, die alles von der drahtlosen Konnektivität über die Sitzheizung bis hin zur Implementierung komplexer Algorithmen für die dreiphasige Steuerung der Fahrmotoren steuern, um die beste Effizienz und Reichweite zu erzielen.

All diese Elektronik benötigt ihre eigenen Stromschienen, die sie mit der Batterie verbinden, sei es eine 12V/24V Bleisäurebatterie oder ein Lithium-Ionen-Akku mit bis zu 800V. Wie in Rechenzentren wurden auch in Autos Energiebus-Architekturen entwickelt, um Verluste und vor allem das Gewicht zu minimieren. DC/DC-Wandler sind deren integraler Bestandteil, die Spannungsumwandlungsstufen von der Batterie zur Endlast bereitstellen. Unter diesen DC/DC-Wandler werden nicht isolierte Point-of-Load-Wandler (PoL-Wandler) in der Nähe der einzelnen Subsysteme und Prozessoren eingesetzt, um die beste Regelung und dynamische Leistung genau dort zu erzielen, wo sie benötigt wird. Andere DC/DCs wie LED-Treiber sind ebenfalls üblich.

DC/DCs für die Automobilindustrie benötigen AEC-Q-Qualifikation

Eine Suche im Internet zeigt, dass PoLs und LED-Treiber eine der am weitesten verbreiteten Arten von DC/DC-Wandlern mit einer großen Vielfalt an Funktionen und Nennwerten sind. Bei der Anwendung im Automobilbereich muss sich die Auswahl jedoch auf Typen mit der richtigen Qualifikation beschränken, die von dem durch Chrysler, Ford Motors und Delco Electronics gegründeten Automotive Electronics Council, (AEC) definiert wurde und Standards für Belastungstests, Qualifizierung und Produktionsqualitätskontrolle von Komponenten im Automobilbereich festlegt. Die Standards werden als AEC-Qxxx bezeichnet und beziehen sich derzeit auf Belastungstests von ICs (AEC-Q100), diskreten Halbleitern (AEC-Q101), Optoelektronik (AEC-Q102), Sensoren (AEC-Q103) und „Multi-Chip-Modulen” (AEC-Q104).

Passive Komponenten werden durch eine Reihe von Normen der Reihe AEC-Q200-xxx abgedeckt und in allen Fällen wird auf Normen aus anderen Quellen wie MIL-STD-883, JEDEC, JESD, IPC und UL verwiesen. Die Komponentenhersteller bestätigen selbst, dass sie die AEC-Q-Normen erfüllen. Diese sind jedoch nur die Basis, und weitere Anforderungen werden von den Automobilkunden auf jeder Ebene für ihre spezielle Anwendung festgelegt. Dabei wird zumindest der Bereich des Fahrzeugs definiert, in dem das Teil verwendet wird, und es werden die Umgebungsbedingungen bestimmt. In Tabelle 1 ist zum Beispiel die Umgebungstemperatur für verschiedene Bereiche für ICs definiert.


Als separate Anforderung muss ein Zulieferer der Automobilindustrie über ein Qualitätssystem mit TS/IATF 16949:2016-Zertifizierung verfügen, was eine Steigerung gegenüber der allgemein verwendeten ISO 9001:2015 darstellt. Die AEC-Q-Normen legen großen Wert auf die Fähigkeit eines Zulieferers, die Belastungstoleranz von Komponenten in ihrem realen Herstellungsprozess zu gewährleisten. Obwohl die AEC-Q-Belastungstests nur einmal durchgeführt werden müssen, müssen Bauteile verwendet werden, die mit Produktionswerkzeugen, -prozessen und -mitarbeitern in nicht aufeinanderfolgenden Losen hergestellt wurden. Wenn sich irgendetwas an der Komponente oder dem Herstellungsprozess ändert, ist eine erneute Qualifizierung im Rahmen eines Product Part Approval Process (PPAP) erforderlich. Dies wurde von der Automotive Industry Action Group festgelegt und der PPAP hat seine eigenen Anwendungsstufen, die von 1 bis 5 reichen, mit steigenden Anforderungen an unterstützende Daten und die Vorlage von Mustern, wie in Tabelle 2 dargestellt.


PPAP ist Teil einer übergreifenden Anforderung der Advanced Product Quality Planning (APQP), die eine umfassende Dokumentation des Herstellungsprozesses, der Prüfprotokolle und der Design-/Prozessfehleranalyse (FMEA) beinhaltet.

Lötstellen von Bauteilen müssen „inspizierbar” sein

Kunden aus der Automobilindustrie haben ihre eigenen internen Standards und Vorlieben. Eine davon ist die Forderung, dass die Lötstellen der Komponenten „inspizierbar” sein müssen. Dies ist eine Folge der Entwicklung von ICs weg von der „Gull-Wing”-Bauweise hin zum Chip-Scale-Packaging, bei dem die Anschlüsse z.B. als Ball-Grid- oder Land-Grid-Arrays ausgeführt sind. Diese Bauweisen sparen viel Platz auf der Leiterplatte und verbessern die thermische und elektrische Leistung, aber die Lötstellen, die durch Reflow-Methoden hergestellt werden, sind unsichtbar und können nicht durch eine „Automatische Optische Inspektion” (AOI) auf ihre Qualität überprüft werden. Es kann eine Röntgenanalyse verwendet werden, und obwohl Systeme für Produktionslinien erhältlich sind, ist dies teuer, langsam und muss in einer sicheren, abgeschirmten Kammer durchgeführt werden.

Bei einigen Land-Grid-Gehäusen wie dem Quad Flat No-Lead (QFN), die bei Leistungsbauelementen wie PoL-DC/DC-Wandlern recht verbreitet sind, können die relativ wenigen Anschlüsse als Teil eines internen Leadframes an den Rand des Bauelements gebracht werden. Dadurch wird die Verbindung zwar sichtbar, aber durch das mechanische Abtrennen der Bauteile vom äußeren Leadframe bleiben Kanten mit blanker Legierung zurück, die während des Reflow-Prozesses nicht garantiert „benetzt” werden und bei der Inspektion eine gute Verbindung zeigen, auch wenn das verzinnte Pad unter dem Bauteil eine perfekte Verbindung herstellen mag.

Die geschnittenen Kanten können nicht einfach neu beschichtet werden, da sie nach der Vereinzelung nun möglicherweise alle elektrisch isoliert sind. Eine Lösung, um wettable flanks zu erhalten, die bei der AOI sichtbar sind, besteht darin, eine Stufe im Formteil und im Leadframe zu bilden, die mit den anderen Oberflächen verzinnt wird, wenn der Leadframe ganz ist, aber nicht durch den Vereinzelungsprozess geschnitten wird und es ermöglicht, eine gute Verbindung zu sehen und zu überprüfen (Abbildung 1).

QFN DC/DCs mit wettable flanks sind jetzt verfügbar

Beispiele für von RECOM eingeführte Produkte mit wettable flanks sind die RPX-0.5Q/1.5Q PoL DC/DCs und der RPY-1.5Q LED-Treiber, Abbildung 2.

Bei den RPX-Q Bauteilen handelt es sich um Upgrades der beliebten RPX-Serie von RECOM mit löttechnisch inspizierbare Flächen, die beim RPX-0.5Q mit 0,5A Ausgang standardmäßig und beim RPX-1.5Q mit 1,5A Ausgang auf Anfrage erhältlich sind. Die Bauteile wurden nach den Anforderungen der AEC-Q100 Grade 1 für den Automobilbereich zertifiziert. Sie bestehen alle AEC-Q-Belastungstests unter den spezifizierten Umgebungsbedingungen und arbeiten je nach Eingangs-/Ausgangsspannungskombination bis 125°C mit entsprechendem Derating.

Beide DC/DCs befinden sich im gleichen flachen, 3 x 5mm großen, thermisch optimierten QFN-Gehäuse und arbeiten über einen Eingangsbereich von 4 - 36VDC, wobei der Ausgang von 0,8 - 30VDC (34V für den RPX-0.5Q) programmierbar ist. Die DC/DCs verfügen über RECOMs „3D-Packaging”-Technologie mit einer umspritzten „Flip Chip on Leadframe”-Konstruktion (FCoL) und einer integrierten Spule. Die Überwachungs- und Steuerungsfunktionen umfassen Ein/Aus- und Synchronisationseingänge sowie einen Power-Good-Ausgang. Ein Softstart sowie ein vollständiger Schutz gegen Kurzschluss, Überstrom, Übertemperatur und Unterspannung am Eingang sind ebenfalls vorhanden.

Im Juli released RECOM dazu noch den LED-Treiber RPY-1.5Q, ebenfalls AEC-Q100-zertifiziert und auch mit wettable flanks auf Anfrage. Das Bauteil befindet sich im gleichen QFN-Gehäuse wie die RPX-Serie und ist für einen Konstantstrom von bis zu 1,5A für die Ansteuerung von Hochleistungs-LEDs ausgelegt. Niedrigere Stromwerte können mit einem einfachen Widerstandsnetzwerk eingestellt werden. Der Eingang beträgt 4 - 36VDC und die Effizienz ist mit typisch 95% besonders hoch. Das Dimming von 0-100% kann durch ein digitales PWM-Signal an einem Pin des Geräts oder alternativ durch analoge Spannungssteuerung erreicht werden. Derselbe Pin dient auch als Shutdown-Eingang. Der RPY-1.5Q ist vollständig gegen Übertemperatur, Kurzschluss, Unterspannung am Eingang und Überstrom am Ausgang geschützt. Ein Fehlerindikator-Pin signalisiert die thermische Abschaltung oder offene/kurzgeschlossene LEDs.

Die Möglichkeit, Lötstellen von QFN- und ähnlichen Gehäusen optisch zu inspizieren, die von den Kunden aus der Automobilindustrie gefordert wird, ist eine Funktion, die auch in anderen Branchen willkommen sein wird. Die umfangreichen Tests und Qualitätskontrollen von AEC-Q-zertifizierten Stromversorgungsprodukten durch Hersteller mit ISO/IATF 16949-Qualitätszertifizierung werden auch zusätzliches Vertrauen in Bauteile schaffen, die für kritische Anwendungsbereiche wie Industrie, Rechenzentren und Medizin entwickelt wurden. give extra confidence in parts designed into critical application areas such as industry, data centers and medical.