3Dパワーパッケージング（3DPP®）の進化について

3DPP^®（3次元パワーパッケージ）とは？

エレクトロニクスの世界では、あらゆる市場や応用分野でシステム性能を最大化するために、電源、電力変換デバイス、フィルタ、保護デバイス、および相互接続（コネクタ、ワイヤ、ケーブル、回路基板トレースなど）を含むパワーサブシステムに大きく依存する傾向があります。そのため、サイズ、重量、およびパワーの指標（別名: SWaP ファクター、コスト指標と組み合わせた場合は SWaP-C）に焦点を当て、特性評価を行っています[1]。

SWaP-C を最適化するためのツールボックスの中で最も優れたツールの 1 つが、高度なパッケージング技術、特に 3 次元パワーパッケージング（3DPP）の分野です。3DPP は、最大の電力密度と最小のフットプリントを可能にする最先端の組立プロセスの新提案です。3DPPは、表面実装型DC/DCコンバータに使用することで、クラス最高の性能と最大電力密度、最小フットプリントを組み合わせたソリューションを実現します。その結果、他の電力変換モジュールよりも大幅に小型で、かつフットプリントにコストをかけずに高効率を実現する電力製品を生み出すことができます[2]。

3DPP技術では、内蔵部品をリードフレームに直接実装することで内部のプリント基板を不要にし、モジュール内の電力変換部品に必要なスペースを最小にしています。例えば、今回発表した3DPPスイッチングレギュレータRPX-1.0は、わずか3mm×5mm×1.6mmとIC並みの小型化を実現しています。この小型化により、エンジニアや設計者は、コストのかかるカスタムコンバータの設計を行うことなく、電力変換機能を統合したより合理的なPCBプロファイルを実現することができます。3DPP技術に対応したデバイスは、ランドグリッドアレイ（LGA）、ガルウィング、クワッドフラットノーリード（QFN）、ブロック＆ピラー、はんだボールなど複数のパッケージタイプで提供されており、スペースに制約のあるアプリケーションで大きな違いをもたらすことができます。

RECOM は、この点に関する価値提案と最新製品の優れた概要を提供しています [3]。下図は、ベンチテストを簡素化し、製品の市場投入を加速するために提供される評価ソリューションの一例です。

DC/DCコンバータの小型化を実現

DC/DCコンバータを小型化するために必要な3DPPやその他のパッケージング技術を理解するためには、部品技術の進歩とともに、様々なパッケージング手法についても少し掘り下げてみることが賢明です。

以前はバラバラだった部品を 1 つのアセンブリに統合することは新しいコンセプトではありませんが、その方法論は過去 20 年間で大きく進歩し ています。パワーソリューションでは、集積モジュールは通常、FR-4（別名: PCB）の薄板に部品を密に詰め、何らかのプラスチックまたは金属のキャップで覆った古典的なディスクリート実装を指しました。このキャップは、あたかも1つのICのようなアセンブリに見せるための美観のためのものでしたが、金属キャップは電磁干渉（EMI）や熱緩和の点で実用的な目的も果たすことができました。

その後、これらのバラバラなコンポーネントを実際のプロセスで統合することが推進され、現在では異種混在統合と呼ばれるようになりました。 Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Electronics Packaging Society (EPS) Heterogeneous Integration Roadmap (HIR) による異種混在の定義は以下のとおりです。

"異種統合 "とは、別々に製造された部品をより高度なアセンブリに統合し、全体として、強化された機能と改善された動作特性を提供することです。[4]

HIR は、多数の関係者、業界リーダー、およびこの分野の最先端技術（SOTA）を特徴付けるワークショップや会議の議事録の集大成でした。この取り組みの包括的な概要はこのブログ記事の範囲外ですが、ここでは電力変換器/ソリューションに特化した主要なドライバーの一握りについて注目したいと思います。冒頭で述べたSWaPファクターの最適化の推進を思い出してください。サイズ/重量を減らしたいという要望はより具体的かもしれませんが、電力密度を高めたいという要望やその目標を達成するための戦略は、それほど明白ではないかもしれません。

ほとんどのスイッチングパワートポロジー（すなわち、ある電圧から別の電圧への電力変換を変調するために慎重に制御されたスイッチを使用するもの）において、重要な特性値（FOM）駆動サイズは電力変換器のスイッチング周波数に関連しています。 コンバータの設計/部品計算とスイッチング周波数の間の数学的関係を示す一連の方程式を概説することを避け（Googleで検索すれば大量の情報が得られますので）、ここで考慮すべき2つの基本的な法則を説明します。スイッチング周波数は、エネルギー貯蔵部品やフィルタ部品（すなわち、トランス、インダクタ、トロイダル・チョーク、バルク/電解コンデンサ、安全キャップなど）のサイズに反比例し、これらはしばしば電源のサイズ/重量全体を支配します（さらにはシステム全体のサイズ/重量の主要因にもなります）。

より長い相互接続によるインダクタンスと、より高いスイッチング周波数によって引き起こされる高速電流遷移[v(t)=L*di/dt]による寄生効果は、コンバータの制御方式および/または電力系統に致命的な電圧スパイク（別名、過渡現象）を引き起こすことがあります。システム内の導体の自然分離によるキャパシタンスの寄生効果と、より高いスイッチング周波数によって誘発される高速電圧遷移[i(t)=C*dV/dt]は、破滅的なエネルギー貯蔵と循環電流を引き起こし、多くの望ましくない方法でその醜い頭をもたげる可能性があります。

パワーエレクトロニクス設計において，ワイドバンドギャップ（WBG）パワー半導体（窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）等）の使用が拡大していますが、これには最善と最悪の両側面が存在します。WBG デバイスは、スイッチング周波数の大幅な向上と、より大きな熱 FOM（信頼性と電力密度の向上）を実現する能力がありますが、電力密度 FOM の向上を補完する急峻な学習曲線が伴う可能性があります。このブログの範囲外ですが、WBG デバイスのゲート・ドライバ回路だけでも、従来のシリコン・パワー半導体の設計ルールとは異なるスイッチング速度と過渡現象の増加により、はるかに複雑になる可能性があることに留意すべきです[5]。このような課題に関する優れた概要と参考文献は、こちらでご覧いただけます。確かに将来の議論のためのより深いトピックではありますが、高周波磁気材料の進歩はWBGベースのソリューションの重要な実現要因であり、この分野での研究ギャップのために過去10年間の注目を集めてきたことに留意する必要があります（ウェブサイトの後段にある無料ワークショップの議事録を参照してください）。

半導体のパッケージサイズ、パッケージ起因の寄生、SOTA のサポートの必要性についての理解が深まった今、3DPP 製品の異種混載を可能にし有益である他の部品に注目することができます。パワーソリューション全体を縮小することは、他のアクティブデバイス（IC、スイッチなど）やパッシブデバイス（抵抗、コンデンサ、インダクタ、ダイオードなど）を縮小し、それらを異種混載することで近接実装させることも意味します。ある時点で、パッケージ内部の相互接続（ピン、バンプ、パッドなど）さえも禁止され、望ましくない寄生を誘発するようになります。パッシブデバイスとアクティブデバイスの両方を埋め込むことができる技術は数多く存在します。ここでは深く掘り下げることはしませんが、平面磁性体の利用は大きな可能性を持っていることに留意すべきです。これは、かさばる磁性体コアに物理的に配線を巻き付けた従来の磁気から、磁性体コア材の周囲に配線したPCBトレースを使用することで、よりクリーンで厳密に制御され、かつ再現性と堅牢性に優れた磁気部品への移行を意味しています[6]。

技術の大きな進化と同様に、数多くの課題も解決しなければなりません。従来はバラバラだった多くの製造工程を統合するには、適応力のあるサプライチェーンと学習曲線が必要です。サブアセンブリには追加のプロセスステップが必要な場合があるため、おそらく異なる場所への出張や、プロセスの共食いが新しい側面の学習曲線と関連するオペレータートレーニングを伴う統合された操作に統合される可能性があります。製造業のプロセスシフトと同様に、部品/消耗品の加工、新しい資本設備、より厳しい環境管理、品質管理システム (QMS) の監視強化、機能テスト、検査/再加工、危険物の取り扱い/廃棄など、チェーンの上下に波及する変更が発生します。

古い格言にあるように、「タダで手に入るものはない」のです。

熱・電力密度FOMの改善

電子機器の信頼性，ひいては動作寿命は，システムの環境温度と部品温度を制御する能力によって左右されます。品質指標 （最低/最高/最低動作温度，平均故障間隔 (MTBF)、平均故障時間 (MTTF)、時間内故障 (FIT) 率など）を支配する要因は温度だけではありませんが、電子機器を「熱的に満足」させておくことは、意図した動作パラメータと寿命を満たす堅牢な製品寿命を実現する上で常に良い戦略であると言えます。

3DPPでは、デバイスを近接させるため熱的な問題が発生することがあります。これは、隣接するデバイスからの放射熱が隣のデバイスに影響を与えるという形で現れますが、この熱を閉じ込める能力は、単に大きなアセンブリの中の空きスペースを取り除くことで軽減することができます。空気は、熱的にも電気的にも優れた絶縁体なのです。異種材料を組み合わせたシステムにおいて、異なる熱膨張係数（CTE）のバランスを取ることは、熱に関する重要な課題です [7]。この課題は、金属、セラミック、グラスファイバー、各種インク、接着剤、その他の材料を1つの大きなサンドイッチに組み合わせるという、これまで別々に行われてきたプロセスの中で最大の課題をもたらす上述の異種材料統合アセンブリで特に顕著になります。このブログでは、フレキシブルハイブリッドエレクトロニクス（FHE）アセンブリにおけるこれらの要因の影響については、あえて触れません！

逆に、3DPP は（一般に、より多くの場合）、熱源から熱を離して、より迅速かつ効率的に熱を軽減できる場所に移動させる機会も提供します。外部ピンを減らし、表面実装デバイス（SMD）パワーモジュールをPCBに直接取り付けることができるため、熱と品質（例: マニュアルで挿入したピンやはんだ接合部などの問題が少ない）の勝利となります。下図に示すように、高電力密度は多層内部基板で達成され、プラグドビアとブラインドビアを利用して良好な熱伝導性と利用可能なスペースの効率的な使用を実現しています。

パッケージの熱をより効率的に排出することは、熱をより大きな熱源（例：システムの電源プレーン、より大きな銅パウ ンド、隣接するアセンブリ）に広げることを容易にします。パッケージの外部からは、システムレベルの熱緩和（ヒートシンク、対流または強制空冷、水冷ベースプ レート、熱インターフェース材料（TIM など）） をより効果的に利用することが可能です。

重要なアプリケーションにおける3DPPの価値

3DPPが製品にもたらす利点や強化点を、短いブログですべて紹介することは困難です。 しかし、その中でも特に重要なファクターがあります。

エレクトロニクスの世界では、供給保証、原材料調達、偽造品、関税、出荷物流など、サプライチェーンの問題から影響を受けていないステークホルダーに出会うことは稀です。昨今のCOVIDの大流行が示したように、一見遠方にあるように見えるこれらの問題すべてが、購入する自動車のコストや食料品店の棚に並ぶ食品を通じて、インフレに影響を与える可能性があることを最終消費者でさえ今や強く意識するようになっています。

ミッションクリティカルなアプリケーションでは、3DPPテクノロジーの使用によって有機的にもたらされるプロセスの統合が、上記のようなリスクや頭痛の種を軽減するのに役立つのですが、そこではミスの余地が非常に少なくなっています。より多くのプロセスを単一の製造オペレーションに組み込むことは、調達、エンタープライズリソースプランニング（ERP）、品質/コンポーネントエンジニアリングなどのグループに鉛筆を削ることを強いるだけでなく、コラボレーションを成功させるために最初の注文を超えたコラボレーションと思考を強いることにもなるのです。 これらの点は、大惨事（天災、政情不安など）の際に、事業継続計画（BCP）を策定し、工場間（場合によっては国家間）のオペレーションを可能な限り迅速に移行しなければならないときに、如実に発揮されるでしょう。

プロセスの統合とサプライチェーン・マネジメントにより、間接費や物流費の削減も可能になります。部品（特にマグネティックス）の組み立てと製造に適用される厳密な管理と自動化は、スケールメリットを適用しながら製品の信頼性を向上させ、SWaPの最適化と前年比コスト削減を促進する素晴らしいレシピとなります。

医療機器（および高い絶縁性/安全性が要求される同様のユースケース）は、3DPP が大きな価値をもたらすことができる重要なアプリケーションの一例です。安全認証された医療グレードの絶縁は、オペレータ保護手段（MOOP）と患者保護手段（MOPP）のレベルにより分類され、異なるクラスで要求されます[8]。

ここで説明した3DPPの利点をすべて兼ね備え、高いレベルの医療用絶縁を実現したDC/DCコンバータの例として、RECOMから最近リリースされた R05CT05Sが挙げられます。これは安価な0.5W部品で、公称5Vの入力と、低ドロップアウトレギュレータ（LDO）のヘッド電圧となる3.3Vまたは5V、あるいは3.7Vまたは5.4Vを選択できる出力が特徴となっています。このコンバータは、10.3mm x 7.7mm の小型SMDパッケージで高さがわずか2.65mmなので、スペースに制限のあるアプリケーションに最適です。

本製品は、IEC/EN 60601-1に準拠した2 x MOPP / AC250 V連続定格、AC5kV試験電圧という医療用アプリケーションに特化した仕様となっています。また、カップリング容量はわずか3.5pFで、AC250V / 50Hzのアプリケーションでリーク電流を無視できます。非医療用アプリケーションでは、EN 62368-1に準拠したAC800Vの動作電圧で強化絶縁を行うなど、さらに優れた定格を実現しています。 動作温度はディレーティングありで140℃まで可能で、イネーブル、シンク、トリム機能、低電圧ロックアウトを備えています。[9]

また、これらの価値提案は、自動車、コンピュータ、民生用アプリケーションで広く使われているCANバス、USB、PoEなどの外部通信ポートなどのアプリケーションで低電力絶縁を必要とする非臨界システムにも拡張できることに留意する必要があります。

結論

エレクトロニクスのロードマップの将来を考えるとき、パッケージングが最初に思い浮かぶとは限りません。しかし、このブログでレビューしてきたように、パッケージングと直接結びつく多数の重要な性能および品質要因があります。

3DPP と異種集積はパッケージングの進化をもたらすため、パワーソリューションとシステム全体のレベルで SWaP-C を最適化する場合、ほぼすべての最優先事項が必要となります。

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参考文献

[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 (accessed 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 (accessed January 23, 2023).

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

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