Aufbau- und Verbindungstechnik LGAs unter Strom

Wegen stetig steigender Nachfrage nach mehr Rechenleistung in Server- und Kommunikationsplattformen ziehen dort werkelnde Multicore-Prozessoren Hunderte von Ampere. Dies lässt sich nur mit elektrisch und thermisch optimierten Wandlern erreichen, beispielsweise im LGA-Gehäuse (Land Grid Array).

von Bob Cantrell, Senior Application Engineer bei Ericsson Power Modules.

Die Spannungswandlung für Server- und Kommunikationsplattformen erfordert große Aufmerksamkeit. Ein hoher Wirkungsgrad ist unerlässlich, um die Verluste zu minimieren. Ein optimiertes thermisches Betriebsverhalten erhöht die Zuverlässigkeit und reduziert die Energiekosten für die forcierte Luftkühlung in Rechenzentren oder Schränken auf ein notwendiges Minimum. Entwickler lösen diese Herausforderungen auf verschiedene Weise.

Schnelle Halbleiterschalter haben die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad seit Mitte der 1980er Jahre massiv erhöht, und so entstand das modulare »Brick«-Format vornehmlich für DC/DC-Wandler. Derartige Stromversorgungen bieten Entwicklern wesentlich mehr Freiheit und Benutzerfreundlichkeit in ihren Projekten und in Kombination mit der digitalen Regelung haben sich die Leistungsdichte und Flexibilität weiter verbessert.

Bei der Entwicklung von Wandlern mit hoher Leistungsdichte wird das Modulgehäuse jedoch häufig unterschätzt. Der durchdachte Einsatz eines Gehäuses kann die Zuverlässigkeit und das Betriebsverhalten wesentlich verbessern. Selbst kleine Unterschiede beim Gehäusedesign können schon zu weniger Ausfällen im Feld und zu höheren Leistungsdichten führen.

Die Gehäuse für ICs und Multi-Chip-Module (MCMs) haben sich zeitgleich mit der höheren Integration weiterentwickelt, um die geforderte höhere Leistungsdichte in Elektroniksystemen bereitzustellen. Aufgrund der höheren Leistungsdichte steigt auch die Anzahl der I/O-Anschlüsse. Für herkömmliche IC- und MCM-Gehäuse wurde dies in den 1990er Jahren zur Herausforderung. Dabei mussten die Anschlüsse rund um das Modul ausreichen.

Vom PGA übers BGA zum LGA

Der Übergang zur Oberflächenmontage (SMD) Ende der 1980er Jahre bot einen Weg hin zu einer größeren Anzahl an Pins und einer höheren elektrischen Leistungsfähigkeit. Die SMD-Technik unterstützt die automatisierte Montage, bei der sich Komponenten mit kleineren Pin-Abständen genau platzieren lassen. Daraus ergab sich das PGA (Pin Grid Array), dessen Anschlüsse nicht nur entlang der Bauteilaußenseiten liegen, sondern nun auch auf der gesamten Unterseite. Das PGA konnte jedoch mit der hohen Nachfrage nach weiteren I/Os für eine höhere Leistungsdichte nicht mithalten. Falls die Anschlüsse dünner werden, um mehr davon unterzubringen, werden sie zu zerbrechlich, um bei der Montage eine hohe Ausbeute zu erzielen.

Um die Probleme mit den PGAs zu lösen, wurden die Pins durch Lotkugeln ersetzt, die etwa 50 µm Durchmesser aufweisen und sich auf der Unterseite des Gehäuses befinden. Während der Fertigung wird das BGA-Gehäuse (Ball Grid Array) auf der Leiterplatte platziert, auf der Kupferpads so angeordnet sind, dass sie der Anordnung der Lotkugeln entsprechen. Während des Reflow-Prozesses schmelzen die Lotkugeln; die Oberflächenspannung sorgt dafür, dass das geschmolzene Lot das Gehäuse korrekt ausrichtet, bevor sich das Lot abkühlt und verfestigt. Ein wesentlicher Vorteil des BGA gegenüber Gehäusen mit Pins ist der insgesamt geringere Wärmewiderstand. Die vom Chip oder Modul erzeugte Wärme gelangt besser in die Leiterplatte. Ein weiterer Vorteil ist die geringere Streuinduktivität, da die Leiter selbst wesentlich kürzer sind als bei einer pinbasierten Verbindung. Damit ergibt sich im Vergleich zu Bausteinen mit Pins eine hervorragende elektrische Leistungsfähigkeit, vor allem wenn starke, sich schnell ändernde Ströme auftreten.

Das LGA (Land Grid Array) schließlich optimiert im Vergleich zum BGA die Streuinduktivität und den Wärmetransport weiter (Bild 1). Das LGA weist keine Lotkugeln auf, jede Verbindung auf der Unterseite des Gehäuses ist nun ein Flat-Pad. Beim LGA wird Lotpaste während der Fertigung auf die Leiterplatte aufgebracht, um die nötige Lötverbindung anstelle der Lotkugeln bereitzustellen. Die Lotpaste auf der Leiterplatte schmilzt während des Reflow-Prozesses und stellt die Lötverbindung zum Chip oder Modul her. Da es keine Lotkugeln mehr gibt, befindet sich das LGA-Gehäuse wesentlich näher an der Leiterplatte als das BGA. Dadurch verbessert sich die Wärmeleitfähigkeit nochmals und die Streuinduktivität sinkt weiter.