Intersil Der steigenden Energiedichte zu Leibe rücken

Systemintegratoren stehen vor dem Problem, dass die Systeme ständig mehr Energie brauchen, der dafür verfügbare Platz aber immer weiter schrumpft. Neue Ansätze zur Integration von Leistungskomponenten helfen, die gegenläufigen Anforderungen unter einen Hut zu bringen.

In Embedded-Systemen nimmt der Leistungsbedarf am Lastpunkt stetig zu; die in den Systemen sitzenden Bausteine – das gilt besonders für FPGAs, MCUs, ASSPs und ASICs – weisen eine höhere Integration auf Transistorebene auf, was ihre Leistungsanforderungen insgesamt nach oben treibt. Die Kombination aus niedrigeren Spannungen und höheren Strömen erhöht den Druck auf die Leistungswandlerstufen, die notwendig sind, um die Leistung über diese Systeme zu verteilen.

Die Vorteile, die fortschrittliche Prozesstechnologien für Halbleiter hinsichtlich der steigenden Funktionalität mit sich bringen, gelten nicht für die Leistungsstufen. Hier müssen sich die Hersteller darauf konzentrieren, höhere Leistungsdichten in kleineren Gehäusen unterzubringen, indem sie alternative Wege gehen. Das bringt natürlich seine eigenen, miteinander verknüpften Herausforderungen mit sich, und zwar in Form einer gestiegenen Leistungsdichte bei geringerem Platz, während die Performance selbst verbessert werden muss. Die Lösung, auf die viele Hersteller zurückgreifen, besteht darin, Module einzuführen, die auf PoL-Anwendungen zielen. Mithilfe von Modulen ist es möglich, die Probleme mit der Leistungsdichte, dem Wärme-Management und der Performance gleichzeitig zu adressieren.

Wärme-Management
 
Das elektromechanische Design von Leistungs-Modulen ist in Hinblick auf das Wärmemanagement kritisch. Typische PoL-Ansätze müssen eine Leistung im Bereich von 100 W liefern, und das in einem kleinen Gehäuse, das auf eine eng bestückte Leiterplatte wandert, bei dem die Komponenten so nah wie möglich nebeneinander gesetzt werden, die ebenfalls zum Teil enorm viel Wärme erzeugen. Es ist eine Gehäusetechnik notwendig, die die Wärme effizient von den im Modul integrierten Komponenten auf die Gehäuseoberfläche transferiert und dort an die Umgebungsluft abgibt. Ein Leistungs-Modul umfasst mehrere Komponenten, die typischerweise auf eine Art Substrat montiert sind. Hierzu wurde eine Vielzahl von Ansätzen entwickelt – alle mit einer eigenen thermischen Charakteristik.

Die etablierten Techniken bieten verschiedene Vorteile. Zum Beispiel lassen sich Leistungsmodule auf Basis einer zweilagigen Leiterplatte und einem LGA-Gehäuse (Land Grid Array) effizient routen, weil mit diesem Ansatz relativ einfache und direkte elektrische Verbindungen zwischen den integrierten Komponenten möglich sind.

Eine genauso gut etablierte Alternative basiert auf einem metallischen Lead-Frame in einem QFN-Gehäuse. Dieser Ansatz zeichnet sich durch eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aus, die deutlich besser als beim LGA-Gehäuse ist. Doch das wiederum geht zulasten des einfachen Routings – so dass dadurch die Kosten steigen können.

Die Kombination aus guter thermischer Leitfähigkeit und einfachem Routen mit einem Gehäuse ist möglich, und zwar durch ein einlagiges leitendes Gehäusesubstrat in einem HDA-Gehäuse (High Density lead-frame Array). Bei diesem Ansatz kommen zwei Substrate zum Einsatz: ein Mittelteil, das die Komponenten verbindet und elektrisch isolierte Kontakt-Pads zu einem peripheren Substrat aufweist, das wiederum das Gesamtgehäuse mit der Leiterplatte verbindet.

Die Kombination von zwei Substraten, die über Bond-Drähte verbunden sind, bringt eine Flexibilität hinsichtlich des Routings, die vergleichbar mit der zweilagigen Leiterplatte ist. Gleichzeitig bietet sie aber auch die thermische Leitfähigkeit eines einlagigen Substrats. Intersil hat diesen Ansatz erfolgreich in seinem digitalen Leistungsmodul ISL8272M genutzt, bei dem Leistungsdichten von über 1300 W/in3 erreicht werden.