Stromversorgung Monolithische DC/DC-Wandler

Durch stetig steigende Anforderungen an Embedded Systeme steigen auch die Anforderungen an deren Power-Management-Lösungen. Der Weg dahin führt nur über höhere Wirkungsgrade, höhere -Leistungsdichten und eine extrem hohe Integrationsdichte. Künftig könnten -komplette Point-of-Load-Wandler monolithisch in CMOS-Halbleiter-technologie aufgebaut werden. Doch bis dahin sind noch einige Zwischenschritte zu gehen.

Da die vielen Services mit hohem Datenaufkommen immer weiter konvergieren, müssen OEMs neue Power-Technologien einsetzen. Denn nur so lassen sich höhere Verarbeitungs- und Übertragungsgeschwindigkeiten erzielen, komplexe Storage-Systeme realisieren und leistungsfähigere Netzwerk-Schnittstellen implementieren.

Applikationen wie diese treiben die Entwicklung von Systemen zur Verteilung von DC-Leistungen voran, die inzwischen bis zu vierzig Point-of-Load-Wandler (PoL) enthalten. Aus diesem Grund suchen OEMs Lösungen mit folgenden Schlüsseleigenschaften:

  • höherer Wirkungsgrad,
  • höhere Leistungsdichte der PoL-Wandler,
  • geringeres Rauschen und weniger Interferenzen,
  • erhöhte Zuverlässigkeit über die Lebensdauer und
  • Kosteneffizienz.

Im Folgenden wird ein ganzheitlicher Ansatz beschrieben, mit dem sich diese Ziele unter dem Leitmotto »Integration durch hohe Frequenzen« erreichen lassen. Das vorgestellte Konzept ermöglicht die Herstellung hochintegrierter PoL-Wandler für extrem hohe Leistungsdichten mit ausgezeichneter Leistungsfähigkeit. Es basiert auf wirtschaftlichen Fertigungsverfahren aus der Halbleiterbranche.

Integrationsmethodik

Statt auf einzelne Technologien konzentriert sich das Konzept auf drei primäre, voneinander abhängige Technologiesäulen (Bild 1).

Diese Säulen eröffnen ein Schlüsselparadigma: Erhöhung der Arbeitsfrequenz bei gleichbleibender oder höherer Effizienz. Mit diesem Konzept lässt sich gespeicherte Energie bis zu einem Punkt reduzieren, an dem Fertigungsverfahren von der Bestückung auf Platinenebene auf eine Montage auf IC-Level angehoben werden können. Dieses Ziel war im Laufe der Jahre aus vielen Gründen - darunter Kostengründe, Fähigkeiten von Halbleitern und Einschränkungen beim Speichern von Energie - schwer erreichbar.

PoL-Wandler enthalten Leistungsschalter zur Wandlung der Eingangsleistung. Es existieren viele Möglichkeiten, um die Frequenz dieser Schalter zu erhöhen, etwa mit MOSFETs aus Silizium, SiC, GaAs und GaN. Bei der Wahl von Enpirion drehte es sich um Kosteneffizienz, maximale Integration und HF-Performance. HF bedeutet in diesem Fall fünf bis zehnmal die aktuelle Frequenz, z.B. 1 MHz bis 20 MHz.

Da der Markt bestimmte Kostenrahmen vorgibt, ist die beste Technologiewahl die, welche am nächsten zur Mainstream-CMOS-Technologie liegt. Auf dieser Basis hat man sich bei Enpirion entschieden, sich auf die Entwicklung von LDMOS (Lateral Diffusion MOSFET) zu konzentrieren. Die Geschwindigkeits- und Widerstandsanforderungen ließen sich mit speziellen Maßnahmen am Drain realisieren.

Die Drain-Region ist so aufgebaut, dass während eines Schaltzyklus‘ Ladung reduziert wird. Zugleich nutzt der Hersteller die Vorteile moderner Lithografie, um den Durchlasswiderstand zu verkleinern. Als Ergebnis entstand ein Bauteil mit wesentlich besseren Eigenschaften bezüglich des Produkts aus Widerstand und Ladung, der sogenannten Figure-of-Merit.

DC/DC-Topologien nutzen ein mag-netisches Element, um bei jedem Zyklus Energie zu übertragen. Die Menge der in einem Schaltzyklus gespeicherten Energie ist umgekehrt proportional zur Arbeitsfrequenz. Folglich hat die Schaltfrequenz den größten Einfluss auf die Leistungsdichte und die Reduzierung des Volumens. Bei Enpirion konzentriert man sich auf folgende Anforderungen: geringe Verluste bei hohen Frequenzen und Kompatibilität zu IC-Produktionsverfahren.

Vorgegeben wurden Materialien für 1 MHz bis 20 MHz. Am unteren Ende kommen MnZn-Ferrite zum Einsatz, im mittleren Frequenzbereich NiZn-Ferrite sowie FeCo-Legierungen am oberen Ende (wegen der hohen Sättigungsmagnetisierung vom Fünffachen von MnZn-Ferrit und höherem Frequenz-Roll-off).

Die Bauteile enthalten eingebettete Wicklungen aus aufgalvanisiertem Kupfer. Dies ermöglicht höhere Ströme als Standardbauteile. Die Kombination aus Galvanisierung mit Magnetik ist ein wichtiger Schritt hin zur Integration in Silizium.

IC-Montage

Die ersten beiden Säulen bilden die Grundlage für die Dritte: Eine IC-artige Montage für Halbleiter und mag-netische Komponenten. Obwohl die technische Machbarkeit der Vision eines monolithischen PoL-Wandlers demonstriert werden konnte, gibt es bei der Fertigung zahlreiche Herausforderungen. Um den Fertigungsprozess so zu entwickeln, dass er das Ziel der IC-Montage erreicht, wird eine Serie von Generationen (Roadmap) durchlaufen:

  • Laminat-Substrat plus Magnetik mit Spritzguss,
  • Lead-Frame-Substrat mit verbesserten Temperatureigenschaften,
  • induktive Substrate für »Die«-Montage,
  • Dekonstruktion der Induktivität, wobei die Spulen im Lead-Frame implementiert sind und das magnetische Material am Lead-Frame befestigt ist,
  • Magnetkern auf Silizium-Wafern,
  • Magnetkern und Wicklungen auf Si-Wafer und schließlich
  • Magnetkern, Wicklungen und LDMOS auf einem Wafer.

Diese Roadmap erschienen Enpirion als praktikabelste Möglichkeit, um die Fertigung kosteneffizient weiter zu entwickeln und sich dem ultimativen Ziel eines monolithischen Wandlers zu nähern. Leistungsdichten, die auf dieser Roadmap erreicht wurden, liegen bei 300 W/cm3 bis 915 W/cm3 gegenüber herkömmlichen Werten von 18,3 W/cm3 bis 30,5 W/cm3.

Monolithische Integration

Die Hauptwünsche der OEMs definieren die ideale Power-Lösung. Obwohl schwer zu erreichen, ist es das geeignete Langzeitziel von Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich Power-Management. Während sich einige dieser Ziele durch technologische Weiterentwicklungen erreichen lassen, besteht die primäre Herausforderung darin, zu vorgeschriebenen Kosten fertigen zu können.

In den letzten fünf Jahren sind die Anzahl der integrierten DC/DC-Leistungswandler sowie die Zahl der Anbieter stetig gestiegen. Charakterisieren lassen sich die Angebote als PoL-Lösungen, die über komplette DC/DC-Funktionen in IC-ähnlichen Gehäusen verfügen. Laut der Power Sources Manufacturers Association (PSMA) lassen sich diese Bauteile in zwei Kategorien einteilen: Stromversorgung-in-Package einerseits sowie Stromversorgung-on-Chip oder »PowerSoC« andererseits.

Trotz der Fortschritte hin zur monolithischen Implementierung sollte man die zahlreichen Herausforderungen bei der Fertigung im Auge behalten. Dazu zählen: Belastungen durch die Fertigung, Konsistenz der Magnetlegierung und Verifikation der elektrischen Parameter. Diese Herausforderungen definieren bei Enpirion die Fertigungs-Roadmap.

Das Unternehmen hat Techniken entwickelt, um die Fertigungs- und Zuverlässigkeitstests, die für alle Produkte erforderlich sind, zu bestehen. Auch konnte die Zuverlässigkeit enorm erhöht werden. Im Feld ermittelte Zuverlässigkeitsdaten zeigen, dass diese PowerSoCs eine FIT-Rate (Failures-In-Time pro 1 Mrd. Betriebsstunden) von unter 5 erreicht haben.

Bei herkömmlichem Pols liegen diese Werte bei 50 bis 150. Enpirion hat die technologische Machbarkeit monolithischer PoL-Wandler demonstriert. Jedoch sind weitere Entwicklungsarbeiten im Bereich Fertigung erforderlich.

Nach derzeitigem Stand, einschließlich dem Start der Produktion von magnetischen Elementen auf einem Wafer (Magnetics on Wafers) in einer kommerziellen Foundry, geht man bei Enpirion davon aus, in den nächsten zwei Jahren »Magnetics on Wafers« in hohen Stückzahlen produzieren zu können.

Dies wird »Two-Die«-Assembly ermöglichen und den Weg zum magnetischen Die mit Wicklungen ebnen, gefolgt von der Verschmelzung der zwei Dies in einem.

Bild 2 zeigt ein monolithisches Bauteil mit FeCo mit Kupferspulen für Ströme von 1 A bis 2 A. Die aktive Die-Fläche beträgt 1,0 mm x 2,0 mm bei einer Induktivität von 120 nH bei 20 MHz.

Über den Autor:

Ashraf W. Lotfi ist President, Chief Technical Officer und Gründer von Enpirion.