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Rückblick APEC 2018

Integration auf mehreren Ebenen

4. April 2018, 8:55 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Switched-Capacitor-Wandler und 3D-Packaging

Das von EPC angedachte Multilevel-IC ist für die aufstrebenden Switched- bzw. Flying-Capacitor-Wandler gedacht, einem weiteren heißen Thema der diesjährigen Konferenz. Bild 7 zeigt das Schaltbild eines 3-Level-Tiefsetzstellers, dessen Schaltzyklus sowie einen Vergleich hinsichtlich normalisierter Spulengröße und Wirkungsgrad gegenüber einem klassischen Tiefsetzsteller bei einem 150-W-Wandler von 42 V auf 12 V. Gut zu sehen ist, dass die Induktivität nur noch ein Viertel so groß ist wie beim traditionellen Buck-Wandler und der Wirkungsgrad über einen weiten Bereich mindestens ein Prozentpunkt (Maximum bei 96,8 %) höher liegt. Erkauft wird das durch eine komplexere Ansteuerung, was aber durch die zunehmende Integration in Zukunft wieder weitgehend ausgeglichen werden dürfte.

Ein Unternehmen, das diese Technologie mächtig vorantreibt, ist Google. Allein drei der neun Papers in der Session »Hybrid DC-DC Converters« kamen vom Suchmaschinenbetreiber. Als Weiterentwicklung zu den Switched-Capacitor-Wandlern stellte das Unternehmen die Switched-Tank-Wandler vor, die Reservoirs bestehend aus LC-Resonanzkreisen (Resonant Tanks) nutzen, um die Flying Capacitors teilweise zu ersetzen. Durch den voll resonanten Betrieb in allen Arbeitspunkten und das sanfte Schalten werden die Komponenten minimal gestresst. Die Topologie lässt sich laut Google gut skalieren und einfach ansteuern. Ein Demonstrator, der 48 V auf 12 V/50 A herunterwandelt, hat einen Wirkungsgrad von bis zu 98,9 % (Bild 8). Einsatz soll diese Technologie in Server-Stromversorgungen finden.

Das Team um Robert Pilawa-Podgurski, der kürzlich von der Universität von Illinois an die Universität von Kalifornien in Berkeley wechselte, präsentierte ebenfalls einen ungeregelten 600-W-Tiefsetzsteller von 48 V auf 12 V. Er basiert auf einer kaskadierten hybriden Switched-Capacitor-Topologie und erreicht wie der eben angesprochene Google-Demonstrator einen Wirkungsgrad von 98,9 % und eine Leistungsdichte von 133 kW pro Liter bzw. 2180 W/Zoll³. Zum Vergleich: Bei der Google Little Box Challenge war eine Leistungsdichte von mindestens 50 W/Zoll³ vorgegeben, der Sieger erreichte 143 W/Zoll³. Die Leistungsdichte bei dem Wandler vom Team Pilawa war also 15-mal höher! Allerdings vergleicht man dabei Äpfel mit Birnen – sprich einen ungeregelten Tiefsetzsteller mit einem geregelten Solarumrichter –, aber es zeigt, welches Potenzial diesen Switched-Capacitor-Topologien innewohnt.

Einen Schritt weiter geht Helix Semiconductor. Auf der Konferenz verkündete deren CEO Harold Blomquist, dass das Unternehmen demnächst zehn Prototypen eines kapazitiven 30-W-Ladegeräts zur Freigabe an UL liefern werde. Um die sichere galvanische Trennung zu gewährleisten, nutzt das Unternehmen die UL-zertifizierten Y2-Kondensatoren von Novacap, die einen Berührstrom von höchstens 250 µA und eine Kriechstrecke von mindestens 4 mm gewährleisten.

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3D-Packaging und Embedding

Im Rahmen der Plenary Session stellte P. Markondeya Raj vom Georgia Institute of Technology einige Ergebnisse des PSMA Phase III Report mit dem Thema »3D Power Packaging made Real with Embedded Component and Substrate Technologies«. Bezüglich eingebetteter Induktivitäten stellte er zwei Ansätze vor: durchgehende laminierte Schichten aus Magnetmetall-Flocken über dem Substrat sowie einen Verbund solcher Flocken, die in Kavitäten im Substrat hineingepresst werden (Bild 9).

Bei den Kondensatoren stehen seiner Meinung nach mehr Optionen offen. Klassische Keramikkondensatoren lassen sich als diskrete Komponenten in die Leiterplatte oder den Interposer einbetten, während sich Deep-Trench-Kondensatoren, wie sie TSMC anbietet, direkt in Siliziumwafern integrieren lassen. Ein weiterer Ansatz, den etwa Kemet verfolgt, sind eingebettete Dünnfilm-Tantal- und -Keramikkondensatoren. Auch in das IC-Gehäuse lassen sich Kondensatoren integrieren, ein Verfahren, das sowohl Kemet untersucht als auch DuPont zusammen mit dem Georgia Tech 3D Systems Packaging Research Center, an dem Dr. Raj forscht. Bild 10 zeigt, wie er einen Schaltungsträger der Zukunft sieht.