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3D-Power-Packaging für PoL-Wandler

Power-Module folgen dem Moore‘schen Gesetz

23. Januar 2023, 10:47 Uhr | Von Matthew Dauterive, DC/DC-Produktmanager Recom

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

DC/DC-Wandler müssen IC-ähnlich werden

PoL-Wandler können mithilfe von Steuer-ICs entwickelt werden, die immer mehr Funktionen integrieren und mit hoher Frequenz schalten, um die Größe von Induktoren und Kondensatoren zu reduzieren. Leistungsschalter lassen sich relativ einfach in den Steuer-IC integrieren, aber die Induktivität ist nach wie vor schwierig zu integrieren und wird oft als externes Bauteil angegeben. Das bedeutet, dass der Benutzer mit dem Overhead der Platzierung und einem Layout konfrontiert wird, das sorgfältig optimiert werden muss, um EMI-Probleme zu vermeiden.

Um die Herausforderung eines integrierten und miniaturisierten PoL-Wandlers zu meistern, haben die Entwickler deshalb damit begonnen, IC-ähnliche Verfahren und verbesserte Wärmeübertragungstechniken einzusetzen. Wenn der PoL-Wandler beispielsweise umspritzt wird, können anstelle von Glasfaserplatinen Leadframes mit oberflächenmontierten Anschlüssen im Land-Grid-Array-Stil verwendet werden, um einen besseren Packungsfaktor und eine bessere Wärmeleistung zu erzielen. Zur besseren Ausnutzung der Z-Dimension lassen sich Induktivitäten über den Leadframe in den Guss integrieren.

Mit seinem »3D-Power-Packaging«-Konzept zählt Recom zu den Pionieren dieser Techniken. Ein gutes Beispiel dafür ist die in Bild 3 dargestellte RPX-Serie, die eine »Flip-Chip on Leadframe«-Konstruktion aufweist. Eine 1,5-A-Version liefert einen programmierbaren 0,8–24-V-Ausgang von 4 bis 36 V Eingangsspannung. Untergebracht ist sie in einem QFN-Gehäuse mit einer Grundfläche von 3 mm × 5 mm und einer Höhe von 1,6 mm.

Wird ein herkömmliches Substrat verwendet, ist es möglich, den PoL-Steuer-IC platzsparend in die Leiterplattenschichten einzubetten, wie etwa im Fall der RPL-3.0-Serie von Recom. Der Chip ist im Wesentlichen blank, mit einer zusätzlichen metallisierten Umverteilungsschicht, die einen direkten Kontakt zwischen dem Silizium und den internen Kupferbahnen der Leiterplatte ermöglicht. Die SMT-Drosselspule, die Kondensatoren und andere passive Komponenten werden auf herkömmliche Weise auf der Oberseite des Substrats angebracht und die Verbindungen zur Anwendungsplatine über vergoldete Pads auf der Unterseite hergestellt. Zusammen ergibt das ein Bauteil, das bei einer Grundfläche von nur 3 mm × 3 mm und einer Höhe von 1,45 mm mehr als 15 W Leistung aus einem breiten Eingangsbereich von 4 bis 18 V liefern kann.

Andere Module, wie Recoms RPM-, RPMB- und RPMH-Serien in 25-poligen LGA-Gehäusen, erreichen ihre hohe Leistungsdichte durch den Einsatz einer internen mehrlagigen Leiterplatte mit gesteckten und blinden Durchkontaktierungen. Zusammen mit einer sechsseitigen metallischen Abschirmung ermöglicht diese thermisch verbesserte Anordnung den Betrieb mit voller Leistung bis zu einer Umgebungstemperatur von über 85 °C.

Durch die geringere Höhe und Grundfläche dieser neuen Generationen von Modul-PoL-Wandlern ist es möglich, sie auf der Rückseite eines Motherboards, direkt unter dem Prozessor oder sogar im Co-Packaging mit einem komplexen IC unterzubringen. Darüber hinaus bietet die Miniaturisierung den zusätzlichen Vorteil, dass die EMI-erzeugenden Schleifen innerhalb des Konverters sehr klein gehalten werden können, sodass die Emissionen ebenfalls sehr gering sind, was dazu beiträgt, den Bedarf an zusätzlicher Filterung zu verringern und noch mehr Platz auf der Platine zu schaffen.