3D-Power-Packaging
Auf dem Weg zu Power Components im Chip-Format
Neue Verpackungsmethoden und Schaltungsinnovationen ermöglichen es, DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch in immer Chip-ähnlicheren Gehäusen unterzubringen. Doch wie bekommt man hochkompakte, günstige DC/DC-Wandler hin, die im Hinblick auf Handhabung, Platzierung und Löten eher ICs ähneln?
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Ein umfangreiches Sortiment
Dies hat es den Entwicklern ermöglicht, kreativ mit dem Gehäuse umzugehen und eine erstaunliche Miniaturisierung zu erzielen, selbst wenn die Drossel in dem Modul integriert ist. Zum Beispiel hat die Recom-RPX-Serie mit integriertem Induktor eine Grundfläche von nur 4,5 mm × 4 mm und eine Höhe von lediglich 2 mm in einem QFN-Format-Gehäuse. Je nach Ausführung liefert sie jedoch bis zu 2,5 A Ausgangsstrom bei einem Spitzenwirkungsgrad von über 90 Prozent. Die 1-A-Version ist noch kleiner (3 mm × 5 mm) und nur 1,6 mm hoch. Diese Leistungsdichte wird mittels Flip Chip on Leadframe (FCOL) und mit thermisch leitendem Vergussmaterial erreicht (Bild 1). Konstruktiv bietet diese Lösung den Vorteil, dass die engen Schaltstromschleifen eine sehr niedrige EMI erzeugen. Mit einer diskreten Lösung ist diese hohe Leistungsdichte und optimierte Wärmeleistung nicht erreichbar.
Bei höheren Ausgangsströmen sind die Serien RPM/RPMB/RPMH von Recom ein gutes Beispiel für 30-W-Teile in einem thermisch optimierten 25-Pad-LGA-Gehäuse mit einer geringen Baugröße von nur 12,19 mm × 12,19 mm × 3,75 mm. Diese Leistungsdichte wird mit einer mehrschichtigen internen Leiterplatte erreicht, die Durchkontaktierungen (Plugged & Blind Vias) für eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine effiziente Nutzung des verfügbaren Platzes verwendet (Bild 2). Dabei besteht das Design aus einer vierlagigen Leiterplatte mit einer Grundplatte, die von einem metallischen Gehäuse sechsseitig abgeschirmt und für sehr niedrige EMI umschlossen ist. Auch wenn diese Konstruktion sehr aufwändig ist, benötigt sie doch nur etwa 1,4 cm2 Platz, um eine ordnungsgemäße Wärmeableitung zu ermöglichen und die volle Leistung bei Umgebungstemperaturen von über +85 °C zu liefern.
Der Vorteil des RPM/RPMB/RPMH-Designs besteht darin, dass sich die komplexe Konstruktion vollständig im Modul befindet. Der Endbenutzer kann eine kostengünstige zweilagige Leiterplatte verwenden, ohne teure Plugged Vias zu verwenden, und dennoch ein leistungsstarkes, sehr kompaktes SMT-Bordnetzteil integrieren, ohne auf Zwangsluftkühlung zurückgreifen zu müssen.
Es stehen drei RPM-Serien von Recom zur Verfügung, die alle identische Pad-Designs aufweisen, sodass sie austauschbar sind
Um Rapid Prototyping zu ermöglichen oder die Leistung in der Endanwendung zu bestätigen, ist bei Recom ein Evaluation Board erhältlich.
Bei den oben beschriebenen Beispielen handelte es sich ausnahmslos um nicht isolierte Wandler. Wenn eine Isolierung erforderlich ist, definieren die Kriech- und Abstanddistanzen eine minimale X- oder Y-Dimension. Beispielsweise ist in medizinischen Anwendungen mit Netzspannungen für 2 Means of Protection zum Schutz des Patienten (2MOPP) ein Abstand von 8 mm zwischen Eingang und Ausgang erforderlich.
Angesichts dieser minimalen Verpackungsabmessung ist eine etwas traditionellere Konstruktion wählbar, in der „Bare Dies“ für die Stromversorgungs- und Steuerelemente mit einem SOIC16-Leadframe-Bonddraht verbunden und dann vergossen werden, wie dies beispielsweise im neuen R05CT05S von Recom der Fall ist. Bei dem Isolations-Transformator in diesem DC/DC-Wandler handelt es sich um ein proprietäres, mehrschichtiges, flaches Design mit sehr niedrigem Profil, sodass eine Isolationsspannung von 5 kV AC und ein verstärkter 2MOPP-Isolationswert erreicht werden.
Da die Gesamthöhe des Wandlers nur 2,65 mm beträgt, eignet er sich besonders für kartenartige Anwendungen, da die Höhe des isolierten DC/DC-Wandlers nicht größer ist als bei allen anderen SMT-Komponenten. Die R05CT05S-Serie bietet auch eine genaue Line&Load-Regulation mit einem externen Enable. Besonders geeignet für die Stromversorgung isolierter Schnittstellen in kritischen medizinischen und industriellen Anwendungen, liefert der R05CT05S von Recom 500 mW mit 5-V-Eingang und 5- oder 3,3-V-Ausgang.
Durch die Kombination innovativer 3D-Verpackungstechnologien rückt nun sowohl für isolierte als auch für nicht isolierte Wandler das Ziel, DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch IC-ähnlicher zu machen, immer mehr in greifbare Nähe. Dabei sind in Zukunft noch weitere Verbesserungen der Leistung und der Leistungsdichte zu erwarten. Recom bietet diesbezüglich eine Reihe von Produkten an, die als 3D Power Packaging gefertigt werden. Unter www.recom-power.com/3dpp können Interessenten das entsprechende Evaluation Board bestellen.
Recom produziert aktuell ein umfangreiches Sortiment an standardmäßigen und kundenspezifischen DC/DC- und AC/DC-Wandlern in jeder Leistungsklasse von weniger als 1 W bis zu mehreren 10 kW sowie Schaltregler und LED-Treiber in einer großen Auswahl an Formaten. Am Hauptsitz des Unternehmens im österreichischen Gmunden ist neben einem hochmodernen logistischen Forschungs- und Entwicklungszentrum auch ein Labortrakt vorhanden. Ein weltweites Vertriebsnetz gewährleistet die globale Präsenz des Unternehmens.
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