Neue Fertigungstechnologie für Power-Module
AC/DC- und DC/DC-Module entstehen mittels Wafer-Chip-Scale-Packing
Mit der Vorstellung der ChiP-Technologie auf der diesjährigen Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) in Long Beach, Kalifornien, treibt Vicor den von seinem Gründer Patrizio Vinciarelli vorangetriebenen Übergang von Power Supplies zu Power Components einen weiteren Schritt voran.
Bei der Produktion der ChiP-Module wird eine mit Vias ausgestattete Leiterplatte von beiden Seiten mit mittels Wafer-Chip-Scale-Packing bestückt. Im Anschluss daran werden auf beiden Seiten magnetische Panels aufgebracht. Im nächsten Produktionsschritt wird das so entstandene Gebilde vergossen und im Anschluss daran in einzelne Wandlermodule zersägt.
»Anders als bei der VI-Chip-Technologie können wir mit dem der ChiP-Technologie zugrunde liegenden Fertigungsprozess unseren Abfallanteil bei der Herstellung von AC/DC- und DC/DC-Modulen auf Null bringen«, hebt Steve Oliver, Vice President of VI Chip Marketing bei Vicor den entscheidenden Vorteil der neuen Technologie hervor. Bezogen auf Großserienstückzahlen bedeutet das nach seinen Worten eine Kostenreduktion um bis zu 50 Prozent. Ein weiterer entscheidender Vorteil der neuen Technologie liegt in ihrer Skalierbarkeit, dies gilt sowohl für die Seitenabmessung der Module, als auch ihre Höhe. Ihre Vorgänger, die VI Chip Module, waren dagegen in ihrer Höhe eindeutig limitiert.
Realisieren lassen sich mit der ChiP-Technologie nach Angaben von Oliver sowohl AC/DC-Converter mit Power Factor Correction, als auch isolierte Bus-Wandler, DC/DC-Wandler, Buck-und Boost-Converter sowie Buck-Boost Regulation und PoLs mit mehreren Ausgangsströmen. Zur Auswahl für diese Produkte stehen Gehäusegrößen von 13 x 23 mm in 4,7 mm Höhe und Versionen mit Außenabmessungen von 22 x 23 mm, 36 x 23 mm, 46 x 23 mm und 61 x 23 mm. Die Höhe dieser Module beträgt 7,7 mm. Der ungewöhnliche Aspekt, dass ein US-Unternehmen metrische Angaben bei der Größe seiner Produkte angibt, wird unter anderem Vinciarellis italienischen Wurzeln zugeschrieben.
Ausgehend von den fünf genannten Modulgrößen soll das Produktspektrum in Zukunft noch erweitert werden. Auf der Eingangsseite arbeiten sollen die Module im ersten Schritt mit Eingangsspannungen bis 430 V arbeiten. Für militärische Anwendungen wird es auch Modelle mit bis zu 600 V geben. Auf den Einsatz in Bulldozern, oder riesigen Truck zielt der Ansatz, zukünftig Eingangsspannungen bis 800 V zu ermöglichen. An Ausgangsströmen liefern die Module bislang bis zu 180 A, auch hier sind weitere Verbesserungen geplant. Seinem Technologieführeranspruch bleibt Vicor auch in puncto Leistungsdichte treu. So werden die Module bis zu 3 kW/Inch3 bieten, bezogen auf die Fläche bedeutet das bis zu 850 W/Inch 2. Wirkungsgrade von bis zu 98 Prozent erreichen die Wandler beispielsweise bei 400 V Eingangs- und 48 V Ausgangsspannung.
Auf die aktuelle Vorstellung der ChiP-Technologie sollen bereits im dritten Quartal 2013 die ersten Serienprodukte folgen. Vor zehn Jahren dauerte das noch etwas länger, erst knapp zwei Jahre nach der Vorstellung der VIChip-Technologie brachte Vicor dann die ersten Produkte auf den Markt. Neben der Fertigungskapazität von bis zu 10 Mio. ChiPs setzt Vicor wie schon bei den VIChips auf Lizenzierungspartner. Ob dazu auch wieder Sony und IBM zählen werden, wollte Oliver nicht bestätigen.
Neben der Vorstellung der ChiP-Technologie kündigte Vicor auf der APEC die Einführung kundendefinierter High-Performance VI Chip-Module vor. Das dazu vorgestellte PowerBench Werkzeug erlaubt Entwicklern die Anpassung und Simulation der VI Chip PRM Module für den Einsatz als PoL Buck-Boost Regler sowie als Versorgung für VTM Strommultiplizierer.
Auf der Basis der hochfrequenten ZVS Buck-Boost Technologie liefern die kundenkonfigurierbaren Module bis zu 500 W mit mehr als 97 Prozent Wirkungsgrad und Leistungsdichten bis zu 103 W/cm3. Es stehen sowohl Varianten im Full-Chip, als auch im Half-Chip Gehäuse zur Verfügung, mit Eingangsspannungen von 36 bis 75 V sowie 38 bis 55 V. Beim Einsatz als PoL Buck-Boost-Regler sind benutzerdefinierte Ausgangsspannungen von 26 bis 52 V möglich. In Kombination mit einem VI Chip VTM Strommultiplizierer ermöglichen die PRMS die Erzeugung von Ausgangsspannungen von 0,5 bis 55 VDC.
Datenblätter, Teilenummern und Preisinformationen sind für die jeweiligen, vom Entwickler konfigurierten Teile verfügbar. Damit sind Nachbestellungen auch noch nach Jahren möglich. Bei kleineren Auftragsvolumina beträgt die Lieferzeit fünf Arbeitstage und der Aufpreis im Vergleich zu den Standard VI Chip-Modulen 25 Prozent. »Bei entsprechend hohen Stückzahlen, reduziert sich dieser Aufschlag«, erläutert Oliver, »und die Lieferzeiten erhöhen sich«.
Vicor verspricht sich von diesem Angebot nicht nur die Erschließung neuer, mit Standardprodukten nicht zugänglichen Einsatzmöglichkeiten, sondern auch Erkenntnisse darüber, ob die kundenspezifisch konfigurierten Module Rückschlüsse auf bestimmte Sweetspots, vor allem im Bereich der Industrieanwendungen erlauben, die dann die Entwicklung entsprechender Standardprodukte rechtfertigen würden.
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