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采用3DPP封装提高功率密度

[发布时间:2020-11-11  浏览次数:59 次]
 

采用3D封装技术提高功率密度!

尽管对更高性能和功率密度的需求不断增长,低功率的DC/DC转换器还是需要具有一定的性价比,经过一段时间的努力,制造商们针对这一需求推出了许多架构来满足低成本制造的要求,例如尽量降低器件数量以及将变压器和电感手工焊接到传统PCB上。为了最大程度地减少PCB尺寸,通常采用通孔的安装方法,但是这可能使组装过程变得复杂,因为同一块PCB板需要经过波峰焊和回流焊两道工序。

尽管每年售出数百万个采用通孔安装方式的DC/DC转换器,但是RECOM的长期目标是开发出像其他标准器件一样直接进行贴片焊接的版本,同时还需要具有超薄尺寸以符合当今流线型产品的设计要求。需注意的是,为了体现转换器模块相比分立器件设计的优势,模块尺寸必须尽可能的小,为达到这一点,DC/DC转换器模块必须通过利用Z方向集成成3D电源封装。

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高功率方面以RECOM RPM/RPMB系列为例,30W的电源采用热增强25焊盘LGA封装(长宽各12.19mm、高3.75mm)。达到这样高的功率密度是因为内部使用了多层PCB,利用塞孔和盲孔达到良好的导热性并有效利用空间。正如地基是任何大型建筑物的关键一样,内部多层PCB的复杂热管理结构为安装在上方的功率器件提供了坚固的基础。 

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RPM内部PCB识图

该器件的结构为四层PCB板,由六面金属外壳封装以降低EMI。这种结构极薄,只需稍微大于1.4cm²的空间来适当散热即可在超过+85°C的环境温度下提供全功率。RPMB/RPMH的设计优点是复杂的结构全部在模块内部。最终用户可以选择低成本的两层PCB而非昂贵的塞孔,并在不依靠强制风冷(风扇)的情况下依然能够使用高性能的紧凑型SMT板载电源。 

RPM系列提供3种选项,焊盘设计均相同因此可以通用:

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非隔离型DC/DC模块最初是用来取代低效率的三端线性稳压器,但现在被广泛作为负载点稳压器使用,为集成度很高的IC(例如CPU、GPU和SoC设备)提供精确稳定的低压电源。为了比分立式解决方案更有优势,DC/DC模块的面积和高度必须降到最低,并在满足现代IC严格的法规和干扰标准要求的同时保持在低温下工作。要实现如此小的尺寸就意味着高效率,也就代表低开关频率和伴随而来的大尺寸输出电感,但这与所需的恰恰相反。然而改良后的半导体、转换器拓扑和磁性材料将频率推进MHz的范围,以较小的电感保持极高的效率。如此一来转换器设计人员就可以发挥创意在封装上实现惊人的微型化,甚至可以将电感集成到封装之中。例如,RECOM RPX系列的面积仅4.5mm x 4mm,采用QFN封装的高度仅2mm,同时提供高达2.5A的输出电流,峰值效率超过90%。更小的1A版本的尺寸仅3mm x 5mm x 1.6mm。能达到这样的功率密度是因为引线框架上采用了低成本倒装芯片的过模封装,附加的优势是紧密的开关电流环路所产生的EMI非常低,再加上高功率密度和优化的热性能,这些是分立式器件解决方案无法与之匹美的。 

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RECOM RPX系列的引线框架上倒装芯片结构

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目前所描述的都是非隔离型转换器,而当需要安全认证等级的隔离时,最小的X和Y尺寸就要取决于爬电距离和电气间隙。例如,使用主系统电压的医疗应用若要符合双重患者保护(2MOPP),输入和输出之间需要8mm的爬电距离。有了这个最小的封装尺寸,我们就可以采用更传统的方式将电源和控制IC的内部芯片引线键合至DVE SOIC-16引线框,然后按常规方法进行过模封装,而RECOM的R05CT05S就是如此设计的。该DC/DC转换器的变压器使用专利超薄平面型设计,具有5k VAC隔离电压和2MOPP增强隔离。转换器的高度仅2.65mm,加上隔离型DC/DC转换器的高度不会高于其他的SMT器件,因此非常适合卡式应用。R05CT05S提供完整的线性和负载调整以及外部使能输入等功能。RECOM R05CT05S的输出功率为500mW,具有5V输入和5V或3.3V输出,特别适合为高端医疗和工业应用中的隔离接口供电。

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