电源包装趋势和48 v的生态系统

每过一年,新兴应用等领域汽车云计算,工业自动化、电信(5克)基础设施受到了更多的关注。虽然应用程序段是不同的,都有一个共性的电压转换和功率分布是如何实现在系统水平。系统要求正变得越来越重要,减少一个有效的碳足迹。因此,一个新的48 v生态系统被开发和部署,以满足不同的目标,包括很高的效率。其电源、是否计算元素或内存块,半导体是在满足这些需求的解决方案的关键。本文的重点是讨论市场和技术趋势在这些应用领域和分享思想如何包装平台创新力量正在努力满足电气和热需求。

汽车

今天大多数豪华车联网运行数百万行代码100电子控制单元(ecu) [1]。电气化程度越高,舒适的特性,和高级驾驶员辅助系统(ADAS)一辆车,更高的总功率预算的必要性。其中的一些高级特性,提供了在今天的豪华轿车,迁移到标准的汽车,成本就必须在不牺牲电力系统的效率。今天的现有的车辆动力树是直接从12 v电池动力机械辅助负载(通常是< 5 - 7千瓦)水和油泵等气候压缩机,主动辊控制、头灯,尾灯。这些负载,加上额外的需求,以满足更严格的排放标准从公司平均燃料经济性(咖啡馆)标准和耗电ADAS系统,使它具有挑战性的提高效率。虽然汽车原始设备制造商(oem)取代机械驱动组件与电气同行多年,有进一步需要更新的架构如48 v系统。在短期内,厂商和他们的一级(Tier1)供应商可能会选择双重架构(12 v和48 v)直到永久转移到48 v电力网在未来发生。

汽车oem和Tier1s介绍了轻度混合动力电动汽车(MHEV)解决方案。例如,奥迪也引入了一个新的带发电机系统(BAS)的能力12 kW powerup轻度混合动力汽车的同时也实现遗留12 v的直流-直流转换器系统[2]。同样,戴姆勒(Daimler)引入了一个集成起动发电机(研究小组)的s级16千瓦的能力[2]。戴姆勒,像奥迪,也是实现遗留12 v的直流-直流转换器块负载。Tier1法雷奥供应商介绍其eCruise4u平台,结合自动驾驶和48 v混合动力系统。这个平台的产品之一,e4AWD巧妙结合了一个集成的皮带起动发电机(iBSG)和电力驱动后桥驱动(eRAD),增加22千瓦MHEV系统能力,从而减少燃料消耗17%。德尔福,另一个汽车Tier1,引入了一个48 v混合系统,如图1所示,其中包括一个e-supercharger提高燃料使用率达15%。这个e-supercharger系统也可以使用动态跳过火(DSF)汽缸钝化作用的概念,减少二氧化碳排放量13% [2]。

图1:48 v轻度混合动力系统从德尔福技术(原名德尔福汽车)

转向一个48 v电力网使许多好处比如线束截面和体重减少,导致更轻的车辆和减排。虽然在转向架机械组件的电气化,舒适和方便的特性,和其他系统帮助,轻微的杂交利用汽车(< 25千瓦)将会产生重大的实实在在的利益。估计[1]表明MHEVs将二氧化碳排放量减少15%,这数量大约70%的收益大约30%的全混合动力系统成本。显然,愿意支付额外的1500美元左右的轻度混合动力汽车相比,约4500美元全混合动力将创建一个MHEV车辆增长的动力。此外,48 v电源网也将会提供系统准备就绪(荷载点控制)为未来的应用程序在两个vehicle-to-everything (V2X)连接和ADAS。水平的大规模推出3 - 5无人驾驶汽车将在未来十年,ADAS系统的电力需求只会增加。当前二级能力需要电力功率1千瓦的顺序,而四级/ 5级系统需要10倍更多的权力。随着成本和排放的好处,这48 v MHEV系统被视为网关扩大电动汽车市场。

云计算

今天,超过七百万个世界各地的数据中心需要管理超过250亿亿字节的数据,每一天创建了从个人和商业用途。的44个字节(44万亿字节)数据,创建了到目前为止,90%的数据创建在过去2年[3]。由于过多的出现(OTT)流媒体服务,5克、物联网(物联网),和社交媒体,大数据预计变形云计算和数据中心市场显著边缘。一个典型的数据中心将提供服务,如数据存储、处理、网络和分布。为了管理这些服务,运营商需要大量的电力的几兆瓦的100年代。多达40%的数据中心的运营成本来自于所需要的能量和很酷的机架式服务器[4]。电力使用效率(PUE)和总拥有成本(TCO)是两个非常重要的指标数据中心运营商降低成本和提高利用率。平均而言,大约30 - 35%的力量浪费在转换从交流电网到微处理器的服务器。沿着这个路径,可以减少损失主要在三个领域——通用电源(UPS, grid-to-data中心),服务器机架电源,和个人服务器电源。直到几年前,数据中心是为4到5千瓦每架和现在他们10千瓦每架。架增加功率密度30千瓦以上将成为未来趋势[5]。因此,小型、高效的电力供应是必要的,因为他们可以改善PUE,导致更大的服务器密度每英尺的店面和额外收入(美元/米)。

图2:数据中心动力输送系统(来源:wiwynn [5])

power体系结构而言,目前的数据中心设计为12 v电源网络如图2所示。像汽车48 v系统,数据中心的权力架构还支持转向48 v。的转变导致更高的功率密度,降低配电损失(16 x I2R损失),更高的效率、部署灵活性和成本效益在摇滚ups [5]。架水平的好处是显而易见的,考虑到减少母线上浆,涡轮电容器,铜的损失。然而,挑战仍在如何实现从48 v电压转换到服务器。权力的中央处理单元(CPU)的核和双数据速率(DDR)内存块,传统上下标1.8 v是必需的。降压率提高(48 v 1.8 v),实现类似的转换电路转换效率是很困难的。每个能量转化阶段,包括DC直流和直流负载,必须有类似的在架级别或更高效率。以满足系统级一致,小的外形和更高的功率半导体封装能力是关键。

5克的基础设施

为了解决当前4 g网络的缺点,5 g网络应该能够处理大型交通(无线以太网)和大容量(物联网,连接密度和带宽),同时非常可靠(边计算,延迟)。包括一个新的频谱的关键变化,更多的网站,和多路存取的边缘计算。目前,理论极限的4 g LTE网络的传输带宽约为150 Mbps,而不能满足5 g的要求。实现更高的带宽,5 g网络使用一个更高频率的c波段。此外,大规模的多输入多输出(MIMO)技术的关键是提高吞吐量。如图3所示,拓扑而言,现有的4 g网络支持分布式无线接入网络(DRAN)体系结构的天线,远程无线头(RRH)和基带单元(BBU)是分开的。然而,5 g网络倾向于集中整合基带或云(C-RAN)分布函数,将他们从细胞网站一个集中的位置。在5 g网络,预计RRH和天线集成在BBUs池边缘的网站。BBU池(或核心网络)共享同一物理基础设施,包括网络设备如路由器、物理基础设施、电力和冷却系统。然而,更多的网站和更高的计算的需求将进一步增加网络能耗。

图3:4 g LTE和5 g网络拓扑

根据电信运营商,一个乐队的电力消耗5 g设备也许350%的4 g类似的配置[6]。5 g BBU消耗约300 w而RRU消耗约900 w负载30% ~ 1.4 kW(峰值)。随着越来越多频带被添加在未来3年,峰值功率消耗将增加到14个千瓦。除此之外,外加mm-wave,峰值功率可能会增加20千瓦[6]。尽管现有的4 g电信在-48 v电源的设计,这些供电单位不兼容5 g的需求。供电电缆的绝对权力损失4 g系统倾向于较小的电力需求的1千瓦。然而,绝对的损失同样的电缆长度在5 g系统中,高沿电缆导致更高的电压降。如同大多数电力供应,一旦电压低于一个阈值低的输出电压,电源关闭了。为了缓解这个问题,电源设计者可以使用一个额外的电源转换器提高约-57 v的电压水平有效操作[6]。因此,5 g网络能耗的增加对整个供电系统带来的挑战。

48 v对半导体的影响

符合市场需求上面所讨论的,在新的市场机会有显著增加半导体供应商。在汽车行业,轻度混合动力车市场大约是1.5%到2%的总生产今天;然而,通过十年结束时,它预计将增长约15%。因此,功率半导体元件内容每辆车预计将增加约75美元/车辆由于采用轻度混合动力系统。同样,迁移至48 v电力净hyper-scale和5 g的数据中心,电力设备物料清单(BOM)将增加约40美元。最后,由于5 g基础设施部署、内阁和叶片供电需求将增加功率晶体管的必要性。48 v生态系统提供了一个机会为半导体供应商应用协同效应在这些应用领域。从整体的新的市场机遇,图4概述了各自关键应用领域和发展前景。是否48 v在汽车和云计算5 g或-57 v电源,底层的组装和测试业务也将在未来10年显著增长。

图4:48 v生态系统新总可用市场(TAM)(公司估计)

技术趋势,需要包装

考虑到目前为止讨论的应用趋势,共同的主题是客户需要电力半导体解决方案,高效,占用更少的空间,并且非常可靠。30多年来,电力转换效率和成本(美元/ W)仍显示出稳定的改善由于硅(Si)功率MOSFET的创新技术,电力包,和电路拓扑。但如果是主力,数据的价值(Ron x路上,罗恩x qos)达到了Si的理论界限。新材料系统,如氮化镓(GaN),已经进入了市场空间提供更好的性能。然而,实现系统的好处,不得限制包装技术可实现的电和热的好处。历史上,电源设备包装已经从- 247和通孔包等- - - - - - 220长会导致表面安装组件与D2PAK等领导,DPAK,所以8。此外,含铅包已经取代使得没有表面挂载选项如无铅(人数),PQFN。与日益增长的需要增加功率密度和高度可靠的解决方案,包装行业必须交付创新的选项来满足新兴趋势。客户需要提供有效的热管理解决方案通过dual-side冷却,芯片级包装,减少寄生和multi-die集成。然而,会有取舍的成本、性能和可靠性。

汽车用例提供了一个有用的例子。皮带起动发电机应用程序需要大约12 kw,中档的电力系统在48 v。逆变器阶段启动电动机使用场效应管额定高于48 v,电流高于500。一般来说,多个场效电晶体平行,以满足全功率要求。在设备的功率级,平行的高端和下部腿来实现一个完整的三相、印刷电路板(PCB)溢价空间尤其是阶段是集成在电机本身的力量。D2PAK7 l,一个这样的应用程序中常用的包和功率情况下,包的大小15 x10x4.4毫米。然而,当几包所需的功率级,空间变得溢价。类似于D2PAK,人数(11.7 x 9.9 x 2.3毫米)也是一个成型方案,优化了高功率和高可靠性的应用程序。但人数(图5)提供30%的维度和> 50%小壳式允许紧凑的设计和高电流能力和较低的热阻(RthJC)。需要注意的另一个关键方面是汽车半导体发展的任务配置文件,授权在董事会层面更高水平的可靠性。

图5:D2PAK 7 l与人数权力包

不同的电力需求存在服务器电源在云数据中心和边缘,供电CPU核,DDR内存和加载点,如备用rails,球迷,和司机。分布式应用程序的负载(POL)架构是首选,权力在一个包块或功率级是一个最佳的选择。与集成的灵活性、包等PQFN(图6)正变得越来越受欢迎。PQFN包提供改善死包比范围和接触散热片,导致更高的功率密度服务器电源。大体型PQFNs提供集成的多场效应晶体管(权力集团)通过模叠加使用铜(铜)剪辑技术所示PQFN双堆栈图如图6所示。另一个选择是整合与高端门驱动器和下部电力场效应晶体管(功率级)DrMOS等实现智能电力应用程序。这是作为一个堆栈选项,如图6所示。此外,PQFNs用于应用程序(如电信基础设施、基带董事会和直流-直流转换器。

图6:PQFN Multi-die配置

电源包装趋势48 v的生态系统

作为一个领先的外包组装和测试(OSAT)供应商,公司拥有一个多样化的投资组合提供新兴48 v的生态系统。这种强势地位源于全球存在与顶尖半导体供应商和合作伙伴。权力的包装支持两个不同的工厂位置——公司马来西亚(ATM)和公司日本福井(ATJ6)。广泛地说,等的价值创造功能和技术优势提供先进的引线框架技术(XDLF)、铜夹互联、铝(Al)楔形键,和节省空间的表面装配,平面设计。正如前面所讨论的,权力包装已经从通孔()类型表面山(SMD)包。最近,SMD无铅包如人数已经得到了更多的关注。这些包完全有资格对汽车电子委员会AEC-Q101标准有足够动力循环和临时(TCoB)功能。然而,限制可能出现的可靠性,目前的能力,或包教父的前面。因此,一些新兴包装下面讨论想法来满足新的48 v生态系统力量的要求包装市场。

基于IPC国际的IPC - 9701标准,人数可以满足标准要求的1000周期(车载)根据模具尺寸和厚度。然而,设计师需要一个高死包比和/或扩展的可靠性可能会发现它具有挑战性。典型的董事会FR4基板使用,铜金属间化合物基板(IMS),或Al-based IMS。然而,当一个衬底选择Al-based IMS等考虑,董事会级别的可靠性问题人数可能进一步恶化由于截然不同的热系数。铜引线框架之间的不匹配和Al-IMS将导致更高的压力焊接材料,造成焊接疲劳和裂缝。通过使用人数的鸥翼的方法设计(见图7),图戈可以显著提高可靠性水平,同时仍然提供可比的热能和电气性能。gullwing设计的灵活性提供了在可靠性性能得到显著改善。这必需由于改变任务配置文件在终端用户细分,在扩展压力和可靠性已成为一个关键系统的要求。

图7:图戈和LFPAK 8 x 8毫米包

另外,作为数据中心服务器农场迁移到48 v架构,功率密度要求解决PUE将是一个关键问题。改善功率器件的发展趋势数据的价值只能设计师到目前为止。更新包,比如LFPAK(参见图7)在更大的身体大小,像8 x 8毫米,将是一个巨大的补充。与传统的7 l D2PAK相比,一个8×8 mmLFPAK60%体积较小尺寸的机械还低80%。的互连技术,导线债券确定当前电力产品的载流能力。D2PAK的情况下,债券的最大直径的电线使用20毫升。然而,LFPAK 8 x 8毫米,通过使用铜互联剪辑技术、载流能力将高得多。寄生电阻和电感线债券是最小化显著的剪辑技术。这种包装方法缓解一些问题的可实现的功率密度。

在服务器架构,fast-transient响应时间要求的微处理器导致采用波尔转换器和电压调节器。传统电力电子的寄生阻抗包,运行频率为1 MHz,并不足够。在这方面,公司正在探索电力晶体管芯片大小包装- PowerCSP包,如图8所示。这种创新的概念是一个leadframe-based芯片大小包装,允许双面冷却/引线框架顶部方可以连接到散热器或水冷却。底部一侧的包可以使用热通过安装在印刷电路板和权力铜层。PowerCSP概念的关键优势是,它消除了导线债券和/或铜夹,导致低寄生电阻和寄生电感从而减少传导损失和切换损失,分别。此外,减少寄生电感的PowerCSP有助于实现更高的开关频率和功率密度。相比塑料包如PQFN或LFPAK, PowerCSP设计可以采用一个简化的流程流从而减少可能的来源的可靠性问题。此外,PowerCSP包装将提供一个网关multi-die集成实现converter-in-package类型的解决方案。

图8:PowerCSP包的概念

总结

由于环境、经济和社会因素,对复杂电力电子解决方案的需求,减少总体拥有成本,将会增加。新兴的48 v生态系统提供了一个网关电力半导体封装领域蓬勃发展。虽然力量包装是成熟,有必要进行改进以满足新兴趋势。是否改善包比死亡,减少包寄生或增加载流互联能力,一个广泛的现有投资组合和创新的新方法可以提供解决方案。这需要强大的技术和完善的客户合作兑现这些挑战。公司不仅可以满足这些需求,也有资金和技术力量进行大规模的投资设备和设施,为其汽车和其他电力客户提供长期支持。

引用:
[1]。Manish梅农et al,”48 v架构:一个具有成本效益的命题oem满足日益增长的排放标准”,2018年8月14日
[2]。汽车智商等,“48 v技术的兴起——汽车智商电子书”,2018年8月14日
[3]。Branka Vuleta et al,“每天创建多少数据?”,2020年1月30日
[4]。能源创新等,“数据中心真的使用多少能量?”,3月17日,2020年
[5]。wiwynn et al,“48 v:一种改进的功率输出系统数据中心”,2017年6月
[6]。全球ICT能效峰会等,“5 g电信电源目标网络”,2019年10月