電子發燒友App
何為三維電源封裝3DPP？
在電子世界中，幾乎所有市場或應用空間為了將系統性能最大化，都高度依賴電源子系統，其中包括電源、電源轉換設備、濾波器、保護裝置和互連（連接器、電線、電纜、電路板走線等）。因此，重點在于尺寸、重量和功率指標（又稱作SWaP，與成本指標結合時則為 SWaP-C）。
在不斷追求優化 SWaP-C 的過程中，最好的方法是提高先進的封裝技術，特別是三維電源封裝(3DPP?) 。3DPP? 是一種新的尖端組裝工藝，可達成最大功率密度和最小占地面積。當應用在表面貼裝 DC/DC 轉換器時，3DPP?可將高性能與最大功率密度和最小面積相結合，因此電源產品會比其他電源轉換模塊小得多，并且非常高效。
3DPP?技術通過將固有組件直接安裝到引線框架上，消除了對內部印刷電路板 (PCB) 的需求，從而減少轉換組件所需的空間。舉一個數量級的例子，新推出的 3DPP?開關穩壓器RPX-1.0的尺寸僅 3 mm x 5 mm x 1.6 mm，幾乎與集成電路 (IC) 一樣小。尺寸的減小使工程師和設計人員可以采用更流線型的集成電源轉換PCB，無需追求昂貴的定制轉換器設計。3DPP?技術讓部件能有多種封裝類型，包括焊盤網格陣列 (LGA)、鷗翼型、四方扁平無引線 (QFN)、銅柱凸塊及焊球，為空間受限的應用帶來極大的轉變。
**實現小型化DC/DC轉換器**
為了更好地了解3DPP?和其他先進封裝技術如何持續推動DC/DC轉換器的小型化，明智的做法是先深入地研究各種封裝以及組件技術的進程。
將原本分立的元器件組合成一個組件并不是一個新概念，但這種方法在過去幾十年里有了很大的突破。在電源解決方案中，集成模塊通常指的是分立式組件被緊密地裝在薄薄的 FR-4 上面（也稱為 PCB），然后用某種塑料或金屬蓋覆蓋封裝。這些蓋子主要是為了美觀，給人一種單獨的、類似 IC 組件的錯覺，而金屬蓋也可以在電磁干擾 (EMI) 或熱緩解方面發揮作用。
隨后發生了將這些分立式組件集成到現在被稱之為異構集成的過程。電氣電子工程師協會 (IEEE) 電子封裝協會 (EPS) 異構集成路線圖 (HIR) 針對異構集成的定義如下：「異構集成是指將單獨制造的組件集成到單個更高級別的封裝之中，以提高功能和改善操作特性。」
HIR 是眾多利益相關者、行業領導者以及研討會和會議記錄的結晶，是該領域先進技術 (SOTA) 的顛峰之作。大多數的開關電源拓撲（使用精心控制的開關來調制從一個電壓到另一個電壓的電源轉換的拓撲），關鍵的品質因數 (FOM) 驅動尺寸與電源轉換器的開關頻率有關。開關頻率與儲能和濾波器組件（即變壓器、電感器、環形線圈、扼流圈、大容量、電解電容和安規電容等）的尺寸成反比，這些組件通常決定電源的整體尺寸和重量。
較長互連產生的電感寄生效應和較高開關頻率引起的快速電流轉換 [?v(t)=Ldi/dt* ] 會對轉換器的控制方案，傳動系統造成災難性的電壓尖峰（也稱為瞬態）。系統的導體自然分離而產生的電容寄生效應和高開關頻率引起的快速電壓轉換 [?i(t)=CdV/dt* ] ，會導致極糟的能量存儲和循環電流，而這些電流會在任何環節中以不受歡迎的方式冒出來。
電力電子設計越來越多使用寬帶隙 (WBG) 功率半導體（即氮化鎵或 GaN、碳化硅或 SiC 等），這也帶來了最好和最壞的一面。WBG 器件能顯著提高開關頻率以及更高的熱 FOM（增強可靠性和功率密度），但同時也可能具有陡峭的學習曲線，以搭配改善后的功率密度FOM。雖然超出了討論范圍，但應該注意的是即使光是 WBG 器件的柵極驅動器電路就可能復雜得多，因為開關速度和瞬態都提高了，這與傳統硅功率半導體的設計規則是背道而馳。高頻磁性材料的進步讓 WBG 解決方案有了關鍵的推動力，并且由于該領域的研究空白，在過去十年中受到了重點關注。
由于對減小封裝尺寸的需求、封裝引起的寄生效應以及支持半導體的 SOTA 有了更深的理解，我們的焦點就可以轉到能夠支持和有助于 3DPP? 產品的異構集成的其他組件上。縮小整體電源解決方案等同于也要縮小其他有源器件（IC、開關）和無源器件（電阻器、電容器、電感器、二極管），并嵌入異構排列中使它們更靠近。在某一時刻，甚至內部封裝互連（即引腳、凸點、焊盤等）也會變得困難并引發不需要的寄生效應。現在有許多可以嵌入無源和有源器件的技術。雖然不會在此深入探討，但值得注意的是使用平面磁體已發揮了巨大作用。這指的是將傳統的磁性組件，也就是將線圈繞在大磁芯上，轉變為使用圍繞在磁芯材料的 PCB 走線以得到更干凈、可嚴格控制，同時也是可重復且耐用的磁性組件。
圖 2 – RECOM RPX 系列負載點 (PoL) 轉換器的?3DPP??概**念
如同任何重大技術的突破一樣，必須要解決不少挑戰。將許多傳統的分離制造流程結合在一起需要自適應供應鏈和學習曲線。子組件可能需要額外的流程步驟，因此可能需要前往不同地方，或者將流程合并成一體的操作，而流程自我蠶食可能會存在學習曲線和相關的操作員培訓。任何制造流程在經歷轉變時供應鏈的上下游都會產生連鎖效應，包括組件和耗材加工、購置新的設備、更嚴格的環境控制、增強質量管理體系 (QMS) 監督、功能測試、檢查和返工、處理和處置危險材料等。
改善熱密度和功率密度的FOM
電子設備的可靠性和使用壽命，取決于系統調節局部環境和組件溫度能力。雖然溫度肯定不是控制質量指標的唯一因素（最小、最大或降額工作溫度、平均故障間隔時間或 MTBF、平均故障時間或 MTTF、故障率或 FIT 等），但保持電子設備「熱舒適」始終是達到預期的工作參數和使用壽命的好方法。
3DPP?將組件擠在更小的空間里，會面臨來自熱效應的挑戰。這可能會以輻射熱的形式影響隔壁鄰居，但可以透過移除大組件中的空白空間來降低熱量，畢竟空氣是極好的絕緣體（無論是熱絕緣還是電絕緣）。在任何結合了異質材料的系統中，一個重大的熱挑戰是試著平衡不同的熱膨脹系數 (CTE) 。這個挑戰在上述的異構集成組件尤為明顯，因為會產生所有先前獨立流程的主要挑戰，將金屬、陶瓷、玻璃纖維、各種油墨、膠水或粘合劑，以及其他材料全部組合在一起。
在另一面，3DPP?還提供更多的機會將熱量從源頭轉移到更快且更有效地緩解熱量的地方。減少外部引腳并將表面貼裝器件 (SMD) 電源模塊直接連接到PCB的方法，能確保散熱和質量（例如減少了人工插入引腳、焊點等問題）。如下圖所示，多層的內部PCB實現了高功率密度，利用塞孔和盲孔實現良好的導熱性和可用空間。
圖 3 – RECOM RPM 系列開關穩壓器的內部 3D 圖
有效地排出熱量也有助于將熱量散到更大的熱質量（系統電源平面層、更大的鋪銅或相鄰組件等），而封裝外部也可以更好地在系統層級上緩解熱量（散熱器、自然冷卻或強制風冷、水冷底板或熱界面材料 (TIM) 等）。
3DPP???在關鍵應用中的價值
我們很難在文章中將所有的3DPP?為產品帶來的好處和功能論述完。雖然本文已列出許多因素，但還有一些因素在背后推動了關鍵應用的發展。
在電子領域很少有利益相關者不受到供應鏈問題的影響，無論是供應保證、原材料采購、假冒品、關稅，還是航運物流等方面。
在關鍵應用中，因為幾乎沒有容錯的余地，使用3DPP?技術來整合流程可以幫助減輕上面列出的許多風險和麻煩。這不僅將更多流程整合到一個制造團隊以提高他們的能力（如采購、企業資源規劃 (ERP)、質量和組件工程），而且還迫使團隊緊密合作和跳出思維框架以確保成功。突發的災難事件（如天災、政治動蕩等）凸顯了這些要點的重要性，因為必須啟動營運持續計劃 (BCP) 以盡快在工廠甚至國家之間轉移業務。
隨著流程和供應鏈管理的整合，管理費用和物流成本也隨之降低。更嚴格地控制和自動化組件的組裝工藝和制造流程（尤其是磁性組件）能夠提高產品的可靠性，再加上規模經濟效益，這就是推動 SWaP 優化和年度降價率的關鍵秘訣。
關鍵應用的一個例子是醫療設備（以及其他有高隔離或安全要求的例子），3DPP? 可以為這些應用增加很多價值。根據操作員保護措施 (MOOP) 和患者保護措施的級別，需要不同程度的安全認證醫療隔離等級。
圖 4 – 使用經濟部件實現最高水平患者連接的醫療電源方案
RECOM 發布的 R05CT05S 實現了高水平的醫療級隔離，結合本文所述的3DPP? 優勢，是一個很好的 DC/DC 轉換器實例。這是一款經濟型 0.5 W 部件，具有 5 V 標稱輸入和 3.3 V 、5 V、3.7 V 或 5.4 V 的可選輸出，可為低壓差穩壓器 (LDO) 供電。該轉換器采用緊湊的 10.3 mm x 7.7 mm SMD 封裝，高度僅 2.65 mm，非常適合空間受限的應用。該產品提供亮眼的醫療規格，2 x MOPP / 250 Vac 連續額定值以及符合 IEC/EN 60601-1 的 5 kVac 隔離電壓。耦合電容僅 3.5 pF，250 Vac / 50 Hz 應用的漏電流可忽略不計。非醫療應用時額定值更加出色，符合EN 62368-1 的 800 Vac 增強型隔離。功率降額工作溫度高達 140 °C，同時具有使能、同步和微調功能及欠壓鎖定。
需要注意的是這些價值主張也可應用在非關鍵系統上，這些系統仍然需要為外部通信端口等地方提供低功率隔離，例如控制器局域網絡 (CAN-bus)、通用串行總線 (USB) 或以太網供電 (PoE) 普遍存在于汽車、計算和消費應用領域。
結論
在考慮電子產品路線圖的未來時，可能并不總是優先想到封裝議題，但正如本文所論述的那樣，有許多重要的性能和質量因素都與封裝直接相關。
3DPP?和異構集成在封裝方面，發展出革命性的躍進，為電源解決方案和在整體系統層級上進行SWaP-C優化時應予最優先考慮。
審核編輯：劉清
工商網監
評論