【導(dǎo)讀】為了提高每塊板子的功率，在PCB上實(shí)現(xiàn)比以往更多的硅片，就得日益提高服務(wù)器設(shè)計(jì)的處理密度，而目前的DC/DC電源轉(zhuǎn)換器解決方案和技術(shù)還不足以達(dá)到這些功率等級(jí)。本文將討論電源行業(yè)在元件集成度、熱管理和與當(dāng)前最先進(jìn)技術(shù)相比超過(guò)雙倍DC/DC電源轉(zhuǎn)換器密度方面會(huì)有怎樣的發(fā)展趨勢(shì)。
用戶要求提高每塊板的功率，在PCB上實(shí)現(xiàn)比以往更多的硅片，結(jié)果是高端服務(wù)器設(shè)計(jì)中日益提高的處理密度對(duì)未來(lái)電源系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)影響。ICT數(shù)據(jù)服務(wù)器中每塊板的功率要求已經(jīng)從20世紀(jì)80年代早期的300W增加到今天的1kW以上，并且業(yè)界預(yù)測(cè)到2020年每塊板將要求達(dá)到35kW的功率。目前的DC/DC電源轉(zhuǎn)換器解決方案和技術(shù)還不足以達(dá)到這些功率等級(jí)。
今天，采用四分之一磚型封裝的1kW DC/DC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，其功率密度指標(biāo)在幾年前是無(wú)法想象的。在不遠(yuǎn)的將來(lái)可以采用更先進(jìn)的封裝和更高集成度的元件實(shí)現(xiàn)八分之一磚型的1kW轉(zhuǎn)換器嗎？
本文將討論電源行業(yè)在元件集成度、熱管理和與當(dāng)前最先進(jìn)技術(shù)相比超過(guò)雙倍DC/DC電源轉(zhuǎn)換器密度方面會(huì)有怎樣的發(fā)展趨勢(shì)。
3D封裝
目前的DC/DC電源轉(zhuǎn)換器的磚型封裝仍然是由平面兩維PCB結(jié)構(gòu)所主導(dǎo)，但要求更小封裝、更低高度器件和更小寄生阻抗的客戶應(yīng)用正在推動(dòng)技術(shù)向高密度3D封裝發(fā)展。
在這些大功率磚型封裝中3D封裝技術(shù)的使用是受限制的，但在嵌入有源和無(wú)源器件方面很有發(fā)展前途，而PCB供應(yīng)商將這個(gè)看作是向價(jià)值鏈上游轉(zhuǎn)移的重要機(jī)會(huì)，其中包括芯片堆疊、封裝堆疊以及通過(guò)二次成型實(shí)現(xiàn)元件嵌入。在這個(gè)領(lǐng)域中很重要的一點(diǎn)就是集成磁性材料，終極解決方案是在半導(dǎo)體晶圓上集成磁性元件。
在3D封裝中，最常見(jiàn)的技術(shù)是在PCB中嵌入(有源和無(wú)源)元件。在PCB結(jié)構(gòu)中嵌入元件可以幫助電源設(shè)計(jì)師顯著減小外形尺寸，增強(qiáng)冷卻能力，比如將驅(qū)動(dòng)器放在靠近開關(guān)器件的位置。這種方法通過(guò)小型化和精密控制高頻開關(guān)電路設(shè)計(jì)中的互連寄生阻抗可以加快提高性能和效率。今后更多元件的3D組裝將進(jìn)一步減小要求的外形尺寸，同時(shí)還能減小磁性元件的尺寸。
嵌入式元件可以給電源設(shè)計(jì)師提供明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，來(lái)自硅片行業(yè)的支持至關(guān)重要，符合標(biāo)準(zhǔn)化要求和認(rèn)證測(cè)試的有源和無(wú)源器件供應(yīng)鏈也是必需的。在合適的基礎(chǔ)設(shè)施條件下，嵌入式技術(shù)將是提高大功率應(yīng)用中功率密度的重要因素。由歐盟資助的Hermes計(jì)劃已經(jīng)成功地展示，大批量電源轉(zhuǎn)換器的尺寸減小40%是可行的。磁隔離加上嵌入技術(shù)有望提供增強(qiáng)型隔離功能。通過(guò)集成控制的反饋路徑也可能變成磁性路徑，從而可能實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)隔離型DC/DC電源轉(zhuǎn)換器解決方案。
元件
大功率DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率通常已經(jīng)針對(duì)500kHz左右或以下的工作頻率進(jìn)行了優(yōu)化。為了方便減小尺寸，提高功率密度，將開關(guān)頻率提高至2MHz及以上是有必要的，以便最大限度地減小磁體物理體積。最近剛剛商用的寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體器件，可以在超過(guò)5MHz的較高頻率點(diǎn)理想地工作，比如氮化鎵和砷化鎵開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管，已經(jīng)成為更高開關(guān)頻率的促進(jìn)器。新的DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)渖踔習(xí)㈤_關(guān)頻率提升到10MHz范圍。這將進(jìn)一步推動(dòng)對(duì)采用更小寄生元件的封裝要求，而這個(gè)要求完全可以利用3D集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
PCB中嵌入式元件的商用化有助于減小發(fā)揮更高頻率WBG器件優(yōu)勢(shì)所需的寄生阻抗，并有助于顯著改善大功率DC/DC轉(zhuǎn)換器的外形尺寸和效率。然而，更高開關(guān)速度依賴于低損耗高頻磁性材料創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)，這些創(chuàng)新將推動(dòng)商用大功率變壓器和電感解決方案用于大批量生產(chǎn)。
實(shí)現(xiàn)更高頻率的集成式磁性元件有多種可行的技術(shù)，包括先進(jìn)的磁芯設(shè)計(jì)和磁芯材料，以及空氣磁芯設(shè)計(jì)，它們能顯著提高效率和功率密度。磁體的微型化有多種實(shí)用的方法，包括不依賴于磁芯材料特性的空氣磁芯設(shè)計(jì)，它們也提供了生產(chǎn)方法方面的靈活性，以及使用不同3D集成技術(shù)的可能性，比如采用多層PCB中的嵌入式繞組以及帶集成式有源銅層的多層鐵氧體基板(見(jiàn)圖1)。
圖1：采用多層PCB中的嵌入式繞組以及帶集成式有源銅層的多層鐵氧體基板。
目前這些新技術(shù)僅限于較低功率的轉(zhuǎn)換器，但通過(guò)改進(jìn)磁性材料的工藝可進(jìn)一步改進(jìn)磁芯材料，并推廣至具有較大輸出電流的產(chǎn)品。即使在半導(dǎo)體晶圓中嵌入磁體實(shí)現(xiàn)3D集成的最終目標(biāo)以及完整的單片系統(tǒng)集成在未來(lái)也是完全可能的。
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熱管理
元件和封裝技術(shù)的不斷發(fā)展使得額定功率越來(lái)越高，以至于現(xiàn)在每立方厘米瓦數(shù)的功率密度比15年前用的老技術(shù)高出了一個(gè)數(shù)量級(jí)。市場(chǎng)上最新的磚型電源，比如愛(ài)立信的高功率密度864W四分之一磚型電源模塊，可提供37 W/cm3(600 W/in3)，這對(duì)高效的內(nèi)部熱管理提出了很高的要求。
因?yàn)榘雽?dǎo)體器件等電子元件對(duì)高溫很敏感，所以確保高功率密度磚型電源模塊中的元件能被正確冷卻，并以合理的溫度工作很重要。除非熱量傳導(dǎo)機(jī)制特別高效，否則電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和可靠性會(huì)受到損害。
可以用于冷卻電子設(shè)備的主要冷卻機(jī)制是傳導(dǎo)和對(duì)流。每個(gè)關(guān)鍵元件的元件功耗(Pd,comp)和元件結(jié)點(diǎn)到外殼熱阻(Rth, J-C)變得特別重要，因?yàn)樗鼈儧Q定了實(shí)際的結(jié)溫，而實(shí)際結(jié)溫將限制DC/DC轉(zhuǎn)換器的熱性能，也就是在最大輸出功率條件下允許的最大殼溫。
元件結(jié)點(diǎn)(或內(nèi)核)和外殼之間的溫差可以用下面這個(gè)公式計(jì)算：
因此，旨在倍增功率密度(75 W/cm3 或1200 W/in3) 的先進(jìn)冷卻技術(shù)和用于改善新興3D封裝組件熱性能的技術(shù)至關(guān)重要，它們將最終決定更高功率密度的可行性，而與任何改進(jìn)的元件技術(shù)無(wú)關(guān)。
許多標(biāo)準(zhǔn)元件不適合高密度或3D設(shè)計(jì)，因此它們沒(méi)有足夠的熱性能。在從DC/DC轉(zhuǎn)換器組件提供特別高功率時(shí)要滿足的其它熱設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括大電流分配、連接器技術(shù)、在45層板上的組裝，以及即使顯著增強(qiáng)的傳統(tǒng)冷卻技術(shù)也顯不足，比如現(xiàn)有的空氣對(duì)流。
二次成型很可能繼續(xù)成為用于提高熱性能的技術(shù)，但同時(shí)也很明顯，用于包括磁性元件和電容在內(nèi)的所有功率元件的熱增強(qiáng)型封裝將是大勢(shì)所趨，這種封裝允許從至少兩個(gè)對(duì)立面進(jìn)行冷卻，同時(shí)要求使用改進(jìn)的熱材料、工藝和冷卻技術(shù)。下面給出了這種3D封裝的一個(gè)例子。
功率元件不再是用裸片連接或熱界面材料安裝在PCB上，而是安裝在臨時(shí)載體上，周圍通過(guò)電鑄方式安裝散熱器。各種尺寸和厚度的元件可以集成在被稱為集成式熱陣列板(ITAP)的相同電路板上。當(dāng)載體拿走時(shí)，元件的底面和頂面是共面的，非常方便明確的和優(yōu)化了的熱連接。與采用環(huán)氧樹脂或焊接連接的傳統(tǒng)封裝元件相比，這種方法可以實(shí)現(xiàn)50%的熱阻改善，對(duì)固定結(jié)溫來(lái)說(shuō)也就是說(shuō)功耗可以高50%。
在聯(lián)合采用液體冷卻技術(shù)的堆疊芯片解決方案中，硅通孔也是一種潛在的解決方案。這里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明熱性能可以提高50%。使用直接綁定銅(DBC)技術(shù)的組件燒結(jié)代替焊接和熱油脂是另外一種可以顯著提高熱性能的技術(shù)。
其它潛在的冷卻技術(shù)包括針對(duì)某些大功率元件的液體傳導(dǎo)冷卻和針對(duì)中小功耗元件的強(qiáng)制空氣對(duì)流冷卻。使用被動(dòng)液體冷卻技術(shù)(如熱管道)解決局部熱點(diǎn)的方法可能變得更加普及。熱擴(kuò)散加上對(duì)流空氣冷卻可以延長(zhǎng)器件壽命，因?yàn)橥ㄟ^(guò)改進(jìn)的芯片連接技術(shù)可以減小元件封裝中的熱阻，但對(duì)于高功率密度的直流直流轉(zhuǎn)換器中要求最嚴(yán)格的大功耗元件來(lái)說(shuō)，可能要求主動(dòng)液體冷卻技術(shù)(如泵和雙相沸騰)。
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1kW的八分之一磚型電源模塊
在更大規(guī)模時(shí)將催生3D封裝和IC類型芯片級(jí)開發(fā)，包括集成功率磁性元件，它們會(huì)將功率電平提升到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前非隔離型降壓轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到的水平。平面磁性元件的使用已經(jīng)非常普及，電源轉(zhuǎn)換器組件很可能通過(guò)二次成型來(lái)提高熱性能。
圖2：愛(ài)立信的高功率密度864W四分之一磚型電源模塊。
然而，要求倍增功率密度的3D封裝和其它嵌入式技術(shù)的開發(fā)不能光靠DC/DC電源轉(zhuǎn)換器行業(yè)的推動(dòng)。大批量汽車和電機(jī)驅(qū)動(dòng)行業(yè)內(nèi)公司的大量投資是必需的，還要求得到功率元件行業(yè)的支持，以便提供合適的元件、標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范和認(rèn)證測(cè)試。
提高服務(wù)器設(shè)計(jì)中的處理密度肯定會(huì)繼續(xù)影響未來(lái)DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率密度。ICT數(shù)據(jù)服務(wù)器中每塊板的功率需求近年來(lái)有了極大地提高，在不遠(yuǎn)的將來(lái)預(yù)期每塊板要達(dá)到3kW至5kW的水平。另外，要求設(shè)備占用更少的占地空間，這意味著更高的總體功率密度。
3D封裝和其它嵌入式技術(shù)的開發(fā)肯定會(huì)顯著提高功率密度和熱管理性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和大批量生產(chǎn)都表明，用熱管理解決方案實(shí)現(xiàn)雙倍的功率密度是可行的，可將元件核心溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)可靠的工作，并有助于在不遠(yuǎn)的將來(lái)實(shí)現(xiàn)1kW的八分之一磚型電源模塊。主要挑戰(zhàn)在于低損耗甚高頻(>5MHz)磁設(shè)計(jì)和磁芯材料的開發(fā)。
圖3：采用二次成型的3D封裝案例。
