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採用3DPP封裝提高功率密度

供稿:RECOM Asia Pte. Ltd. 2020/11/16 9:58:07
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採用3D封裝技術提高功率密度!

儘管對更高性能和功率密度的需求不斷增長,低功率的DC/DC轉換器還是需要具有一定的性價比,經過一段時間的努力,製造商們針對這一需求推出了許多架構來滿足低成本製造的要求,例如儘量降低器件數量以及將變壓器和電感手工焊接到傳統PCB上。為了最大程度地減少PCB尺寸,通常採用通孔的安裝方法,但是這可能使組裝過程變得複雜,因為同一塊PCB板需要經過波峯焊和迴流焊兩道工序。

儘管每年售出數百萬個採用通孔安裝方式的DC/DC轉換器,但是RECOM的長期目標是開發出像其他標準器件一樣直接進行貼片焊接的版本,同時還需要具有超薄尺寸以符合當今流線型產品的設計要求。需注意的是,為了體現轉換器模塊相比分立器件設計的優勢,模塊尺寸必須儘可能的小,為達到這一點,DC/DC轉換器模塊必須通過利用Z方向集成成3D電源封裝。

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高功率方面以RECOM RPM/RPMB系列為例,30W的電源採用熱增強25焊盤LGA封裝(長寬各12.19mm、高3.75mm)。達到這樣高的功率密度是因為內部使用了多層PCB,利用塞孔和盲孔達到良好的導熱性並有效利用空間。正如地基是任何大型建築物的關鍵一樣,內部多層PCB的複雜熱管理結構為安裝在上方的功率器件提供了堅固的基礎。 

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RPM內部PCB識圖

該器件的結構為四層PCB板,由六面金屬外殼封裝以降低EMI。這種結構極薄,只需稍微大於1.4cm²的空間來適當散熱即可在超過+85°C的環境温度下提供全功率。RPMB/RPMH的設計優點是複雜的結構全部在模塊內部。最終用户可以選擇低成本的兩層PCB而非昂貴的塞孔,並在不依靠強制風冷(風扇)的情況下依然能夠使用高性能的緊湊型SMT板載電源。 

RPM系列提供3種選項,焊盤設計均相同因此可以通用:

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非隔離型DC/DC模塊最初是用來取代低效率的三端線性穩壓器,但現在被廣泛作為負載點穩壓器使用,為集成度很高的IC(例如CPU、GPU和SoC設備)提供精確穩定的低壓電源。為了比分立式解決方案更有優勢,DC/DC模塊的面積和高度必須降到最低,並在滿足現代IC嚴格的法規和干擾標準要求的同時保持在低温下工作。要實現如此小的尺寸就意味着高效率,也就代表低開關頻率和伴隨而來的大尺寸輸出電感,但這與所需的恰恰相反。然而改良後的半導體、轉換器拓撲和磁性材料將頻率推進MHz的範圍,以較小的電感保持極高的效率。如此一來轉換器設計人員就可以發揮創意在封裝上實現驚人的微型化,甚至可以將電感集成到封裝之中。例如,RECOM RPX系列的面積僅4.5mm x 4mm,採用QFN封裝的高度僅2mm,同時提供高達2.5A的輸出電流,峯值效率超過90%。更小的1A版本的尺寸僅3mm x 5mm x 1.6mm。能達到這樣的功率密度是因為引線框架上採用了低成本倒裝芯片的過模封裝,附加的優勢是緊密的開關電流環路所產生的EMI非常低,再加上高功率密度和優化的熱性能,這些是分立式器件解決方案無法與之匹美的。 

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RECOM RPX系列的引線框架上倒裝芯片結構

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目前所描述的都是非隔離型轉換器,而當需要安全認證等級的隔離時,最小的X和Y尺寸就要取決於爬電距離和電氣間隙。例如,使用主系統電壓的醫療應用若要符合雙重患者保護(2MOPP),輸入和輸出之間需要8mm的爬電距離。有了這個最小的封裝尺寸,我們就可以採用更傳統的方式將電源和控制IC的內部芯片引線鍵合至DVE SOIC-16引線框,然後按常規方法進行過模封裝,而RECOM的R05CT05S就是如此設計的。該DC/DC轉換器的變壓器使用專利超薄平面型設計,具有5k VAC隔離電壓和2MOPP增強隔離。轉換器的高度僅2.65mm,加上隔離型DC/DC轉換器的高度不會高於其他的SMT器件,因此非常適合卡式應用。R05CT05S提供完整的線性和負載調整以及外部使能輸入等功能。RECOM R05CT05S的輸出功率為500mW,具有5V輸入和5V或3.3V輸出,特別適合為高端醫療和工業應用中的隔離接口供電。

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審核編輯(夏琨)
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