何為三維電源封裝3DPP？

在電子世界中，幾乎所有市場或應(yīng)用空間為了將系統(tǒng)性能最大化，都高度依賴電源子系統(tǒng)，其中包括電源、電源轉(zhuǎn)換設(shè)備、濾波器、保護(hù)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(biāo)（又稱作SWaP，與成本指標(biāo)結(jié)合時則為 SWaP-C）。

在不斷追求優(yōu)化 SWaP-C 的過程中，最好的方法是提高先進(jìn)的封裝技術(shù)，特別是三維電源封裝(3DPP?) 。3DPP? 是一種新的尖端組裝工藝，可達(dá)成最大功率密度和最小占地面積。當(dāng)應(yīng)用在表面貼裝 DC/DC 轉(zhuǎn)換器時，3DPP?可將高性能與最大功率密度和最小面積相結(jié)合，因此電源產(chǎn)品會比其他電源轉(zhuǎn)換模塊小得多，并且非常高效。

3DPP?技術(shù)通過將固有組件直接安裝到引線框架上，消除了對內(nèi)部印刷電路板 (PCB) 的需求，從而減少轉(zhuǎn)換組件所需的空間。舉一個數(shù)量級的例子，新推出的 3DPP?開關(guān)穩(wěn)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(shè)計人員可以采用更流線型的集成電源轉(zhuǎn)換PCB，無需追求昂貴的定制轉(zhuǎn)換器設(shè)計。3DPP?技術(shù)讓部件能有多種封裝類型，包括焊盤網(wǎng)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(yīng)用帶來極大的轉(zhuǎn)變。

RECOM 概述了這方面的價值主張和最新產(chǎn)品，

**實現(xiàn)小型化DC/DC轉(zhuǎn)換器**

為了更好地了解3DPP?和其他先進(jìn)封裝技術(shù)如何持續(xù)推動DC/DC轉(zhuǎn)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(shù)的進(jìn)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(fā)揮作用。

隨后發(fā)生了將這些分立式組件集成到現(xiàn)在被稱之為異構(gòu)集成的過程。電氣電子工程師協(xié)會 (IEEE) 電子封裝協(xié)會 (EPS) 異構(gòu)集成路線圖 (HIR) 針對異構(gòu)集成的定義如下：「異構(gòu)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(guān)者、行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者以及研討會和會議記錄的結(jié)晶，是該領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù) (SOTA) 的顛峰之作。大多數(shù)的開關(guān)電源拓?fù)洌ㄊ褂镁目刂频拈_關(guān)來調(diào)制從一個電壓到另一個電壓的電源轉(zhuǎn)換的拓?fù)洌?，關(guān)鍵的品質(zhì)因數(shù) (FOM) 驅(qū)動尺寸與電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率有關(guān)。開關(guān)頻率與儲能和濾波器組件（即變壓器、電感器、環(huán)形線圈、扼流圈、大容量、電解電容和安規(guī)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(chǎn)生的電感寄生效應(yīng)和較高開關(guān)頻率引起的快速電流轉(zhuǎn)換 [?v(t)=Ldi/dt* ] 會對轉(zhuǎn)換器的控制方案，傳動系統(tǒng)造成災(zāi)難性的電壓尖峰（也稱為瞬態(tài)）。系統(tǒng)的導(dǎo)體自然分離而產(chǎn)生的電容寄生效應(yīng)和高開關(guān)頻率引起的快速電壓轉(zhuǎn)換 [?i(t)=CdV/dt* ] ，會導(dǎo)致極糟的能量存儲和循環(huán)電流，而這些電流會在任何環(huán)節(jié)中以不受歡迎的方式冒出來。

電力電子設(shè)計越來越多使用寬帶隙 (WBG) 功率半導(dǎo)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(guān)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(xué)習(xí)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(yīng)該注意的是即使光是 WBG 器件的柵極驅(qū)動器電路就可能復(fù)雜得多，因為開關(guān)速度和瞬態(tài)都提高了，這與傳統(tǒng)硅功率半導(dǎo)體的設(shè)計規(guī)則是背道而馳。高頻磁性材料的進(jìn)步讓 WBG 解決方案有了關(guān)鍵的推動力，并且由于該領(lǐng)域的研究空白，在過去十年中受到了重點關(guān)注。

由于對減小封裝尺寸的需求、封裝引起的寄生效應(yīng)以及支持半導(dǎo)體的 SOTA 有了更深的理解，我們的焦點就可以轉(zhuǎn)到能夠支持和有助于 3DPP? 產(chǎn)品的異構(gòu)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(guān)）和無源器件（電阻器、電容器、電感器、二極管），并嵌入異構(gòu)排列中使它們更靠近。在某一時刻，甚至內(nèi)部封裝互連（即引腳、凸點、焊盤等）也會變得困難并引發(fā)不需要的寄生效應(yīng)?，F(xiàn)在有許多可以嵌入無源和有源器件的技術(shù)。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(fā)揮了巨大作用。這指的是將傳統(tǒng)的磁性組件，也就是將線圈繞在大磁芯上，轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂脟@在磁芯材料的 PCB 走線以得到更干凈、可嚴(yán)格控制，同時也是可重復(fù)且耐用的磁性組件。

圖 2 – RECOM RPX 系列負(fù)載點 (PoL) 轉(zhuǎn)換器的?3DPP??概**念

如同任何重大技術(shù)的突破一樣，必須要解決不少挑戰(zhàn)。將許多傳統(tǒng)的分離制造流程結(jié)合在一起需要自適應(yīng)供應(yīng)鏈和學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)曲線和相關(guān)的操作員培訓(xùn)。任何制造流程在經(jīng)歷轉(zhuǎn)變時供應(yīng)鏈的上下游都會產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，包括組件和耗材加工、購置新的設(shè)備、更嚴(yán)格的環(huán)境控制、增強質(zhì)量管理體系 (QMS) 監(jiān)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(shè)備的可靠性和使用壽命，取決于系統(tǒng)調(diào)節(jié)局部環(huán)境和組件溫度能力。雖然溫度肯定不是控制質(zhì)量指標(biāo)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(shè)備「熱舒適」始終是達(dá)到預(yù)期的工作參數(shù)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(yīng)的挑戰(zhàn)。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(jié)合了異質(zhì)材料的系統(tǒng)中，一個重大的熱挑戰(zhàn)是試著平衡不同的熱膨脹系數(shù) (CTE) 。這個挑戰(zhàn)在上述的異構(gòu)集成組件尤為明顯，因為會產(chǎn)生所有先前獨立流程的主要挑戰(zhàn)，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(zhuǎn)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(zhì)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(nèi)部PCB實現(xiàn)了高功率密度，利用塞孔和盲孔實現(xiàn)良好的導(dǎo)熱性和可用空間。

圖 3 – RECOM RPM 系列開關(guān)穩(wěn)壓器的內(nèi)部 3D 圖

有效地排出熱量也有助于將熱量散到更大的熱質(zhì)量（系統(tǒng)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(tǒng)層級上緩解熱量（散熱器、自然冷卻或強制風(fēng)冷、水冷底板或熱界面材料 (TIM) 等）。

3DPP???在關(guān)鍵應(yīng)用中的價值

我們很難在文章中將所有的3DPP?為產(chǎn)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(guān)鍵應(yīng)用的發(fā)展。

在電子領(lǐng)域很少有利益相關(guān)者不受到供應(yīng)鏈問題的影響，無論是供應(yīng)保證、原材料采購、假冒品、關(guān)稅，還是航運物流等方面。

在關(guān)鍵應(yīng)用中，因為幾乎沒有容錯的余地，使用3DPP?技術(shù)來整合流程可以幫助減輕上面列出的許多風(fēng)險和麻煩。這不僅將更多流程整合到一個制造團(tuán)隊以提高他們的能力（如采購、企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP)、質(zhì)量和組件工程），而且還迫使團(tuán)隊緊密合作和跳出思維框架以確保成功。突發(fā)的災(zāi)難事件（如天災(zāi)、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(xù)計劃 (BCP) 以盡快在工廠甚至國家之間轉(zhuǎn)移業(yè)務(wù)。

隨著流程和供應(yīng)鏈管理的整合，管理費用和物流成本也隨之降低。更嚴(yán)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(chǎn)品的可靠性，再加上規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，這就是推動 SWaP 優(yōu)化和年度降價率的關(guān)鍵秘訣。

關(guān)鍵應(yīng)用的一個例子是醫(yī)療設(shè)備（以及其他有高隔離或安全要求的例子），3DPP? 可以為這些應(yīng)用增加很多價值。根據(jù)操作員保護(hù)措施 (MOOP) 和患者保護(hù)措施的級別，需要不同程度的安全認(rèn)證醫(yī)療隔離等級。

圖 4 – 使用經(jīng)濟(jì)部件實現(xiàn)最高水平患者連接的醫(yī)療電源方案

RECOM 發(fā)布的 R05CT05S 實現(xiàn)了高水平的醫(yī)療級隔離，結(jié)合本文所述的3DPP? 優(yōu)勢，是一個很好的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器實例。這是一款經(jīng)濟(jì)型 0.5 W 部件，具有 5 V 標(biāo)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(wěn)壓器 (LDO) 供電。該轉(zhuǎn)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(yīng)用。該產(chǎn)品提供亮眼的醫(yī)療規(guī)格，2 x MOPP / 250 Vac 連續(xù)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(yīng)用的漏電流可忽略不計。非醫(yī)療應(yīng)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(dá) 140 °C，同時具有使能、同步和微調(diào)功能及欠壓鎖定。

需要注意的是這些價值主張也可應(yīng)用在非關(guān)鍵系統(tǒng)上，這些系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò) (CAN-bus)、通用串行總線 (USB) 或以太網(wǎng)供電 (PoE) 普遍存在于汽車、計算和消費應(yīng)用領(lǐng)域。

結(jié)論

在考慮電子產(chǎn)品路線圖的未來時，可能并不總是優(yōu)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(zhì)量因素都與封裝直接相關(guān)。

3DPP?和異構(gòu)集成在封裝方面，發(fā)展出革命性的躍進(jìn)，為電源解決方案和在整體系統(tǒng)層級上進(jìn)行SWaP-C優(yōu)化時應(yīng)予最優(yōu)先考慮。

審核編輯：劉清