48V生态系统和电力包装趋势

10月8日,2020年bob软件半导体故事通过阿杰萨图
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随着时间的推移,新兴的应用领域如汽车, 云计算,工业自动化和电信(5克)基础设施正受到更多关注。尽管应用领域不同,但在系统级实现电压转换和功率分配的方式有一个共同点。为了减少有效的碳足迹,系统需求变得越来越重要。因此,一个新的48伏生态系统正在开发和部署,以满足各种目标,包括非常高的效率。无论是电源、计算元件还是内存块,半导体都是解决这些问题的关键所在。本文的重点是讨论这些应用领域的市场和技术趋势,并分享创新电源封装平台如何满足电气和热需求的想法。bob软件

汽车

如今,大多数豪华车运行数百万行代码,最多可连接100个电子控制单元(ecu)[1]。汽车的电气化程度、舒适性特征和高级驾驶员辅助系统(ADAS)越高,对总功率预算的需求就越高。随着如今豪华车中提供的一些先进功能向标准车转移,在不牺牲电力系统效率的前提下,成本变得至关重要。如今,现有的车辆动力树直接由12V蓄电池供电,并连接到机械辅助负载(通常<5-7kW),如水泵和油泵、空调压缩机、主动侧倾控制、前照灯和尾灯。这些负荷,再加上满足企业平均燃油经济性(CAFE)标准和耗电ADAS系统更严格排放标准的附加要求,使得提高效率成为挑战。尽管汽车原始设备制造商(oem)多年来一直在用电气驱动部件替换机械驱动部件,但还需要更新的体系结构,如48V系统。在短期内,原始设备制造商及其一级(Tier1)供应商可能会选择双体系结构(12V和48V),直到将来永久性地转向48V电网。

汽车OEM和TIER1最近推出了几种轻度混合动力电动汽车(MHEV)解决方案。例如,奥迪推出了一种新的带式交流发电机系统(BAS),其容量为12千瓦,为其轻度混合动力汽车提供动力,同时还为传统的12伏系统安装了DC-DC转换器[2]。同样,戴姆勒也为其S级引入了一款集成启动发电机(ISG),容量高达16千瓦[2]。戴姆勒和奥迪一样,也在为传统的12V负载安装DC-DC转换器模块。Tier1供应商Valeo推出了其eCruise4u平台,将自动驾驶和48V混合动力系统结合在一起。作为该平台的产品之一,e4AWD巧妙地结合了集成式皮带起动发电机(iBSG)和电动后桥驱动(eRAD),为其MHEV系统增加了22kw的容量,从而降低了17%的燃油消耗。德尔福,另一个汽车Tier1,已经推出了一个48V混合动力系统,如图1所示,其中包括一个电子增压器,提高燃油效率15%。这个电子增压系统还可以使用动态跳过火(DSF)缸停用的概念,减少13%的二氧化碳排放量[2]。

图1:Delphi Technologies(原Delphi Automotive)的48V轻度混合动力系统

向48V电网的转变带来了一些好处,如线束横截面和重量减轻,从而使车辆更轻,减少排放。尽管转向架机械部件、舒适性和便利性特征以及其他系统的电气化有所帮助,但使用电机(<25kW)的轻度混合将带来显著的实际好处。一项估计[1]表明,MHEV将减少15%的二氧化碳排放量,这相当于70%的收益,而全混合动力系统的成本约为30%。显然,愿意支付额外的1500美元左右的轻度混合动力相比,约4500美元的一个完整的混合动力预计将创造MHEV汽车增长的动力。此外,48V电源网还将为车辆对一切(V2X)连接和ADAS的未来应用提供系统准备(负载控制点)。随着3到5级自动驾驶汽车在未来十年的大规模推出,ADAS系统的功率需求只会激增。目前的2级能力需要1kW的功率,而4级/5级系统需要10倍以上的功率。这一点,连同成本和排放效益,48V MHEV系统被视为通往不断扩大的电动汽车市场的门户。

云计算

如今,全球需要700多万个数据中心来管理每天从个人和商业用途创建的超过25亿字节的数据。在迄今为止已创建的44 zettabytes(44万亿千兆字节)数据中,90%的数据是在过去2年中创建的[3]。由于OTT流媒体服务、5G、物联网的出现(物联网)和社交媒体,大数据预计将显着变形云和边缘数据中心市场。典型的数据中心将提供数据存储,处理等服务,网络,和分配。为了管理这些服务,运营商需要数百兆瓦的巨大电力。高达40%的数据中心运营成本来自为服务器机架供电和冷却所需的能源[4]。电力使用效率(PUE)和总体拥有成本(TCO)是数据中心运营商降低成本和提高利用率的两个非常重要的指标。平均而言,从交流电网到单个服务器的微处理器的转换过程中,大约有30-35%的电力被浪费。沿着这条电源路径,主要可以在三个方面降低损耗—通用电源(UPS、电网到数据中心)、服务器机架电源和单个服务器电源。直到几年前,数据中心的设计是每个机架4到5千瓦,而现在每个机架的设计是10千瓦。将机架功率密度提高到30kW或更高将是未来的趋势[5]。因此,需要更小、更高效的电源,因为它们可以改善PUE,从而提高服务器密度和每英尺占地面积(美元/英尺)的额外收入。

图2:数据中心电力输送系统(来源:wiwynn[5])

在电源架构方面,当前数据中心设计为12V电源网,如图2所示。如汽车48V系统,数据中心的电源架构也支持转移到48V。转变导致较高的功率密度,较低的分配损耗(I2R损耗为16倍),效率更高,部署灵活性和具有成本效益的机架UPSS [5]。考虑到汇流排尺寸的减少,涡轮电容器数量和铜损耗,机架级别的好处是显而易见的。但是,挑战仍然是如何从48V到服务器板实现电压转换。为了向中央处理单元(CPU)核心电源和双数据速率(DDR)存储器块,传统上需要SUB 1.8V。为了更高的降压比(48V至1.8V),难以实现相似的转换电路的转换效率。每个电源转换级,包括AC-DC和DC到负载点,在机架电平时必须具有相似或更高的效率。为了满足系统级的通用度,较小的外形和更高功率的能力的半导体包装是关键。bob软件

5G基础设施

为了解决当前4G网络的缺点,5G网络应该能够处理大流量(以太网无线电)和大容量(物联网、连接密度和带宽),同时非常可靠(边缘计算、延迟)。关键的变化包括新的频谱、更多的站点和多址边缘计算。目前,4G-LTE网络传输带宽的理论极限约为150mbps,不能满足5G的要求,为了获得更高的带宽,5G网络采用更高频率的C频段。另外,大规模多输入多输出(MIMO)技术是提高吞吐量的关键。如图3所示,在拓扑结构方面,现有的4G网络支持分布式无线接入网(DRAN)架构,其中天线、远程无线电头(RRH)和基带单元(BBU)是分开的。然而,5G网络倾向于使用集中式或云(C-RAN)分发来整合基带功能,将它们从小区站点移动到一个集中的位置。在5G网络中,RRH和天线被集成,而BBU池位于边缘站点。BBU池(或核心网络)共享相同的物理基础设施,包括路由器、物理基础设施、电力和冷却系统等网络设备。然而,更多的站点和更高的计算要求将进一步增加网络能耗。

图3:4G LTE与5G网络拓扑

据电信运营商称,单频段5G设备的功耗可能是配置类似的4G设备功耗的350%[6]。5G BBU的功耗约为300W,而RRU在30%负载下的功耗约为900W(峰值约为1.4kW)。随着未来3年更多频段的增加,峰值功耗将增加到14kw左右。除此之外,随着毫米波的加入,峰值功率可能会增加到20千瓦[6]。虽然现有的4G电信电源设计为-48V,但这些电源设备与5G需求不兼容。在4G系统中,由于功率需求在1kw左右,供电电缆的绝对功率损耗往往较小。然而,在5G系统中,相同电缆长度的绝对损耗更高,导致沿电缆的电压降更高。与大多数电源一样,一旦电压降至“低输出电压”阈值以下,电源就会关闭。为了缓解这个问题,电源设计人员可以使用一个额外的DC-DC转换器,将电压水平提高到-57V左右,以实现有效运行[6]。因此,5G网络耗电量的增加给整个供电系统带来了挑战。

48V对半导体的冲击bob软件

与上述市场需求相一致,半导体供应商的新市场机会显著增加。在汽车行业,轻度混合动力部分目前约占总产量的1.5%至2%;然而,到本世纪末,预计将增长到15%左右。因此,由于采用了轻度混合动力系统,每辆车的功率半导体含量预计将增加约75美元/辆。类bob软件似地,随着超大规模和5G数据中心向48V电网的迁移,电力设备材料清单(BOM)将增加约40美元。最后,由于5G基础设施的部署,机柜和刀片电源需求都将增加对功率晶体管的需求。48V生态系统为半导体供应商提供了一个在这些应用领域应用协同效应的机会。从整体新市场机会来看,图4概述了关键应用程序细分和各自的增长前景。无论是48V的汽车和云计算,还是-57V的5G电源,其底层组装和测试业务也将在未来十年大幅增长。

图4:48V生态系统新的总可用市场(TAM)(Amkor估计)

技术趋势需要电力包装

考虑到目前为止所讨论的应用趋势,普通主题是客户需要高效,占用空间的功率半导体解决方案,非常可靠。bob软件超过30年,由于硅(SI)功率MOSFET技术,电源封装和电路拓扑的创新,电力转换效率和成本($ / W)显示出稳定的改进。虽然SI一直是主主,但Merit(Ron X QG,Ron X Qoss)的数字已达到Si的理论界。较新的材料系统,如氮化镓(GaN),已进入市场空间,提供更好的性能。然而,为了实现系统益处,包装技术不得限制可实现的电气和热效。从历史上看,功率器件包装从诸如-247和247等通孔封装的演变而来到220.将长引线连接到带有引线(如D2PAK)的表面贴装组件,DPAK公司SO-8公司. 此外,含铅封装已被无铅表面贴装选项取代,如无铅(伤亡人数)以及PQFN公司. 随着对提高功率密度和高可靠性解决方案的需求日益增长,包装行业必须提供创新的选择,以满足新兴趋势。客户可能需要通过双面冷却、芯片级封装和多芯片集成提供有效热管理的解决方案,以减少寄生。然而,在成本、性能和可靠性方面会有权衡。

汽车用例提供了一个有用的例子。皮带起动器发电机的应用需要约12kW,其中电力系统的中间轨道为48V。为电机供电的逆变器级使用额定电压高于48V的MOSFET,而电流高于500A。通常,多个MOSFET并联以满足全功率要求。在功率级中,设备在高侧和低侧支腿中并联以实现完整的3相实施,印刷电路板(PCB)空间是额外的,尤其是当功率级集成在电机内部时。D2Pak.7L是这种应用和瓦数情况下使用的普通封装,封装尺寸为15x10x4.4 mm。然而,当一个功率级需要多个封装时,空间就变得非常宝贵。与D2PAK类似,TOLL(11.7 x 9.9 x 2.3 mm)也是一个模压封装,已针对高功率和高可靠性应用进行了优化。但是伤亡人数(图5)提供30%的尺寸和> 50%的形状拟合,允许紧凑的设计和高电流能力和低热电阻(RTHJC)。另一个关键的关键方面正在不断发展汽车半导体的使命概况,该特使配置是在板级授权更高级别的可靠性。bob软件

图5:D2PAK 7L VS. Toll Power Packages

云和边缘数据中心中的服务器电源存在不同的电源需求,为CPU核心、DDR内存和备用导轨、风扇和驱动程序等负载点供电。对于首选分布式负载点(POL)架构的应用,单个封装中的功率块或功率级是最佳选择。由于集成的灵活性,包PQFN公司(图6)越来越流行。PQFN封装提供了范围,以提高芯片封装比和暴露散热器,从而在更高的功率密度为服务器电源。更大尺寸的PQFN通过使用铜(Cu)夹技术的芯片堆叠提供多个fet(功率块)的集成,如图6中PQFN双堆叠图片所示。另一种选择是将栅极驱动器与高侧和低侧功率FET(功率级)集成,以实现DrMOS等智能功率应用。这在图6中显示为一个单堆栈选项。此外,PQFN还应用于电信基础设施、基带板和DC-DC转换器等领域。

图6:PQFN多芯片配置

48V生态系统的电源封装趋势

作为领先的外包组装和测试(OSAT)供应商之一,Amkor在新兴的48V生态系统中拥有多样化的产品组合。这一强势地位源于全球业务以及与顶级半导体供应商的合作关系。bob软件电源包装由两个不同的工厂提供支持-马来西亚阿姆库尔(ATM)和日本福井阿姆库尔(ATJ6)。广泛地说,提供了一些创造价值的功能和技术优势,如先进的引线框架技术(XDLF)、铜夹互连、铝楔键合和节省空间的表面贴装、扁平引线设计。如前所述,电源封装已经从通孔(TO)型发展到表面贴装(SMD)封装。近年来,TOLL等贴片无铅封装越来越受到人们的关注。这些封装完全符合汽车电子委员会的AEC-Q101标准,具有足够的功率循环和车载温度循环(TCoB)能力。然而,在可靠性、当前能力或封装特性方面可能会出现限制。因此,下面将讨论一些新兴的包装理念,以满足新的48V生态系统电源包装市场的要求。

基于IPC International的IPC-9701标准,收费可以根据芯片尺寸和厚度满足1000个循环(车载)的标准要求。然而,需要高芯片与包装比和/或延长可靠性的设计人员可能会发现它具有挑战性。使用的典型板基材是FR4,基于Cu基金间基板(IMS)或基于Al的IMS。然而,当考虑基于Al的IMS的诸如诸如Al的IMS的基板选择时,由于巨大不同的热量系数,因此缩短的电路板级可靠性问题可能进一步恼怒。Cu引线框架和Al-IM之间的错配将导致焊料材料的压力更高,导致焊料疲劳和裂缝。通过在收费设计中采用鸥翼方法(见图7),TOLG可以显着提高可靠性水平,同时仍提供可比的热和电气性能。Gullwing设计的灵活性提供了可靠性性能的显着提高。由于在最终用户段中更改了使命概要,因此这成为必须的必要条件,其中扩展的压力和可靠性已成为关键系统要求。

图7:TOLG和LFPAK 8 x 8 mm包装

或者,随着Datacenter Server Farms迁移到48V架构,对地址举行的电力密度要求将是一个关键问题。提高功率器件数据的趋势仅仅可以乘坐设计师到目前为止。较新的包装,如LFPAK(见图7)在更大的体型中,如8 x 8毫米,将是一个很棒的补充。与传统的7L D2PAK相比,8×8毫米LFPAK.在机械尺寸上缩小了60%,但体积也缩小了80%。在互连技术方面,引线键合决定了当前发电产品的载流能力。在D2PAK的情况下,使用的焊线的最大直径为20密耳。然而,在LFPAK 8 x 8 mm中,通过使用铜夹技术进行互连,载流能力将高得多。通过夹持技术,引线键合产生的寄生电阻和电感显著减小。这种封装方法减轻了对可实现功率密度的一些担忧。

在服务器架构中,微处理器要求的快速瞬态响应时间导致了POL转换器和电压调节器的采用。在频率超过1兆赫的传统电力电子封装中,寄生阻抗是不够的。在这方面,Amkor正在探索用于功率晶体管(PowerCSP)的芯片级封装™ 包-如图8所示。这一创新概念是基于引线框架的芯片级封装,允许双面冷却,其中顶部/引线框架侧可以连接到散热器或水冷。封装的底部可以使用热通孔和电源铜层安装到PCB上。PowerCSP概念的主要优点是,它消除了导线键合和/或铜夹,从而降低了寄生电阻和杂散电感,从而分别降低了传导损耗和开关损耗。此外,PowerCSP的寄生电感减小有助于获得更高的开关频率和功率密度。与PQFN或LFPAK等塑料电源包相比,PowerCSP设计可以简化工艺流程,从而减少可靠性问题的可能来源。此外,PowerCSP封装将为多芯片集成提供一个网关,实现封装型解决方案中的转换器。

图8:PowerCSP™ 包装概念

摘要

在环境、经济和社会因素的推动下,对复杂电力电子解决方案的需求将增加,从而降低总体拥有成本。新兴的48V生态系统为电力半导体封装领域的蓬勃发展提供了一个门户。虽然电源封装已经成熟,但仍需要改进以满足新兴趋势。无论是提高芯片封装比,减少封装寄生,还是增加载流互连能力,广泛的现有组合和创新的新方法都可以提供解决方案。这需要强大的技术诀窍和良好的客户合作关系来应对这些挑战。Amkor不仅能够满足这些要求,而且具有在设备和设施方面进行重大投资的财务和技术实力bob软件,并为其汽车和其他电力客户提供长期支持。

作者:阿杰萨图,高级汽车战略营销经理

参考文献:

[1]. Manish Menon等人,“48V架构:原始设备制造商满足日益增长的排放标准的成本效益提案”,2018年8月14日
[2]. Automotive IQ等人,“48V技术的兴起——一本Automotive IQ电子书”,2018年8月14日
[3]. Branka Vuleta等人,“每天创建多少数据?,2020年1月30日
[4]. Energy Innovation等人,“数据中心实际使用了多少能源?,2020年3月17日
[5]. wiwynn等人,“48V:数据中心改进的电力传输系统”,2017年6月
[6]. 全球ICT能效峰会等,“5G电信电源目标网络”,2019年10月

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