博客

随着每年通过的，新兴增长应用领域如Automotive， 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

Automotive

今天大多数奢侈品车辆运行数百万线代码网络，最多100个电子控制单元（ECU）[1]。在汽车中的电气化，舒适性和先进的驾驶员辅助系统（ADA）越高，对总功率预算的需求越高。作为这些先进功能的一些，今天在豪华车迁移到标准汽车时，成本变得迫切，而不会牺牲电力系统的效率。今天现有的车辆电源树直接从12V电池供电，以便机械辅助载荷（通常<5-7 kW），如水和油泵，气候压缩机，主动滚动控制，前灯和尾灯。这些负载结合了满足企业平均燃料经济性（咖啡厅）标准和富力耗能的ADAS系统的额外要求，以满足企业平均燃料经济性（CAFE）标准和耗电的ADAS系统，使其充满努力提高效率。虽然汽车原始设备制造商（OEM）已经用电气对应物更换机械驱动的部件多年，但还需要进一步需要48V系统等较新的架构。在短期内，OEM及其第一（Tier1）供应商可以选择双重架构（12V和48V），直到将来发生永久转换到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]。

转换到48V电源网可以实现多种益处，例如布线线束横截面和减轻重量，导致较轻的车辆和减少减少。虽然在转向架中的机械部件的电气化，舒适性和便利性和其他系统有助于，使用电机（<25kW）温和杂交将具有显着的有形效果。一个估计表明，MHEV将使二氧化碳排放量减少15％，其中大约为全混合系统成本的大约30％的益处的70％。显然，预计与全杂化车约4500美元相比支付额外1500美元左右的支付1500美元左右的愿意为MHEV车辆增长产生动力。此外，48V电源网还可以用于为未来的车辆到所有（V2X）连接和ADA提供系统准备（负载控制点）。在未来十年期间，随着3级到5级的自动驾驶车辆，ADAS系统的电源要求将仅涌现。目前的2级能力按1KW的顺序需要功率速率，而4级/级5系统需要10倍的电力。这与成本和排放福利一起，48V MHEV系统被视为扩张EV市场的网关。

Cloud Computing

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(IOT.）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，联网那and distribution. To manage these services, operators require tremendous amounts of power on the order of several 100s of MW. As much as 40% of the operating costs of the data center comes from the energy needed to power and cool racks of servers [4]. Power Usage Effectiveness (PUE) and Total Cost of Ownership (TCO) are two very important metrics for data center operators to reduce costs and improve utilization. On average, approximately 30-35% of the power is wasted in the conversion from the AC grid to the microprocessors of an individual server. Along this power path, losses can be reduced mainly in three areas – universal power supply (UPS, grid-to-data center), server rack power supply, and individual server power supplies. Until a few years ago, data centers were designed for 4 to 5kW per rack and now they are up to 10kW per rack. Increasing rack power density up to 30kW or more will be the trend in the future [5]. As a result, smaller and efficient power supplies are needed as they can improve the PUE, resulting in greater server density and additional revenue per foot of floor space ($/ft).

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

5克Infrastructure

为了解决当前4G网络的缺点，5克networks应该能够处理大量流量（无线电）和大容量（IoT，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，更多的网站和多访问边缘计算。目前，4G LTE网络的传输带宽的理论极限约为150 Mbps，其无法满足5G的要求。为了实现更高的带宽，5G网络使用较高的C波段。此外，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，就拓扑而言，现有的4G网络赞成分布式无线电接入网络（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网络倾向于赞成集中式或云（C-RAN）分发以整合基带功能，将它们从小区站点移动到集中位置。在5G网络中，预计RRH和天线是集成的，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架构，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，更多的网站和更高的计算要求将进一步提高网络能耗。

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对半导体的影响bob软件

Consistent with the market requirements discussed above, there are significant increases in new market opportunities for semiconductor suppliers. In the automotive sector, the mild hybrid segment is approximately 1.5% to 2% of the total production today; however, by end of the decade, it is expected to grow to about 15%. Consequently, power semiconductor content per car is expected to increase approximately $75/vehicle due to the adoption of mild hybrid systems. Similarly, with the migration to 48V power net in hyper-scale and 5G data centers, the power device bill of material (BOM) is set to increase by about $40. Finally, due to 5G infrastructure deployment, both cabinet and blade power supply requirements will increase the need for power transistors. The 48V Ecosystem presents an opportunity for semiconductor suppliers to apply synergies among these application segments. From the overall new market opportunity, Figure 4 outlines the key application segments and respective growth prospects. Whether its 48V in automotive and cloud computing or -57V in 5G power supplies, the underlying assembly, and test business is also set to grow significantly in the next decade.

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.那SO-8。此外，铅封装已被脱脂表面安装选项所取代，例如无侵扰（TOLL) andPQFN公司。随着需求增加的功率密度和高度可靠的解决方案，包装行业必须提供创新的选择来满足新兴趋势。客户可能需要通过双侧冷却，芯片尺度包装和多模集进行有效的热管理来解决方案，以减少寄生。但是，在成本，性能和可靠性方面将有权衡。

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.如图7L，在这种应用和瓦数案件中使用的公共包装，其封装尺寸为15×10x4.4mm。但是，当功率级需要几个包装时，空间变为溢价。与D2Pak类似，Toll（11.7 x 9.9 x 2.3 mm）也是一种模制包，已针对高功率和高可靠性应用进行了优化。但TOLL（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

云和边缘数据中心的服务器电源存在不同的电源要求，为CPU核心，DDR内存和负载点等备用轨道，风扇和驱动器提供电源。对于PORNATION的分布点（POL）架构是优选的应用，单个封装中的电源块或功率级是最佳选择。具有集成灵活性，套餐如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。

Power Packaging Trends for the 48V Ecosystem

As one of the leading outsourced assembly and test (OSAT) suppliers, Amkor has a diverse portfolio to offer in the emerging 48V Ecosystem. This strong position stems from a global presence and partnerships with top semiconductor suppliers.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。

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.机械尺寸的60％较小，但体积的80％也是如此。就互连技术而言，线键决定了当前发电电源产品的承载能力。在D2PAK的情况下，所用键合线的最大直径为20密耳。然而，在LFPAK 8 x 8 mm中，通过使用铜夹技术进行互连，电流承载能力将要高得多。通过剪辑技术显着大化来自线键的寄生电阻和电感。这种包装方法减轻了可实现的电力密度的一些问题。

在服务器架构,fast-transient反应times demanded by microprocessors have led to the adoption of POL converters and voltage regulators. The parasitic impedances of conventional power electronic packages, operating at frequencies over 1 MHz, are not adequate. In this regard, Amkor is exploring chip-scale packaging for power transistors – the PowerCSP™ package – as shown in Figure 8. This innovative concept is a leadframe-based chip-scale packaging, allowing for double-side cooling where the top/leadframe side can be connected to the heat sink or water cooling. The bottom side of the package can be mounted to the PCB using thermal vias and power Cu layers. Key advantages of the PowerCSP concept are that it eliminates wire bonds and/or Cu clips, resulting in low parasitic resistances and stray inductances thereby reducing conduction losses and switching losses, respectively. Additionally, the reduced parasitic inductance of PowerCSP helps in achieving higher switching frequencies and power densities. Compared to plastic power packages such as the PQFN or LFPAK, the PowerCSP design can be constructed with a simplified process flow thereby reducing possible sources for reliability concerns as well. Furthermore, PowerCSP packaging would provide a gateway for multi-die integration to realize converter-in-package type solutions.

摘要

受环境，经济和社会因素的推动，对复杂的电力电子解决方案的需求，降低总体拥有成本，将增加。新兴的48V生态系统为功率半导体封装段提供了一种倾向的网关。bob软件虽然电力包装成熟，但需要改进以满足新兴趋势。无论是改善骰子到包装的比例，还原包装寄生剂还是增加电流携带的互连，广泛的现有产品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完善的客户伙伴关系，以提供这些挑战。Amkor不仅可以满足这些要求，而且还具有金融和技术实力，为设备和设施做出重大投资，并为其汽车和其他权力客户提供长期支持。

Author:Ajay Sattu，SR Manager，汽车战略营销

参考：

[1]。Manish Menon等人，“48V架构：2018年8月14日，OEM的成本效益主张”
[2]. Automotive IQ et al, “The rise of 48V technology – an Automotive IQ eBook”, Aug 14th, 2018
[3]. Branka Vuleta et al, “How much data is created every day?”, Jan 30th, 2020
[4]. Energy Innovation et al, “How much energy do datacenters really use?”, Mar 17th, 2020
[5]。Wiwynn等人，“48V：数据中心的改进的电力输送系统”，2017年6月
[6]。全球ICT能源效率Summit等，2019年10月“5G电信电力目标网络”

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