用戶要求提高每塊板的功率，在PCB上實現(xiàn)比以往更多的硅片，結果是高端服務器設計中日益提高的處理密度對未來電源系統(tǒng)產生持續(xù)影響。ICT數(shù)據(jù)服務器中每塊板的功率要求已經(jīng)從20世紀80年代早期的300W增加到今天的1kW以上，并且業(yè)界預測到2020年每塊板將要求達到35kW的功率。目前的DC/DC電源轉換器解決方案和技術還不足以達到這些功率等級。

 

今天，采用四分之一磚型封裝的1kW DC/DC轉換器已經(jīng)成為現(xiàn)實，其功率密度指標在幾年前是無法想象的。在不遠的將來可以采用更先進的封裝和更高集成度的元件實現(xiàn)八分之一磚型的1kW轉換器嗎？

 

本文將討論電源行業(yè)在元件集成度、熱管理和與當前最先進技術相比超過雙倍DC/DC電源轉換器密度方面會有怎樣的發(fā)展趨勢。

 

 

目前的DC/DC電源轉換器的磚型封裝仍然是由平面兩維PCB結構所主導，但要求更小封裝、更低高度器件和更小寄生阻抗的客戶應用正在推動技術向高密度3D封裝發(fā)展。

 

在這些大功率磚型封裝中3D封裝技術的使用是受限制的，但在嵌入有源和無源器件方面很有發(fā)展前途，而PCB供應商將這個看作是向價值鏈上游轉移的重要機會，其中包括芯片堆疊、封裝堆疊以及通過二次成型實現(xiàn)元件嵌入。在這個領域中很重要的一點就是集成磁性材料，終極解決方案是在半導體晶圓上集成磁性元件。

 

在3D封裝中，最常見的技術是在PCB中嵌入(有源和無源)元件。在PCB結構中嵌入元件可以幫助電源設計師顯著減小外形尺寸，增強冷卻能力，比如將驅動器放在靠近開關器件的位置。這種方法通過小型化和精密控制高頻開關電路設計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組裝將進一步減小要求的外形尺寸，同時還能減小磁性元件的尺寸。

 

嵌入式元件可以給電源設計師提供明顯的優(yōu)勢。然而，來自硅片行業(yè)的支持至關重要，符合標準化要求和認證測試的有源和無源器件供應鏈也是必需的。在合適的基礎設施條件下，嵌入式技術將是提高大功率應用中功率密度的重要因素。由歐盟資助的Hermes計劃已經(jīng)成功地展示，大批量電源轉換器的尺寸減小40%是可行的。磁隔離加上嵌入技術有望提供增強型隔離功能。通過集成控制的反饋路徑也可能變成磁性路徑，從而可能實現(xiàn)芯片級隔離型DC/DC電源轉換器解決方案。

 

 

大功率DC/DC轉換器的開關頻率通常已經(jīng)針對500kHz左右或以下的工作頻率進行了優(yōu)化。為了方便減小尺寸，提高功率密度，將開關頻率提高至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)半導體器件，可以在超過5MHz的較高頻率點理想地工作，比如氮化鎵和砷化鎵開關場效應管，已經(jīng)成為更高開關頻率的促進器。新的DC/DC轉換器拓撲甚至會將開關頻率提升到10MHz范圍。這將進一步推動對采用更小寄生元件的封裝要求，而這個要求完全可以利用3D集成技術實現(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)勢所需的寄生阻抗，并有助于顯著改善大功率DC/DC轉換器的外形尺寸和效率。然而，更高開關速度依賴于低損耗高頻磁性材料創(chuàng)新的實現(xiàn)，這些創(chuàng)新將推動商用大功率變壓器和電感解決方案用于大批量生產。

 

實現(xiàn)更高頻率的集成式磁性元件有多種可行的技術，包括先進的磁芯設計和磁芯材料，以及空氣磁芯設計，它們能顯著提高效率和功率密度。磁體的微型化有多種實用的方法，包括不依賴于磁芯材料特性的空氣磁芯設計，它們也提供了生產方法方面的靈活性，以及使用不同3D集成技術的可能性，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。

 

目前這些新技術僅限于較低功率的轉換器，但通過改進磁性材料的工藝可進一步改進磁芯材料，并推廣至具有較大輸出電流的產品。即使在半導體晶圓中嵌入磁體實現(xiàn)3D集成的最終目標以及完整的單片系統(tǒng)集成在未來也是完全可能的。

 

元件和封裝技術的不斷發(fā)展使得額定功率越來越高，以至于現(xiàn)在每立方厘米瓦數(shù)的功率密度比15年前用的老技術高出了一個數(shù)量級。市場上最新的磚型電源，比如愛立信的高功率密度864W四分之一磚型電源模塊，可提供37 W/cm3(600 W/in3)，這對高效的內部熱管理提出了很高的要求。

 

因為半導體器件等電子元件對高溫很敏感，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。除非熱量傳導機制特別高效，否則電源系統(tǒng)設計和可靠性會受到損害。

 

可以用于冷卻電子設備的主要冷卻機制是傳導和對流。每個關鍵元件的元件功耗(Pd,comp)和元件結點到外殼熱阻(Rth, J-C)變得特別重要，因為它們決定了實際的結溫，而實際結溫將限制DC/DC轉換器的熱性能，也就是在最大輸出功率條件下允許的最大殼溫。

 

元件結點(或內核)和外殼之間的溫差可以用下面這個公式計算：

因此，旨在倍增功率密度(75 W/cm3 或1200 W/in3) 的先進冷卻技術和用于改善新興3D封裝組件熱性能的技術至關重要，它們將最終決定更高功率密度的可行性，而與任何改進的元件技術無關。

 

許多標準元件不適合高密度或3D設計，因此它們沒有足夠的熱性能。在從DC/DC轉換器組件提供特別高功率時要滿足的其它熱設計挑戰(zhàn)包括大電流分配、連接器技術、在45層板上的組裝，以及即使顯著增強的傳統(tǒng)冷卻技術也顯不足，比如現(xiàn)有的空氣對流。

 

二次成型很可能繼續(xù)成為用于提高熱性能的技術，但同時也很明顯，用于包括磁性元件和電容在內的所有功率元件的熱增強型封裝將是大勢所趨，這種封裝允許從至少兩個對立面進行冷卻，同時要求使用改進的熱材料、工藝和冷卻技術。下面給出了這種3D封裝的一個例子。

 

功率元件不再是用裸片連接或熱界面材料安裝在PCB上，而是安裝在臨時載體上，周圍通過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。當載體拿走時，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，這種方法可以實現(xiàn)50%的熱阻改善，對固定結溫來說也就是說功耗可以高50%。

 

在聯(lián)合采用液體冷卻技術的堆疊芯片解決方案中，硅通孔也是一種潛在的解決方案。這里的實驗結果也表明熱性能可以提高50%。使用直接綁定銅(DBC)技術的組件燒結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。

 

其它潛在的冷卻技術包括針對某些大功率元件的液體傳導冷卻和針對中小功耗元件的強制空氣對流冷卻。使用被動液體冷卻技術(如熱管道)解決局部熱點的方法可能變得更加普及。熱擴散加上對流空氣冷卻可以延長器件壽命，因為通過改進的芯片連接技術可以減小元件封裝中的熱阻，但對于高功率密度的直流直流轉換器中要求最嚴格的大功耗元件來說，可能要求主動液體冷卻技術(如泵和雙相沸騰)。

 

在更大規(guī)模時將催生3D封裝和IC類型芯片級開發(fā)，包括集成功率磁性元件，它們會將功率電平提升到遠遠超過目前非隔離型降壓轉換器可以達到的水平。平面磁性元件的使用已經(jīng)非常普及，電源轉換器組件很可能通過二次成型來提高熱性能。

圖2：愛立信的高功率密度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的開發(fā)不能光靠DC/DC電源轉換器行業(yè)的推動。大批量汽車和電機驅動行業(yè)內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、標準化的規(guī)范和認證測試。

 

提高服務器設計中的處理密度肯定會繼續(xù)影響未來DC/DC轉換器的功率密度。ICT數(shù)據(jù)服務器中每塊板的功率需求近年來有了極大地提高，在不遠的將來預期每塊板要達到3kW至5kW的水平。另外，要求設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的開發(fā)肯定會顯著提高功率密度和熱管理性能。實驗結果和大批量生產都表明，用熱管理解決方案實現(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，實現(xiàn)可靠的工作，并有助于在不遠的將來實現(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)磁設計和磁芯材料的開發(fā)。

圖3：采用二次成型的3D封裝案例。