用戶要求提高每塊板的功率，在PCB上實現比以往更多的矽片，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係統產生持續影響。ICT數據服務器中每塊板的功率要求已經從20世紀80年代早期的300W增加到今天的1kW以上，並且業界預測到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/DCzhuanhuanqiyijingchengweixianshi，qigonglvmiduzhibiaozaijinianqianshiwufaxiangxiangde。zaibuyuandejianglaikeyicaiyonggengxianjindefengzhuanghegenggaojichengdudeyuanjianshixianbafenzhiyizhuanxingde1kW轉換器嗎？

 

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

 

 

目前的DC/DC電源轉換器的磚型封裝仍然是由平麵兩維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封裝發展。

 

在這些大功率磚型封裝中3D封裝技術的使用是受限製的，但在嵌入有源和無源器件方麵很有發展前途，而PCB供應商將這個看作是向價值鏈上遊轉移的重要機會，其中包括芯片堆疊、封(feng)裝(zhuang)堆(dui)疊(die)以(yi)及(ji)通(tong)過(guo)二(er)次(ci)成(cheng)型(xing)實(shi)現(xian)元(yuan)件(jian)嵌(qian)入(ru)。在(zai)這(zhe)個(ge)領(ling)域(yu)中(zhong)很(hen)重(zhong)要(yao)的(de)一(yi)點(dian)就(jiu)是(shi)集(ji)成(cheng)磁(ci)性(xing)材(cai)料(liao)
，終(zhong)極(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)在(zai)半(ban)導(dao)體(ti)晶(jing)圓(yuan)上(shang)集(ji)成(cheng)磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)。

 

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jie構gou中zhong嵌qian入ru元yuan件jian可ke以yi幫bang助zhu電dian源yuan設she計ji師shi顯xian著zhu減jian小xiao外wai形xing尺chi寸cun，增zeng強qiang冷leng卻que能neng力li，比bi如ru將jiang驅qu動dong器qi放fang在zai靠kao近jin開kai關guan器qi件jian的de位wei置zhi。這zhe種zhong方fang法fa通tong過guo小xiao型xing化hua和he精jing密mi控kong製zhi高gao頻pin開kai關guan電dian路lu設she計ji中zhong的de互hu連lian寄ji生sheng阻zu抗kang可ke以yi加jia快kuai提ti高gao性xing能neng和he效xiao率lv。今jin後hou更geng多duo元yuan件jian的de3D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。

 

qianrushiyuanjiankeyigeidianyuanshejishitigongmingxiandeyoushi。raner，laiziguipianxingyedezhichizhiguanzhongyao
，fuhebiaozhunhuayaoqiuherenzhengceshideyouyuanhewuyuanqijiangongyinglianyeshibixude。zaiheshidejichusheshitiaojianxia，qianrushijishujiangshitigaodagonglvyingyongzhonggonglvmidudezhongyaoyinsu。yououmengzizhudeHermes計劃已經成功地展示，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。通過集成控製的反饋路徑也可能變成磁性路徑，從而可能實現芯片級隔離型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針對500kHz左右或以下的工作頻率進行了優化。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
，比如氮化镓和砷化镓開關場效應管

，已經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範圍。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。

 

PCB中嵌入式元件的商用化有助於減小發揮更高頻率WBG器件優勢所需的寄生阻抗
，並有助於顯著改善大功率DC/DCzhuanhuanqidewaixingchicunhexiaolv。raner
，genggaokaiguansuduyilaiyudisunhaogaopincixingcailiaochuangxindeshixian，zhexiechuangxinjiangtuidongshangyongdagonglvbianyaqihedianganjiejuefanganyongyudapiliangshengchan。

 

shixiangenggaopinlvdejichengshicixingyuanjianyouduozhongkexingdejishu，baokuoxianjindecixinshejihecixincailiao，yijikongqicixinsheji，tamennengxianzhutigaoxiaolvhegonglvmidu。citideweixinghuayouduozhongshiyongdefangfa
，baokuobuyilaiyucixincailiaotexingdekongqicixinsheji，tamenyetigongleshengchanfangfafangmiandelinghuoxing，yijishiyongbutong3D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mu前qian這zhe些xie新xin技ji術shu僅jin限xian於yu較jiao低di功gong率lv的de轉zhuan換huan器qi
，但dan通tong過guo改gai進jin磁ci性xing材cai料liao的de工gong藝yi可ke進jin一yi步bu改gai進jin磁ci芯xin材cai料liao，並bing推tui廣guang至zhi具ju有you較jiao大da輸shu出chu電dian流liu的de產chan品pin。即ji使shi在zai半ban導dao體ti晶jing圓yuan中zhong嵌qian入ru磁ci體ti實shi現xian3D集成的最終目標以及完整的單片係統集成在未來也是完全可能的。

 

元件和封裝技術的不斷發展使得額定功率越來越高
，以至於現在每立方厘米瓦數的功率密度比15年前用的老技術高出了一個數量級。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(yin)為(wei)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)等(deng)電(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)對(dui)高(gao)溫(wen)很(hen)敏(min)感(gan)，所(suo)以(yi)確(que)保(bao)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)磚(zhuan)型(xing)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)中(zhong)的(de)元(yuan)件(jian)能(neng)被(bei)正(zheng)確(que)冷(leng)卻(que)，並(bing)以(yi)合(he)理(li)的(de)溫(wen)度(du)工(gong)作(zuo)很(hen)重(zhong)要(yao)。除(chu)非(fei)熱(re)量(liang)傳(chuan)導(dao)機(ji)製(zhi)特(te)別(bie)高(gao)效(xiao)，否(fou)則(ze)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)會(hui)受(shou)到(dao)損(sun)害(hai)。

 

可以用於冷卻電子設備的主要冷卻機製是傳導和對流。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，而實際結溫將限製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麵這個公式計算：

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於改善新興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冷卻技術也顯不足，比如現有的空氣對流。

 

二er次ci成cheng型xing很hen可ke能neng繼ji續xu成cheng為wei用yong於yu提ti高gao熱re性xing能neng的de技ji術shu
，但dan同tong時shi也ye很hen明ming顯xian，用yong於yu包bao括kuo磁ci性xing元yuan件jian和he電dian容rong在zai內nei的de所suo有you功gong率lv元yuan件jian的de熱re增zeng強qiang型xing封feng裝zhuang將jiang是shi大da勢shi所suo趨qu，這zhe種zhong封feng裝zhuang允yun許xu從cong至zhi少shao兩liang個ge對dui立li麵mian進jin行xing冷leng卻que
，同tong時shi要yao求qiu使shi用yong改gai進jin的de熱re材cai料liao
、工藝和冷卻技術。下麵給出了這種3D封裝的一個例子。

 

功率元件不再是用裸片連接或熱界麵材料安裝在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de相xiang同tong電dian路lu板ban上shang。當dang載zai體ti拿na走zou時shi，元yuan件jian的de底di麵mian和he頂ding麵mian是shi共gong麵mian的de，非fei常chang方fang便bian明ming確que的de和he優you化hua了le的de熱re連lian接jie。與yu采cai用yong環huan氧yang樹shu脂zhi或huo焊han接jie連lian接jie的de傳chuan統tong封feng裝zhuang元yuan件jian相xiang比bi，這zhe種zhong方fang法fa可ke以yi實shi現xian50%的熱阻改善

，對固定結溫來說也就是說功耗可以高50%。

 

在聯合采用液體冷卻技術的堆疊芯片解決方案中，矽通孔也是一種潛在的解決方案。這裏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製空氣對流冷卻。使用被動液體冷卻技術(如熱管道)解jie決jue局ju部bu熱re點dian的de方fang法fa可ke能neng變bian得de更geng加jia普pu及ji。熱re擴kuo散san加jia上shang對dui流liu空kong氣qi冷leng卻que可ke以yi延yan長chang器qi件jian壽shou命ming，因yin為wei通tong過guo改gai進jin的de芯xin片pian連lian接jie技ji術shu可ke以yi減jian小xiao元yuan件jian封feng裝zhuang中zhong的de熱re阻zu
，但dan對dui於yu高gao功gong率lv密mi度du的de直zhi流liu直zhi流liu轉zhuan換huan器qi中zhong要yao求qiu最zui嚴yan格ge的de大da功gong耗hao元yuan件jian來lai說shuo
，可ke能neng要yao求qiu主zhu動dong液ye體ti冷leng卻que技ji術shu(如泵和雙相沸騰)。

 

在更大規模時將催生3D封裝和ICleixingxinpianjikaifa，baokuojichenggonglvcixingyuanjian，tamenhuijianggonglvdianpingtishengdaoyuanyuanchaoguomuqianfeigelixingjiangyazhuanhuanqikeyidadaodeshuiping。pingmiancixingyuanjiandeshiyongyijingfeichangpuji，dianyuanzhuanhuanqizujianhenkenengtongguoercichengxinglaitigaorexingneng。

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不能光靠DC/DC電dian源yuan轉zhuan換huan器qi行xing業ye的de推tui動dong。大da批pi量liang汽qi車che和he電dian機ji驅qu動dong行xing業ye內nei公gong司si的de大da量liang投tou資zi是shi必bi需xu的de
，還hai要yao求qiu得de到dao功gong率lv元yuan件jian行xing業ye的de支zhi持chi，以yi便bian提ti供gong合he適shi的de元yuan件jian、標準化的規範和認證測試。

 

提高服務器設計中的處理密度肯定會繼續影響未來DC/DC轉換器的功率密度。ICT數據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(feng)裝(zhuang)和(he)其(qi)它(ta)嵌(qian)入(ru)式(shi)技(ji)術(shu)的(de)開(kai)發(fa)肯(ken)定(ding)會(hui)顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)和(he)熱(re)管(guan)理(li)性(xing)能(neng)。實(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)和(he)大(da)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)都(dou)表(biao)明(ming)
，用(yong)熱(re)管(guan)理(li)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)實(shi)現(xian)雙(shuang)倍(bei)的(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)是(shi)可(ke)行(xing)的(de)，可(ke)將(jiang)元(yuan)件(jian)核(he)心(xin)溫(wen)度(du)保(bao)持(chi)在(zai)規(gui)定(ding)範(fan)圍(wei)內(nei)，實(shi)現(xian)可(ke)靠(kao)的(de)工(gong)作(zuo)
，並(bing)有(you)助(zhu)於(yu)在(zai)不(bu)遠(yuan)的(de)將(jiang)來(lai)實(shi)現(xian)1kW的八分之一磚型電源模塊。主要挑戰在於低損耗甚高頻(>5MHz)磁設計和磁芯材料的開發。

圖3：采用二次成型的3D封裝案例。