Qu'est-ce que l'encapsulation de puissance tridimensionnelle (3DPP) ?
La maximisation des performances du système sur pratiquement tous les marchés ou espaces d'application du monde de l'électronique a tendance à dépendre fortement du sous-système d'alimentation, qui comprend toutes les alimentations, les dispositifs de conversion de puissance, les filtres, les dispositifs de protection et les interconnexions (connecteurs, fils, câbles, traces de circuit planches ou autres). D'où l'accent et la caractérisation sur les mesures de taille, de poids et de puissance (également appelées facteurs SWaP, SWaP-C lorsqu'ils sont combinés avec des mesures de coût).
L'un des meilleurs outils dans la recherche perpétuelle d'optimisation SWaP-C se trouve dans les techniques d'encapsulation avancées, en particulier dans le domaine de l'encapsulation de puissance tridimensionnelle (3DPP). Le 3DPP est une nouvelle offre de procédés de conditionnement à la pointe de la technologie permettant d'obtenir une densité de puissance maximale dans un format minimal. Lorsqu'il est appliqué aux convertisseurs DC-DC montés en surface, le 3DPP permet des solutions qui combinent les meilleures performances de leur catégorie avec une densité de puissance maximale dans un boîtier minimal. Le résultat est des produits d'alimentation beaucoup plus petits que les autres modules de conversion de puissance, mais très efficaces sans occuper un espace aussi coûteux.
La technologie 3DPP élimine le besoin d'une carte de circuit imprimé (PCB) interne en montant les composants intrinsèques directement sur une grille de connexion, réduisant ainsi l'espace requis par les composants de conversion dans le module. À titre d'exemple d'ordre de grandeur, l'un des nouveaux régulateurs à découpage 3DPP disponibles, le RPX-1.0 ne mesure que 3 mm x 5 mm x 1,6 mm, ce qui le rend presque aussi petit qu'un circuit intégré (IC). Cette réduction de taille permet aux ingénieurs et aux concepteurs d'avoir des profils de circuits imprimés plus minces avec une conversion de puissance intégrée sans avoir à recourir à des conceptions de convertisseurs personnalisées coûteuses. Les appareils dotés de la technologie 3DPP sont disponibles dans différents types de conditionnement, tels que contact grid array (LGA), aile de mouette, quadruple plat sans plomb (QFN), blocs et piliers et billes de soudure, qui peuvent faire toute la différence dans les applications à espace restreint.
RECOM offre un excellent aperçu des propositions de valeur et des dernières offres à cet égard. La figure ci-dessous est un exemple des solutions d'évaluation proposées pour simplifier les tests sur banc d'essai et accélérer la mise sur le marché des produits.
Figure 1 – Exemples de solutions CC-CC tirant parti du 3D Power Packaging (3DPP)
Miniaturisation des convertisseurs DC-DC
Pour mieux comprendre comment le 3DPP et d'autres techniques d'emballage avancées entraînent la miniaturisation continue des convertisseurs DC-DC, il est prudent d'approfondir un peu les différentes pratiques d'emballage ainsi que les progrès de la technologie des composants.
La combinaison de composants auparavant désagrégés en un seul package n'est pas un concept nouveau, mais les méthodologies ont parcouru un long chemin au cours des deux dernières décennies. Dans le domaine des solutions d'alimentation, un module intégré faisait référence à une implémentation classique et discrète avec des composants entassés sur un mince morceau de FR-4 (également connu sous le nom de carte de circuit imprimé) et recouvert d'une sorte de capuchon en plastique ou de métal. Les couvercles étaient principalement utilisés pour l'esthétique, pour donner l'impression d'un seul assemblage de type circuit intégré, bien que le couvercle métallique puisse également avoir une fonction pratique en termes d'interférences électromagnétiques (EMI) et/ou d'atténuation thermique.
Par la suite, l'intégration réelle de toutes ces composantes désagrégées a été favorisée dans ce que l'on appelle aujourd'hui l'intégration hétérogène. La définition de l'intégration hétérogène de l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Electronic Packaging Society (EPS) Heterogeneous Integration Roadmap est la suivante :
"L'intégration hétérogène fait référence à l'intégration de composants fabriqués séparément dans un assemblage de niveau supérieur qui, au total, offre une plus grande fonctionnalité et de meilleures caractéristiques de fonctionnement."
Le HIR a été l'aboutissement du travail de nombreuses parties prenantes, des leaders de l'industrie et des processus issus d'ateliers et de conférences qui ont caractérisé l'état de l'art (SOTA) dans ce domaine. Bien qu'un aperçu de cet effort dépasse le cadre de cet article de blog, une poignée de facteurs clés spécifiques aux convertisseurs/solutions de puissance méritent d'être soulignés ici. Rappelons la nécessité d'optimiser les facteurs SWaP, comme expliqué au début de cet article. Alors que le désir de réduire la taille/le poids peut être plus tangible, la volonté d'augmenter la densité de puissance et les stratégies pour atteindre cet objectif peuvent être moins apparentes.
Dans la plupart des topologies de commutation de puissance (c'est-à-dire celles qui utilisent des commutateurs soigneusement contrôlés pour moduler la conversion de puissance d'une tension à une autre), le facteur clé de mérite (FOM) qui détermine la taille est lié à la fréquence du convertisseur de puissance à découpage. Pour éviter d'esquisser une série d'équations cartographiant les relations mathématiques entre la conception du variateur/les calculs des composants et la fréquence de commutation, sur lesquelles une simple recherche sur Google fournira une mine d'informations, quelques règles de base doivent être gardées à l'esprit. La fréquence de commutation est inversement proportionnelle à la taille des composants de stockage d'énergie et de filtrage (c'est-à-dire les transformateurs, les inductances, les tores, les selfs, les bouchons électrolytiques, les bouchons de sécurité, etc.), qui dominent souvent la taille/le poids global de l'alimentation (et sont même un contributeur majeur à la taille/au poids global du système).
Les effets parasites de l'inductance des interconnexions plus longues et des transitions de courant rapides [v(t)=L*di/dt] induite par des fréquences de commutation plus élevées peut provoquer des pointes de tension catastrophiques (également appelées transitoires) dans le schéma de commande ou le groupe motopropulseur d'un variateur. Les effets parasites de la capacité dérivés de la séparation naturelle des conducteurs dans un système et des transitions de tension rapides [je(t)=C*dV/dt] induite par des fréquences de commutation plus élevées peut provoquer un stockage d'énergie catastrophique et des courants de circulation qui peuvent apparaître de nombreuses manières indésirables.
L'utilisation croissante de semi-conducteurs de puissance à large bande (par exemple, nitrure de gallium ou GaN, carbure de silicium ou SiC, etc.) dans les conceptions d'électronique de puissance offre le meilleur et le pire des deux mondes. Les dispositifs WBG ont la capacité d'offrir des augmentations significatives de la fréquence de commutation ainsi que des FOM thermiques plus élevés (améliorant la fiabilité et la densité de puissance), mais ils peuvent également être accompagnés d'une courbe d'apprentissage abrupte qui complète leurs FOM à densité de puissance améliorée. . Bien que cela sorte du cadre de cet article, il convient de noter que même les circuits de commande de grille des dispositifs WBG peuvent être beaucoup plus complexes en raison de l'augmentation des vitesses de commutation et des transitoires, qui sont loin des normes de conception des dispositifs WBG. semi-conducteurs. Ici un excellent aperçu et des références à ces défis peuvent être trouvés. Bien qu'il s'agisse certainement d'un sujet plus approfondi pour les discussions futures, il convient de noter que les progrès des matériaux magnétiques à haute fréquence sont un facteur critique pour les solutions basées sur le WBG et ont reçu une attention particulière au cours de la dernière décennie en raison du manque de recherche dans ce domaine. champ (au bas de ce Site Internet Vous pouvez consulter des informations sur certains ateliers gratuits).
Maintenant que la nécessité de réduire la taille du boîtier, les effets parasites induits par le boîtier et la prise en charge de l'état de l'art dans les semi-conducteurs est bien mieux comprise, l'attention peut se tourner vers d'autres composants qui peuvent être bénéfiques et faciliter l'intégration hétérogène dans les produits 3DPP. Réduire la puissance totale de la solution, c'est aussi réduire le reste des dispositifs actifs (circuits intégrés, interrupteurs) et passifs (résistances, condensateurs, inductances, diodes) et les rapprocher en les intégrant dans un montage hétérogène. A un moment donné, même les interconnexions internes du boîtier (pins, bumps, pads, etc.) deviennent rédhibitoires et induisent des parasites indésirables. Il existe de nombreuses technologies qui permettent l'intégration de dispositifs passifs et actifs. Bien que ce sujet ne soit pas approfondi ici, il faut noter que l'utilisation du magnétisme planaire a grandement facilité les choses. Il fait référence à la transition d'un système magnétique traditionnel, avec un câblage physiquement enroulé autour d'un noyau magnétique volumineux, à l'utilisation de pistes de PCB acheminées autour du matériau du noyau magnétique pour un composant magnétique beaucoup plus propre, étroitement contrôlé, mais reproductible et robuste.
Figure 2 - Le concept 3DPP dans la série RPX de convertisseurs de point de charge (PoL) de RECOM
Comme pour toute évolution technologique majeure, les défis à relever sont également nombreux. La combinaison de nombreux processus de fabrication traditionnellement désagrégés nécessite une chaîne d'approvisionnement adaptable et une courbe d'apprentissage. Les sous-ensembles peuvent nécessiter des étapes de processus supplémentaires et donc se déplacer vers différents endroits, et/ou les processus peuvent être combinés en opérations consolidées où la cannibalisation des processus peut conduire à des courbes d'apprentissage et à la formation des opérateurs pour de nouveaux aspects . Comme pour tout changement de processus de fabrication, des changements se produisent à la fois en amont et en aval, ce qui peut inclure le traitement des composants/consommables, de nouveaux biens d'équipement, des contrôles environnementaux plus stricts, une meilleure surveillance du système de gestion de la qualité (SMQ), des tests fonctionnels, des inspections/réusinages, des manutention/élimination des matériaux, etc.
Comme le dit le vieil adage : "rien n'est gratuit".
Amélioration de la densité thermique et énergétique du FOM
La fiabilité, et donc la durée de vie, des composants électroniques tourne autour de la capacité du système à réguler les températures locales de l'environnement et des composants. S'il est vrai que la température n'est pas le seul facteur régissant les paramètres de qualité (c'est-à-dire température de fonctionnement min/max/réduite, Mean Time Between Failures ou MTBF, Mean Time to Failure ou MTTF, taux de défaillance à l'heure ou FIT, etc.), en gardant l'électronique "thermiquement heureuse" est toujours une bonne stratégie pour une durée de vie solide du produit qui répond aux paramètres de fonctionnement et à la durée de vie attendus.
Le 3DPP peut poser des problèmes thermiques lors de la compression des éléments. Cela peut se produire sous la forme de chaleur rayonnante provenant d'appareils adjacents affectant ses voisins, bien que la capacité de piéger cette chaleur puisse être réduite simplement en supprimant l'espace vide dans un réseau autrement plus grand. Après tout, l'air est un excellent isolant (tant thermique qu'électrique). Un défi thermique important dans tout système combinant des matériaux hétérogènes peut provenir de la tentative d'équilibrer les différents coefficients de dilatation thermique (CTE) [7]. Ce défi est particulièrement prononcé dans les assemblages intégrés de manière hétérogène décrits ci-dessus, qui posent les plus grands défis de tous les processus auparavant séparés, combinant des métaux, de la céramique, de la fibre de verre, diverses encres, colles/adhésifs et d'autres matériaux dans un seul gros sandwich. Comme si cela ne suffisait pas, cet article ne s'aventurera même pas à aborder l'impact de ces facteurs sur les packages d'électronique hybride flexible (FHE).
À l'inverse, le 3DPP offre également (et généralement plus) la possibilité d'éloigner la chaleur de la source et de la transférer là où elle peut être atténuée plus rapidement et plus efficacement. La possibilité d'éliminer les broches externes et de connecter directement les modules d'alimentation des dispositifs de montage en surface (SMD) aux cartes de circuits imprimés est un avantage pour la température et la qualité (par exemple, moins de problèmes avec les broches insérées manuellement, les joints de soudure, etc.). Comme le montre la figure ci-dessous, une densité de puissance élevée est obtenue avec un PCB interne multicouche, qui utilise des vias borgnes et connectés pour une bonne conductivité thermique et une utilisation efficace de l'espace disponible.
Figure 3 - Visualisation 3D interne des régulateurs à découpage de la série RECOM RPM
L'extraction plus efficace de la chaleur du boîtier facilite également la possibilité de l'étendre à des masses thermiques plus importantes (c'est-à-dire, des plans d'alimentation du système, des coulées de cuivre plus importantes, des assemblages adjacents). Depuis l'extérieur du boîtier, l'atténuation thermique au niveau du système (c'est-à-dire les dissipateurs thermiques, le refroidissement par convection ou à air forcé, les cartes mères refroidies à l'eau, les matériaux d'interface thermique ou TIM, etc.) peut également être utilisée plus efficacement.
La valeur du 3DPP dans les applications critiques
Il est difficile de résumer dans un court article tous les avantages et améliorations que le 3DPP peut apporter à une gamme de produits. Bien que beaucoup aient été présentés ici, il existe quelques facteurs qui déterminent particulièrement les facteurs d'importance critique.
Il est rare de rencontrer un acteur du monde de l'électronique qui n'ait pas été touché par les problématiques de supply chain, qu'il s'agisse de garantie d'approvisionnement, d'approvisionnement en matières premières, de contrefaçon, de tarifs, de logistique de transport ou autres. Comme la récente pandémie de COVID nous l'a montré, même les consommateurs finaux sont désormais plus conscients de la façon dont tous ces problèmes apparemment lointains peuvent avoir un impact sur l'inflation à travers le coût de la voiture qu'ils achètent ou la nourriture sur les étagères du supermarché.
Dans les applications critiques, la consolidation organique des processus qui accompagne l'utilisation des technologies 3DPP peut aider à atténuer bon nombre des risques et des maux de tête énumérés ci-dessus, où il y a beaucoup moins de place à l'erreur. L'intégration de plusieurs processus dans une seule opération de fabrication oblige non seulement des groupes comme les achats, la planification des ressources d'entreprise (ERP) et la qualité/ingénierie des composants à aiguiser leurs crayons, mais force également une plus grande collaboration et une réflexion hors des sentiers battus. la collaboration. Ces points peuvent être vraiment importants dans des situations catastrophiques (par exemple, force majeure, troubles politiques, etc.), lorsque le plan de continuité des activités (PCA) doit être mis en place pour transférer les opérations entre les usines (peut-être même les pays) comme Aussi vite que possible.
La consolidation des processus et la gestion de la chaîne d'approvisionnement entraînent également une réduction des coûts logistiques et des frais généraux. El mayor control y automatización aplicados al ensamblaje y la fabricación de componentes (especialmente magnéticos) mejora la fiabilidad del producto, AL TIEMPO que se aplican economías de escala, lo que constituye una excelente receta para impulsar la optimización SWaP y la reducción de costes interanual ( Moi et).
L'équipement médical (et les cas d'utilisation similaires avec des exigences d'isolation/de sécurité élevées) est un exemple d'application critique où le 3DPP peut ajouter beaucoup de valeur. Un isolement de qualité médicale certifié en matière de sécurité est requis à des degrés divers, en fonction des niveaux des moyens de protection de l'opérateur (MOOP) et des moyens de protection du patient (MOPP).
Figure 4 - Un scénario d'alimentation médicale qui permet le plus haut niveau de connexion du patient avec des pièces peu coûteuses
Un exemple de convertisseur DC-DC qui atteint un haut niveau d'isolation de qualité médicale en combinant tous les avantages du 3DPP décrit ici est le R05CT05S récemment lancé par RECOM. Il s'agit d'une pièce peu coûteuse de 0,5 W avec une entrée nominale de 5 V et des sorties sélectionnables de 3,3 V ou 5 V, alternativement de 3,7 V ou de 5,4 V, pour fournir des surtensions aux régulateurs à faible chute de tension (LDO). Le convertisseur est livré dans un boîtier CMS compact de 10,3 mm x 7,7 mm et d'une hauteur de seulement 2,65 mm pour les applications à espace restreint. La caractéristique exceptionnelle du produit pour les applications médicales est sa capacité continue de 2 x MOPP / 250 VAC selon IEC/EN 60601-1 avec une tension d'essai de 5 kVAC. Il a également une capacité de couplage de seulement 3,5 pF, pour un courant de fuite négligeable dans les applications 250 VAC / 50 Hz. Dans les applications non médicales, les performances sont encore plus impressionnantes : isolation renforcée à une tension de fonctionnement de 800 VAC selon EN 62368- 1. La température de fonctionnement peut atteindre 140 °C avec déclassement et la pièce intègre des fonctions d'activation, de synchronisation et d'écrêtage ainsi qu'un verrouillage en cas de sous-tension.
Il convient de noter que ces propositions de valeur peuvent également être étendues à des systèmes non critiques qui nécessitent toujours une isolation à faible puissance pour des applications telles que des ports de communication externes, par exemple avec un réseau de zone de contrôleur (bus CAN), un bus série universel (USB) ou Power over Ethernet (PoE), qui sont omniprésents dans les domaines de l'automobile, de l'informatique et des applications grand public.
Conclusion
L'emballage n'est peut-être pas toujours la première chose qui vient à l'esprit lorsque l'on envisage l'avenir des feuilles de route de l'électronique, mais comme cet article l'a passé en revue, de nombreux facteurs importants de performance et de qualité sont directement liés à l'emballage. .
Le 3DPP et l'intégration hétérogène produisent des améliorations évolutives dans le conditionnement et donc presque toutes les principales priorités lorsqu'il s'agit d'optimiser SWaP-C au niveau du système global et de la solution d'alimentation.
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