48V生活系统和电池套装趋势

2020年10月8日的半导体故事,作者:Ajay Sattu.
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随着时间流逝,新闻发作效用(如汽车,云计算,工业自动化和电信 (5克)基督设施)正受到越来文多的关键词。虽然虽然用水在部门部门不错,但如何在系统级实现电脑转换和电力配送在相同处。对于减少有象碳足迹来,系统需求日益变得重要。因此,新开发的 48V 生态系统正被部署以达成各种目标,包括获得极高效率。不管是供电、计算元件或内存块,半导体在解决方案满足此类需求的过程中扮演着关键角色。本文的焦点是讨论此类每个应用领域的市场和技术发展趋势,分享关于创新功率封装平台如何尝试同时满足电气和热力要求的观点。

汽车

当今世界,最豪华的车辆辆运百万行代码,与高达100个电子控制装装(ECU)联网[1]。一销车中的电气液,舒适性功能和高度驾驶辅助(ADAS)的程度越高,对于总功率预算的需求需求会高。随着随着分此类如今如今高汽类如今如今在豪华驾驶中的高度功能逐渐也被运运运运被汽被汽汽中,户外成本的产科不起者,户外成本的产权不可能避免,但不再以电视系统的效率驾车“电动机”直接采用12V电动机为机械辅助(通用小于5-7 kw)供电,如水和油泵,空调手机,运动侧倾控制,车辆和车辆等。这些这些,再加上需遵守公司平台燃料燃料(咖啡馆)标准和高度Adas系统的更格式的排放标准,使提高效率变得更。(oem)多年来将机械驾驶元件替换成对应的电影元件,但对于更新颖架构(如48v系统)的进​​一步需要依然未满足。从从从依然看,oem及其一级供应赞商会会选择用双架构(12V和48V),直到处于起来永久性地使用48V电网。

汽车OEM和一体译商最近最近更多种轻综合动力传送车(MHEV)解决方案。例如,奥迪推出了新的带发电机系统(BAS),以12千瓦的发电力为其轻综合动力传动车提供动力,并且并且时在传统的12v系统中间使用直流直流器[2]。类似地,戴姆勒也为其s系列跑车推出推出成型运动发电机(ISG),其发电能力最高可达达16kw [2]。和 Audi 一样,Daimler 也为传统 12V 负载使用直流转直流转换器组。而一级供应商 Valeo 推出了它的 eCruise4u 平台,将自动驾驶和 48V 混合动力系统整合在一起。作为此平台的产品之一,e4AWD 智能整合了集成带起动发电机 (iBSG) 和电子后轴驱动 (eRAD),为其 MHEV 系统增加了 22 kW 发电能力,并因此将油耗降低了 17%。另一家一级供应商 Delphi 推出了 48V 混合动力系统,如图 1 所示,其中包含一种可将燃油效率提高 15% 的电子增压器。此电子增压器还可能采用了动态跳跃点火 (DSF) 停缸技术,将 CO2 排放量减少了 13% [2]。

图1:德尔福技术(前身为德尔福汽车)的48 v轻混合动力系统

转用48 v电网带来了很多好处,例如,线束截面和减轻重量等,使车辆变得更轻并减少排放。借助于转向器,舒适和便利功能,以及其他系统中机械元件的电气化,采用电机的轻混合动力技术(< 25千瓦)将会提供重要而且切实可触摸到的优点。一项估计[1]暗示,MHEV将二氧化碳排放减少15%,也就是说以全混合动力系统约30%的成本,拥有其约70%的优点。显然,相对于为全混合动力额外支付约4500美元,消费者更愿意额外拿出1500美元左右购买轻混合动力汽车,这一点预计也将推动MHEV汽车的发展。此外,48 v电网还能在车联网(V2X)和ADAS方面使系统为未来应用做好准备(负载点控制)。由于3 - 5级自动驾驶车辆有望在未来十年里得到大规模普及,对于ADAS系统的功率要求只会迅猛提升而不会降低。现在的2级发电能力需求已经达到大约1千瓦,4/5级系统的需求可能十倍于此。就凭这一点,再加上成本和排放方面的优势,48 v MHEV系统似乎就是拓展EV市场的必由之路。

云计算

今天,全球需要七百万个数据中心,来管理个人和业务活动每天产生的超过250亿亿(百万的三次方)字节数据。到目前为止,在所有已产生的44泽字节(44万亿GB)数据中,90%产生于最近2年[3]。随着通过互联网直接面向观众(OTT)的流媒体服务,5 g,物联网(IOT.)和社交媒体时尚的口,大数码预计将改变云和数码中心市场。典型的数码中心可提供包括资料,监理,联网和分享等在的各各服务。要议理这些服务,经营商需要大厦数百mw的大趋势电力。高达40%的数码中心常务电力。高达40%的数码中心兼营成本本身为器机械架电脑架与所需的电气使使用效率(扁平)和总有条成成本(TCO)是两项对于旨在降低成本,优化利用途率的数目中央常委会非常重要的指标。平等而言,大厦有30-35%的电力在将交流电电网转换到个别仪微微微掉掉。沿着这条路径,能够降低条路径,能够降低的损失主要集中间在三个方面 - 通用电机(UPS,电网到数据中心),服务器机械电阻,以及个别个别器电阻。直到几年前,数码中心还还设计为主机构4到5kw,而现出,这个数码高达每机架10kw。将机架功率密度提高于30kw或更高于成员的发来趋势[5]。因此,由于可融化pur,对于更小型,更高度电视的需求望高,从而提高仪器密度和每英尺尺面积所所尺尺尺面积所所额收入收入($ / ft)。

图2:数据中心电力输送系统(资料来源:wiwynn [5])

在电源系统架构方面,当前数据中心的设计针对的是12 v电网,如图2所示。像汽车的48 v系统,数据中心的电源架构也支持转用48 v。此改变将提高功率密度,减少输送损失(原系统的I2R损失是改用后的16倍),并且优化效率,部署弹性和机架内UPS的成本效益[5]。考虑到母线尺寸、涡轮电容器和铜损的减小,在机架级别所能获得的优点是显而易见的。但如何实现将48 v电压转换到服务器板上依然是一项挑战。要为中央处理器(CPU)核心和双倍数据速率(DDR)内存块供电,必须采用传统的低于1.8 v电压。对于更高降压比(从48 v到1.8 v),要在开关电路中获得类似转换效率显得相当困难。对于每个功率转换级,包括交流-直流,以及直流到负载点等,都必须拥有类似或更高的机架级效率。为取得系统级一致性,更小外观规格和更高功率能力的半导体封装是关键所在。

5 g基础设施

要克服当前4g网站的缺点,5 g网络应能够很好地应对大约体重(基于以太网的传输)和大量(物联网,连接密度和带宽),同主要要非常可(边缘计算,延迟)。主要主要化包括新,更多数量站点,更多更多接入计算。当前4glte网页传输带宽的理论为150mbps,无法满足5g的要求。要要更高度,5g网站要使使更高频频。户外,大更多更多输出(mimo)技术是改善吞吐载。如图3所示,在拓扑拓扑方向,所有的4g网站网友(Dran)架构,此类架构的天线,射频拉远头(rrh)和基因单位(bbu)都是独立的。但5g网站更倾向于集中间云(c-ran)分布,含有基基功能,并并将其从从从站转移到将其式站。在5g网站中,预计将集成rrh和天线,而bbu池池继续位于站.bbu池(或或心脏网站)使点.bbu池(或或心脏网站)使站的物理基础,包括网站设备,物理基因器,物理基因,电气和冷却系统。不错,更多,更多站点进将一流步高于网页耗能。

图3:4G LTE拓扑结构和5 g网络拓扑结构

根据电信经商的数据,单位5g制备的能耗可为类似4g的350%[6] .5g bbu能耗大声为300w,而rru消耗约900w,而rru消耗约900w,负载仅为30%(峰值约为1.4kw)。由于未来3年度加入更多频段,峰值能耗将提高到大大14kw。除除户外,为有少麦米,峰值能耗更可达到20kw [6]。虽然现有4g电信电阻设计适用于-48v系统,但这些电池单位与5g需求并不兼容.4g系统供电线的绝对损耗,一张小于约1kw的功率功率。然而,5g系统中相同相同电源电脑长度的绝对损耗更高,导致电气压电视更地下降。和大多数电气源,一般电阻降到“低低电阻”阈值阈值下,电气就会关键词为了此问题的影响,电脑设计师可口使用户外的直流转直流转换来源来高电平等级到-57v左右,以实现高度运行[6]。因此,5g网站能耗的加加给电灯

48 v对半导体的影响

与上文的市场需求相符,繁体商商所面对的新市场机会也大厦也加。在汽车行业,轻轻综合动力传动大厦占混综合资出车大厦占混总产量的1.5%到2%;在现十年的后期,这个数码有条成长到15%左右。随之外来的是,由于每跑车所功率功率半导的价值预计将功率功率大大75美食/每每跑车。类似地,随着着大规模和5g数码中心转用48V电网,功率器材件物品(BOM)将将增加40美元左右。最后,为5g基因设施的部署,机械和刀片电池需求提高对晶ー管将。48v生长为血体出名的是在这些这些应应应应的机会。从整体的新市场机会批发,图4概述了关键词前景。无论及相应的成格前景。而且是汽车和云的48v系统还是5g电脑的-57v方向,底层底层装和测试业主也注定在下一六年有少的发作。

图4:48V生活系统的新繁体系统有市市场(TAM)(AMKOR的预计)

需要功率封装的技术趋势

考虑到迄今为之所讨论应的使用趋势,共同的主题客户需要高度,占面积小,而且非常可以的功率体解决方向。在过去超过30年代时里,由于(si)功率mosfet技术,功率功率装和电影拓扑结构方向的的创新,功率转换效率和成本($ / w)都有稳定改善。虽然硅一般来说是此类类类类的动力,但但品质阶(ron x qg,ron x qoss)都都达到理事会极。更新的材料系统,如如锰矿(GaN),已进入市场并提供更的性能。不错,要实现系统优势,封装术不含限制可口的电气和热力优点。在过去,功率器材件装配已经已经已经已经已经长引脚长引脚的通孔装,如到-247和- - - - - - 220发展到表面黏着型引线元件,如D2PAK,DPAK.所以8,等等。此外,引线封装也被无引线表面黏着选项所取代,如,无引线封装(人数) 和PQFN。随着对更高功率密度和高可靠性解决方案需求的升高,封装行业必须提供创新选项,以不落后于新兴的发展趋势。客户可能需要通过双侧冷却、芯片级封装和多晶片集成打造高效热管理的解决方案,从而降低寄生。不过,还需要权衡成本、性能和可靠性之间的利弊关系。

汽车用例便是一个有助于理解的例子。带起动发电机应用需要大约12千瓦,而电源系统的中档为48 v。逆变相级为电机供电,此类电机采用额定电源高于48 v,电流大于500的MOSFET。一般来说,并行运行多个MOSFET才能满足全功率要求。在功率级中,器件在高边和低边管脚中并行,以实现全3相实现,印刷电路板(PCB)空间提供额外的优势,尤其当功率级在电机内部集成时。D2PAK7L是此类应应使用和功率用例中间使用的包装,其其装尺寸为15x10x4.4 mm。不错,当当需要需要种装时,空间成了一扇属优势。类似于d2pak,toll​​(11.7 x9.9 x 2.3 mm)也是一种针对高功率和高可致经过经过优装配。但人数(图5)的尺寸小了30%,而> 50%的更小适形使紧凑设计,高电流容量和低热阻(RthJC)成为可能。值得一提的另外一点是对于汽车半导体来说不断变化的基于任务的功率分布,它要求在板级实现更高水平的可靠性。

图5:D2PAK 7L VS. TOLS功率封装

云和边缘数据中心中的服务器电源,为CPU核心,DDR存储器和负载点(如待机轨,风扇和驱动器)供电的电源,对于电源的要求各不相同。若应用更倾向于采用分布式负载点(POL)架构,单个封装中的功率装置或功率级是最佳选择。由于其集成灵活性,包括PQFN(图 6)在内的封装日益受到欢迎。PQFN封装可优化晶片封装比和外露式散热片,从而提高服务器电源的功率密度。更大尺寸的 PQFN 可通过采用铜 (Cu) 夹片技术的晶片堆叠集成多个 FET(功率装置),如图 6 的 PQFN 双堆叠所示。另一种选项是集成门驱动器和高边及低边功率 FET(功率级),以获得智能功率应用,如 DrMOS,见图 6 的单堆叠选项。此外,PQFN 还被用于包括电信基础设施、基带板和直流转直流转换器在内的应用。

图6:PQFN多晶片配置

48V生活系统的功率装趋势

作为领先的外包装配和测试(OSAT)供应商之一,Amkor在新兴的48V生态系统中提供多样化的产品组合。这种强势地位源于其全球业务以及与顶级半导体供应商的合作关系。狗万滚球官网权力的包装是由两个不同的工厂地点支持-安kor马来西亚(ATM)和安kor日本福井(ATJ6)。广泛地说,它提供了一些创造价值的特性和技术差异,如先进的引线框架技术(XDLF)、铜夹互连、铝楔键合、节省空间的表面安装、平面引线设计。如前所述,电源封装已经从通孔(到)型到表面安装(SMD)封装发展。近年来,SMD无铅收费等包装受到了越来越多的关注。这些包完全符合汽车电子委员会的AEC-Q101标准,具有足够的动力自行车和温度自行车上(TCoB)的能力。然而,可能会出现在可靠性、当前能力或封装专利前沿的限制。因此,以下讨论了一些新兴的包装理念,以满足新的48V生态系统的电力包装市场的要求。

依照IPC国际的IPC - 9701标准,人数可以满足1000次循环(板上)的标准要求,具体取决于尺寸和厚度。但需要高晶片封装比和/或扩展可靠性的设计师可能发现它非常具有挑战性。所采用的典型基板包括FR4,铜基介金属基板(IMS)或铝基IMS。不过,在考虑一种基板选项(如铝基IMS)时,人数的板级可靠性问题可能会因为差异较大的热系数而进一步加剧。铜引线框架和铝基IMS之间的不匹配将对焊料选材产生更大压力,导致焊料疲劳和开裂。通过在人数中采用鸥翼型设计(见图7),图戈可以大幅优化可靠性,同时依然提供同等热和电性能。鸥翼设计的灵活性显著改善了可靠性性能。由于最终用户的任务不断变化,压力和可靠性的提高成为一项关键的系统要求,因此上述设计变得必不可少。

图7:托尔格和lfpak 8 x 8 mm封装

或者,随着数量中心服务服务到48v架构,针对针对针对功率要求。设计师设计师面对的优优器材的装备趋势趋势已经已经到了了趋势似乎已经到了了趋势似乎似乎封了了封封封封封。mm更大尺寸的lfpak(附图7)将成为绝佳的加载选项。相对于传统7ld2pak,8×8毫米LFPAK的机械械变变小60%,体内更是有没有它的20%。在互连技术方向,线路决定决定发电产品的电气流承载力。以d2pak为例,所使用的传输线大大为20密耳。不错,在LFPAK 8 x 8 mm中,通过实用于互连的铜夹技术,电气流承载力量将ー夹片技术还将最大限制大厦降低焊最最大量电脑和电阻。此包装方式为可实现功率密度缓解了ー存地在那里。

在服务器架构中,微处理器所需的快速响应促使采用POL转换器和稳压器。在超过1兆赫频率运行的传统功率电子封装的寄生阻抗还无法胜任。在这方面,安靠正在探索适用于功率晶体管的芯片级芯片级装配-powercsp™封装,如图8所示。此此新是一个基因寿命,可提供冷却,将将/引引框架框架顶部散热片或水冷却装配。装配的底部可装配到封孔孔和功率铜层的pcb.powercsp概念的关键词,它它了使用线路和/或铜夹片的必要性,降低了了生电气和杂散电影,从而分享减少了传导和切换损耗。而且,powercsp寄生电气的降低还有象实现更高的和功率功率密度密度。与与功率封装,如pqfn或lfpak,powercsp设计的构建可户外,Powercsp封装还的可用性。

图8:PowerCSP™包装概念

总结

在环保、经济和社会因素的驱动下,对于精密的功率电子解决方案,降低总拥有成本的需求将会不断升高。新兴的48 v生态系统为功率半导体封装市场提供了持续发展的方式。虽然功率封装本已十分成熟,但为了满足新的趋势要求,依然存在改进的空间。不管是优化晶片封装比,降低封装寄生或提高互连的电流承载能力,各种现有的产品组合和创新的新方法都能提供相应的解决方案。要克服这些挑战,需要具备扎实的技术基础以及牢固的客户合作关系。公司不仅可以满足这些要求,还具有经济和技术方面的优势,对设备与设施进行大量投资,并且为其汽车和其他功率产品客户提供长期支持。

作者:Ajay Sattu.,高级经理,汽车战略营销

参考资料:

[1]。Manish梅农等,”48 v架构:一个具有成本效益的命题oem满足日益增长的排放标准”,2018年8月14日
[2]。汽车智商等,“48 v技术的兴起——汽车智商电子书”,2018年8月14日
[3]。Branka Vuleta等,“每天创建多少数据?”,2020年1月30日
[4] .Energy Innovation等,“数据中心真正使用了多少能量?”,2020年3月17日
[5]。wiwynn等“48 v:一种改进的功率输出系统数据中心”,2017年6月
[6]。Global ICT能源效率峰会等,“5G电信电源目标网络”,2019年10月

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