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創新電源模組封裝

5x Density in 40 years image

系統的供電網絡 (PDN) 由無源及有源組件組成,如線纜、連接器、AC-DC 及 DC-DC 轉換器和穩壓器等。爲了實現新功能和機械及液壓系統的電氣化,功率隨之提升,PDN 性能也變得越來越重要,在某些情況下,由於 PDN 佔位面積、重量和功耗的原因,限制了終端系統的功能。

電源系統設計工程師面臨越來越大的壓力,需要設計小型、輕量級、高效 的PDN ,因爲達成這一目標就可以定義一款領先產品,爲 OEM 廠商帶來主要終端系統性能和競爭優勢。

40 年的創新

瞭解這些電源系統設計挑戰和關鍵 PDN 性能規範的重要性,可推動 Vicor 不斷創新,使其始終處於電源系統技術的最前沿。要做到這一點,就需要在許多層面上對創新作出重大承諾。

電源創新的四大支柱:

  1. 供電架構
  2. 電源轉換拓撲
  3. 控制系統
  4. 電源模組封裝

每個層面都有多個維度,每個維度都相輔相成。電源創新的四個層面將共同推動電源模組性能的提升。架構 PDN 是所有電源系統工程師的第一步,一個良好的架構最終可定義整體性能。

架構開發需要提出對優化性能至關重要的問題:何時轉換、穩壓和隔離?在 PDN 中使用和分配什麼電壓?

答案因需求而異,但解決方案的模塊化元件完全相同,使用高頻率開關(電源轉換)拓撲,可減少無源及磁器件的值,因此可縮小其尺寸,而零電壓及零電流開關等創新控制系統,則可顯著降低功耗。

用於電路板、磁性組件、半導體和無源組件的高級材料可實現更低的功耗以及更小的組件尺寸。

然而,如果沒有電源模塊封裝的不斷創新,所有這一切都不會產生什麼影響,因爲電源模塊封裝最終定義了功率及電流密度。

電源模組封裝是 Vicor 的獨特差異化技術,自公司成立以來一直是其核心競爭力。1984 年,由其封裝而得名的模組化磚型 DC-DC 轉換器組件推出,具有如下創新特性:

  • 支持分佈式電源架構
  • 高效準諧振正激轉換器拓撲
  • 零電流開關 (ZCS) 調頻 (FM) 控制系統,可降低功耗

在開關頻率高達 1MHz 的情況下,無源組件和磁性組件的物理尺寸顯著縮小,降低的功耗使電源模組具有突破性的功率密度,這改變了整個電源行業(圖 1)。

VI-100 Full Rbick vs. NMB6123

圖 1:從提供了領先密度和效率的早期磚型解決方案到今天的 ChiP,Vicor 已幫助電源系統工程師取得巨大進步,特別是在功率密度方面。

從磚型封裝轉向 VIChip 和 ChiP 封裝

2008 年,Vicor 推出了全新創新產品,與磚型解決相比,其顯著提高了功率密度,此外,Vicor 還爲電源系統行業帶來了電源系統組件式設計方法(圖 2):

  1. 分比式電源架構 (FPA™)
  2. 一種全新的高頻率拓撲,被稱爲正弦振幅轉換器 (SAC™) 
  3. 零電壓開關 (ZVS) 和零電流開關 (ZVC)
  4. 全新封裝材料

新架構加上更高頻率的開關拓撲以及控制系統 ZVS 和 ZCS 的改進,再次降低了功耗並實現了更高的電源模塊集成度,這是開發新封裝 VI Chip 的推動力。該封裝完全採用二次成型的 PCB 組裝,使用熱效率很高的可塑化合物,包含了我們與核心供應商聯合開發的特殊材料。該模塊在單個模腔中製造,結合 J 型引腳,適用於客戶主板上的表面安裝。由此產生的一系列新電源模組不僅提供了突破性性能,爲 IBM 針對其超級計算機開發的 1V 以下大電流處理器提供了動力,而且爲 10 年後 Vicor 48V 至負載技術在數據中心和人工智能處理器市場處於領導地位奠定了堅實基礎。

VI Chip vs. ChiP image

圖 2:需要 VI Chip 和 ChiP 封裝,才能全面實現最新分比式電源架構的突破性進展以及在拓撲、控制系統、組件和材料等方面的持續發展。

2015 年,控制系統、拓撲、組件和材料的進一步改進使 VIChip® 封裝得以重新設計,利用功耗的進一步降低、更高頻率的控制系統與拓撲,提高了功率密度和電流密度。新封裝命名爲轉換器級封裝 (ChiP™),其構造和製造方法在 Vicor 以及電源模組製造行業開創了新天地。全新 ChiP 封裝因其雙面組件裝配以及從固定尺寸的面板切割而著名,類似於從晶圓片製造切割硅芯片。

重要的電源模組封裝屬性

雖然創新的四大支柱推動了 Vicor 的發展,但電源模組封裝最能突出該公司的專長。有 5 個屬性能使轉換器或穩壓器模組封裝真正達到世界級,實現高性能供電(圖 3):

  • 高功率密度和高電流密度
  • 高效的散熱性能
  • 集成磁性組件
  • 與大批量 PCB 裝配技術兼容
  • 採用大批量自動化製造技術進行模組生產

Vicor 電源模組封裝開發的每個步驟都採用了新材料、有源及無源組件,而且最值得一提的是,基於更高的開關頻率對磁性結構的改進。更高頻率主要通過改進 Vicor 專有控制 ASIC 中整合的拓撲和控制系統實現。最近推出的第 4 代 ASIC 分別實現了 10kW/in3 的功率密度和 2A/mm2 的電流密度,從而實現了一系列 AC DC 大功率前端轉換器和負載點 (PoL) 電流倍增器。這些最新一代模組化電源解決方案正在改變數據中心和汽車應用中 PDN 的架構和設計方式。

電源模組內的多層電路板設計複雜。它們需要特殊材料實現最佳熱傳導,以便在最小的空間內管理大電流和高電壓,同時最大限度降低功耗。

佈置雙面組件支持兩側排熱,可最大限度提高性能和額定功率。鍍銅 ChiP 進一步提升了 ChiP 封裝技術,採用纏繞式銅套顯著簡化了熱管理。

材料科學在提高電源封裝性能方面發揮着巨大作用,特別是在開關頻率爲幾 MHz 的時候。

主要的儲能內核對整個模組的性能發揮着至關重要的作用,是電源系統設計中功耗的主要來源之一。當單個模組的電流強度上升到數百安培時,內核、內核繞組和 PCB 材料組分不斷優化,可實現更高的開關頻率、功率以及更低的輸出電阻(ROUT),從而可減少功耗。通過將儲能電感器或變壓器集成到電源模組中並最大限度提高其性能,電源系統設計人員不僅可擺脫優化外部電感器時遇到的困難以及時間損耗,同時還可減少整個電源系統的空間佔用。

一個能獲得所有這些重要設計要素的電源模組系列是電流倍增器,其現在主要爲高性能計算應用中使用的一些最先進的人工智能 (AI) 處理器供電。Vicor VTM 和 MCM 不僅能提供高達 1,000A 的電流,同時還能直接把 48V 轉換成 1V 以下的電壓。這些器件中的集成平面磁性組件經過 12 年的優化,現在能達到 2A/mm 的電流密度,這一密度還將進一步提高。

VI-200 vs. DCM ChiP image

圖 3:拓撲、控制系統和最新供電架構的發展在過去幾年推動實現了更高的功率密度,顯示了功耗每 2.5 年就將降低 25%,如早期的全磚 VI-200 DC-DC 轉換器(左)和最新堆疊 CHiP GCM 和 DCM 模組(右)所示。

與大批量 PCB 裝配技術兼容

世界各地的大批量承包製造商 (CM) 都使用表面貼裝回流焊。最新 SM-ChiP™ 是電鍍覆蓋壓模封裝,旨在滿足印刷電路板的表面貼裝需求,與 CM 製造技術及設備兼容。封裝的電氣連接和熱連接主要通過電鍍槽形終端的焊接連接特性,沿模組四周和主封裝體連綿不斷的電鍍表面形成。

採用大批量自動化製造技術進行模組生產

ChiP 從標準尺寸面板製造切割而成,能充分利用模組內 PCB 的兩面滿足有源及無源組件的需求(圖 4)。從面板上製造和切割 ChiP 與從晶圓片上製造切割硅芯片的方法極爲相似,可實現流暢、大批量、可擴展製造操作。

ChiP panel image

圖 4:最新面板製造工藝是電源產業的又一項創新。所有 ChiP 均從相同尺寸的面板切割而來,支持大批量自動化的製造流程。

3D ChiP 使人工智能和高性能計算成爲可能

ChiP 封裝的最新創新正在實現一些新的高增長應用。最高要求之一是先進的人工智能,其中處理器電流強度已超過 1000A。在這些應用中,PCB 銅箔電源層的配電損耗已成爲一個占主導地位的損耗項,並制約着性能。

爲了滿足這些苛刻應用的要求,電源模組最大限度降低阻抗的最佳位置是直接位於處理器下方,並將電源模組的輸出功率引腳與上面處理器的電源引腳陣列精確匹配。遺憾的是,這也是儲能所需大量旁路電容器的最佳位置,以滿足瞬態處理器的電源需求,從而會造成電路板佈局衝突。

垂直供電的 ChiP 堆棧

垂直供電 (VPD) 的難題已經使用多層堆疊技術解決(圖 5)。全新 VPD 電源模組由電流倍增器層和“變速箱”層組成,包含旁路電容器,可改變電流倍增器螺距,以匹配上面 AI 處理器電源引腳映射的螺距和佈局。這種全新多層封裝技術不僅可幫助 AI 處理器電源系統設計人員以最優的方式供電,而且還可幫助他們通過其處理器爲高性能計算 (HPC) 應用獲得最高性能。

Vertical power delivery image

圖 5:採用堆疊 ChiP 爲先進的 AI 處理器垂直供電,可縮小電路板並降低基板功耗,從而可提高處理器性能。

總結

ChiP 封裝方法的重點是最大限度減少構成模組的每個單個組件和元件。隨着 Vicor 實現性能的進一步提升,ChiP 封裝將刷新創新記錄。40 年來,Vicor 一直在超越磁性組件和電源工程的極限,定期爲客戶提供新一代功率密集型產品,幫助他們實現改變世界的創新。有了這樣的動力,以這 5 大支柱爲指南針,這段旅程還遠未結束。

Tom Curatolo 是支持航空航太和國防部門的首席科技銷售工程師。Tom 在高科技電子行業擁有超過 40 年的經驗,尤其在電力電子和電源架構方面非常專業。他在 Vicor 公司服務了 30 多年,大部分時間都致力於應用工程領域,在支持 Vicor 產品所對應的各種客戶群和市場方面擁有豐富的經驗。Tom 於 1985 年獲得伍斯特理工學院電氣工程學士學位。Tom 常駐馬塞諸塞州的安多弗。

Tom Curatolo

Tom Curatolo, 首席技術銷售工程師

本文 最初由  Power Electronics Europe 發表。

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