2020年9月21日，Anysilicon
随着每年通过的，新兴增长应用领域，如汽车，云计算，工业自动化和电信（5G）基础设施都是更多的关注。虽然应用程序段不同，但在系统级别实现了电压转换和功率分布的平均值。系统要求变得越来越重要，可以减少有效的碳足迹。因此，正在开发和部署新的48V生态系统，以满足各种目标，包括非常高的效率。无论是电源，计算元素还是存储器块，半导体都处于满足这些需求时解决方案的关键。本文的重点是讨论这些应用领域的市场和技术趋势，并就创新的电力包装平台如何努力满足电气和热要求，分享思考。
今天大多数奢侈品车辆运行数百万线代码网络，最多100个电子控制单元（ECU）[1]。在汽车中的电气化，舒适特征和先进的驾驶员辅助系统（ADA）越高，对总功率预算的需求越高。作为这些先进功能的一些，今天在豪华车迁移到标准汽车时，成本变得迫切，而不会牺牲电力系统的效率。今天现有的车辆电源树直接从12V电池供电，以便机械辅助载荷（通常<5-7 kW），例如水和油泵，气候压缩机，主动滚动控制，前灯和尾灯。这些负载结合了满足企业平均燃料经济性（CAFE）标准和电力饥饿的ADAS系统的额外要求，以满足企业平均燃料经济性（CAFE）标准和磁力饥饿的ADAS系统，使其充满努力提高效率。虽然汽车原始设备制造商（OEM）多年来一直用电气对应物代替机械驱动的部件，但进一步需要48V系统等新架构。在短期内，OEM及其第一（Tier1）供应商可以选择双重架构（12V和48V），直到将来发生永久转换到48V电网。
汽车厂商和tier1最近推出了几种轻度混合动力汽车(MHEV)解决方案。例如，奥迪推出了一款容量为12千瓦的新型带式交流发电机系统(BAS)，为其轻型混合动力汽车提供动力，同时还为传统的12V系统[2]配备了DC-DC转换器。同样，戴姆勒也为其s级推出了一款集成起动发电机(ISG)，容量可达16kw[2]。戴姆勒，像奥迪一样，也在为传统的12V负载实现DC-DC转换器块。Tier1供应商法雷奥(Valeo)推出了其eCruise4u平台，该平台结合了自动驾驶和48V混合动力系统。该平台的产品之一，e4AWD巧妙地结合了集成带式起动发电机(iBSG)和电动后桥驱动(eRAD)，为其MHEV系统增加了22千瓦的容量，从而降低了17%的燃油消耗。另一款Tier1汽车德尔福推出了48V混合动力系统，如图1所示，其中包含一个电子增压器，可将燃油效率提高15%。这种电子增压器系统还可以使用动态箕斗火(DSF)汽缸失活的概念，减少CO2排放量13％[2]。
图1：来自Delphi Technologies的48V温和混合动力系统（以前的Delphi Automotive）
向48V电网的转变带来了许多好处，如线束截面和重量减轻，从而使车辆更轻，减少排放。尽管转向架机械部件的电气化、舒适性和方便性以及其他系统会有所帮助，但使用马达(小于25kW)的温和杂交技术将带来显著的实际好处。据[1]估计，mhev将减少CO2排放量15％，其中大约为70％，大约30％的全杂交系统成本的益处。显然，预计与全杂化车约4500美元相比支付额外1500美元左右的1500美元左右的愿意为MHEV车辆增长产生动力。此外，48V电源网还可以用于为未来的车辆到所有（V2X）连接和ADA提供系统准备（负载控制点）。在未来十年期间，随着3级到5级的自动驾驶车辆，ADAS系统的电源要求将仅涌现。目前的2级能力按1KW的顺序需要功率速率，而4级/级5系统需要10倍的电源。这与成本和排放福利一起，48V MHEV系统被视为扩张EV市场的网关。
今天，七百万个数据中心，各地都需要管理超过2.5多个数据字节的数据，从个人和业务使用每天创建。在迄今为止创建的44个Zettabytes（44万亿千兆字节）的数据中，在过去2年中创建了90％的数据[3]。由于超顶（OTT）流服务，5G，物联网（物联网）和社交媒体，预计大数据将显着变形云和边缘数据中心。典型的数据中心将提供数据存储，处理，网络和分发等服务。为了管理这些服务，运营商需要大量的电量大约100多个MW。多达40％的数据中心的运营成本来自服务器的电源和冷却机器所需的能量[4]。电力使用有效性（PUE）和总体拥有成本（TCO）是数据中心运营商的两个非常重要的指标，以降低成本并提高利用率。平均而言，从AC网格转换到各个服务器的微处理器的转换中，大约30-35％的电源被浪费。沿着此电源路径，损耗主要可以在三个方面减少 - 通用电源（UPS，GRID到数据中心），服务器机架电源和各个服务器电源。直到几年前，数据中心被设计为每机架4到5kW，现在它们每机架10kW高达10kW。 Increasing rack power density up to 30kW or more will be the trend in the future [5]. As a result, smaller and efficient power supplies are needed as they can improve the PUE, resulting in greater server density and additional revenue per foot of floor space ($/ft).
图2：数据中心电源输送系统（源：Wiwynn [5]）
在电力架构方面，目前的数据中心设计为12V电网，如图2所示。与汽车48V系统一样，数据中心的动力架构也支持向48V的转变。这种位移可以提高功率密度，降低分布损耗(I2R损失16X)，更高的效率，部署灵活性和成本效益的机架内ups[5]。在机架级的好处是明显的，考虑到母线尺寸的减少，涡轮电容器的数量和铜损失。然而，挑战仍然是如何实现从48V到服务器板的电压转换。为了启动中央处理器(CPU)内核和双数据速率(DDR)内存块，传统上需要低于1.8V。对于更高的降压比(48V到1.8V)，实现开关电路的类似转换效率是困难的。每个功率转换阶段，包括交-直流和直流到负载点，必须在机架水平上具有相似或更高的效率。为了满足系统级一致性，封装更小的形状因数和更高的功率是关键。
为了解决当前4G网络的缺点，5G网络应该能够处理大量流量（以太网上的收音机）和大容量（IOT，连接密度和带宽），同时非常可靠（边缘计算，延迟）。关键的变化包括：一个新的频谱，更多的站点和多访问边缘计算。目前，4G LTE网络的传输带宽的理论限制约为150 Mbps，其不能满足5G的要求。为了实现更高的带宽，5G网络使用较高的C波段。此外，大量多输入多输出（MIMO）技术是提高吞吐量的关键。如图3所示，就拓扑而言，现有的4G网络赞成分布式无线电接入网络（DRAN）架构，其中天线，远程无线电头（RRH）和基带单元（BBU）是分开的。然而，5G网络倾向于赞成集中式或云（C-RAN）分发以整合基带功能，将它们从小区站点移动到集中位置。在5G网络中，预计RRH和天线在BBus池位于边缘站点时已集成。BBU池（或核心网络）共享相同的物理基础架构，包括路由器，物理基础设施，电力和冷却系统等网络设备。然而，更多的网站和更高的计算要求将进一步提高网络能耗。
图3：4G LTE与5G网络拓扑
根据电信运营商，一个带5G设备的功耗可能350％，具有类似的配置[6]。5G BBU消耗约300W，而RRU在30％负载下消耗约900W（峰值为约4 kW）。随着在接下来的3年内添加更多频段，峰值功耗将增加到约14千瓦。除此之外，随着MM波的添加，峰值功率可能增加到20kW [6]。尽管现有的4G电信电源是在-48V时设计的，但这些电源单元与5G需求不兼容。由于电源要求大约为1 kW，4G系统中的电源电缆的绝对功率损耗趋于更小。然而，在5G系统中，相同电缆长度的绝对损耗较高，导致电缆沿电缆较高。与大多数电源一样，一旦电压降至低于阈值“低输出电压”，电源会关闭。为缓解此问题，电源设计人员可以使用附加的DC-DC转换器将电压电平提升至约-57V以进行有效操作[6]。结果，5G网络的功耗增加为整个电源系统带来挑战。
符合上述市场要求，半导体供应商的新市场机会有显着增加。在汽车部门，温和的混合段约为今天总产量的1.5％至2％;然而，到十年结束时，预计将增长至约15％。因此，由于采用温和的混合系统，每辆车的功率半导体含量预计将增加大约75美元/车辆。类似地，随着迁移到48V电源网络的超高音和5G数据中心，电源设备的材料清单（BOM）设定为增加约40美元。最后，由于5G基础设施部署，橱柜和刀片电源要求都会增加功率晶体管的需求。48V生态系统呈现了半导体供应商在这些应用程序段中应用协同效应的机会。从整体新的市场机会来看，图4概述了关键申请部门和各自的增长前景。无论是汽车和云计算中的48V还是-57V，潜在的装配和测试业务也将在未来十年内显着增长。
图4：48V生态系统新的可用市场（TAM）（Amkor估计）
考虑到目前为止所讨论的应用趋势，普通主题是客户需要高效，占用更少的空间和非常可靠的功率半导体解决方案。超过30年，由于硅（SI）功率MOSFET技术，电源包和电路拓扑结构，电力转换效率和成本（$ / W）显示出稳定的改进。虽然SI一直是主主，但Merit（Ron X QG，Ron X Qoss）的数字已达到Si的理论界。较新的材料系统，如氮化镓（GaN），已进入市场空间，提供更好的性能。然而，为了实现系统益处，包装技术不得限制可实现的电气和热效。从历史上看，功率装置包装已经从诸如-247和220的通孔封装演变，长线导致表面安装部件，导线如D2Pak，DPAK，SO-8。此外，铅封装已被脱脂表面安装选项所取代，例如无引导（收费）和PQFN。随着需求增加的功率密度和高度可靠的解决方案，包装行业必须提供创新的选择来满足新兴趋势。客户可能需要通过双侧冷却，芯片级包装和多模集进行有效的热管理来提供有效的热管理，以减少寄生。但是，在成本，性能和可靠性方面将有权衡。
汽车用例提供了一个有用的例子。皮带起动器发生器应用需要大约12kW，其中来自电力系统的中间导轨处于48V。电动机上电的逆变器阶段使用额定功率高于48V的MOSFET，而电流高于500A。通常，多个MOSFET并联以满足完全功率要求。在功率级，在为整个3相实现的高侧和低侧支腿中平行的电源级，特别是当功率级集成在电机本身内时，印刷电路板（PCB）空间是高级的。D2PAK 7L，一种在这种应用和瓦数外壳中使用的公共包装，具有15x10x4.4mm的封装尺寸。但是，当牛奶厂需要几个包装时，空间变为溢价。类似于D2Pak，收费（11.7 x 9.9 x 2.3 mm）也是一种模制包，已针对大功率和高可靠性应用进行了优化。但收费（图5）提供30％的尺寸和> 50％较小的形状拟合，允许紧凑的设计和高电流能力和低热电阻（RThjc.）。另一个关键的关键方面正在不断发展汽车半导体的使命概况，该特使配置是在板级授权更高级别的可靠性。
图5：D2PAK 7L VS. Toll Power Packages
云计算和边缘数据中心的服务器电源有不同的电源需求，需要为CPU内核、DDR内存和备轨、风扇、驱动器等负载点供电。对于优先采用分布式负载点(POL)体系结构的应用程序，单个包中的功率块或功率级是最佳选择。由于集成的灵活性，像PQFN这样的包(图6)变得越来越流行。PQFN封装提供了提高模封装比和暴露散热器的范围，从而提高服务器电源的功率密度。更大尺寸的PQFN通过使用铜(Cu)夹技术的模具堆叠提供了多个fet(功率块)的集成，如图6中PQFN双堆叠图片所示。另一种选择是将栅极驱动器与高侧和低侧功率场效应管(功率级)集成，以实现智能功率应用，如DrMOS。这在图6中显示为单个堆栈选项。此外，pqfn还用于电信基础设施、基带板和DC-DC转换器等应用。
图6:PQFN多模配置
作为领先的外包装配和测试之一（OSAT）供应商，Amkor在新兴的48V生态系统中提供了各种各样的产品组合。这种强大的立场源于全球存在和与顶级半导体供应商的合作伙伴关系。电源包装得到两台不同的工厂地点 - amkor马来西亚（ATM）和Amkor Japan Fukui（JFI）。广泛地，提供了几种价值创造功能和技术差管，例如先进的引线框架技术（XDLF），铜夹互连，铝（AL）楔形粘合和节省空间的表面安装，扁平引线设计。如前所述，电力包装从孔（To）类型的孔（To）型材展开到表面贴装（SMD）封装。最近，SMD诸如收费之类的无铅套餐得到了更多的关注。这些包装完全资格到汽车电子委员会的AEC-Q101标准，船上充足的电动循环和临时循环（TCOB）能力。但是，可以在可靠性，当前能力或包裹前方前面出现限制。因此，下面讨论了一些新兴的包装思想，以满足新的48V生态系统电力包装市场的要求。
基于IPC International的IPC-9701标准，收费可以根据芯片尺寸和厚度满足1000个循环（船上）的标准要求。然而，需要高芯片的设计者与包装比和/或延长可靠性可能会挑战。使用的典型板基材是FR4，基于Cu基金间基板（IMS）或基于Al的IMS。然而，当考虑基于Al的IMS的诸如诸如Al的IMS的基板选择时，由于巨大不同的热量系数，因此缩短的电路板级可靠性问题可能进一步恼怒。Cu Leadframe和Al-IMS之间的不匹配将导致焊料材料的压力更高，导致焊料疲劳和裂缝。通过在收费设计中使用鸥翼方法（参见图7），Tolg可以显着提高可靠性水平，同时仍提供可比的热和电气性能。Gullwing设计的灵活性提供了可靠性性能的显着提高。由于在最终用户段中更改任务配置文件，因此这成为必要的，其中扩展的压力和可靠性已成为关键系统要求。
图7：Tolg和LFPAK 8 x 8 mm封装
或者，随着Datacenter Server Farms迁移到48V架构，对地址举行的电力密度要求将是一个关键问题。提高功率器件数据的趋势仅仅可以乘坐设计师到目前为止。较新的包装，如LFPAK（见图7）在更大的体型中，如8 x 8毫米，将是一个很棒的补充。与传统的7L D2PAK相比，8×8毫米的LFPAK在机械尺寸下较小60％，但体积的80％也较低。就互连技术而言，线键决定了当前发电电源产品的电流承载能力。在D2PAK的情况下，所用键合线的最大直径为20密耳。然而，在LFPAK 8 x 8 mm中，通过使用铜夹技术进行互连，电流承载能力将要高得多。通过剪辑技术显着大化来自线键的寄生电阻和电感。这种包装方法减轻了可实现的电力密度的一些问题。
在服务器架构中，微处理器要求的快速瞬态响应时间导致了POL转换器和电压调节器的采用。传统电力电子封装的寄生阻抗在超过1MHz的频率下操作不足。在这方面，AMKOR正在探索电源晶体管的芯片刻度封装 - PowerCSP™包装 - 如图8所示。这一创新概念是基于引线框架的芯片刻度包装，允许双面冷却顶部/引线框架侧可以连接到散热器或水冷。包装的底侧可以使用热通孔和功率Cu层安装到PCB。PowerCSP概念的主要优点在于它消除了线键和/或Cu夹，导致低寄生电阻和杂散电感，从而降低导电损耗和切换损耗。另外，PowerCSP的降低的寄生电感有助于实现更高的开关频率和功率密度。与诸如PQFN或LFPAK等塑料电力封装相比，PowerCSP设计可以用简化的过程流构造，从而降低了可靠性问题的可能源。此外，PowerCSP封装将为多模集进行多电源，以实现转换器内型解决方案。
图8：PowerCSP™包概念
受环境，经济和社会因素的推动，对复杂的电力电子解决方案的需求，降低总体拥有成本，将增加。新兴的48V生态系统为功率半导体封装段提供了一种倾向的网关。虽然电力包装成熟，但需要改进以满足新兴趋势。无论是改善骰子到包装比，还原包装寄生剂或增加携带能力互连的电流，广泛的现有组合和创新的新方法都可以提供解决方案。这需要强大的技术了解如何以及完善的客户伙伴关系，以提供这些挑战。Amkor不仅可以满足这些要求，而且还具有金融和技术实力，为设备和设施做出重大投资，并为其汽车和其他权力客户提供长期支持。
引用:
[1]。Manish Menon等人，“48V架构：一个成本效益的OEM符合日益排放规范的主张”，8月14日TH.,2018年
[2]。汽车IQ等人，“48V技术的崛起 - 汽车智商电子书”，8月14日TH.,2018年
[3]。Branka Vuleta等，“每天创建多少数据？”，1月30日TH.，2020年
[4]。Energy Innovation等，“数据中心真正使用了多少能量？”，3月17日TH.，2020年
[5]。Wiwynn等人，“48V：数据中心的改进的电力输送系统”，2017年6月
[6]。全球ICT能效峰会等，“5G电信电力目标网络”，2019年10月
PowerCSP是Amkor Technology，Inc。的商标
©2020，Amkor Technology，Inc。保留所有权利。
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这是Ajay Sattu，SR Manager，Amkor Technology，Inc。的Ajay Sattu博士的旅客帖子
