Aumentare la densità di corrente dei PoL

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Nel momento in cui aumenta la richiesta di potenza da parte di sistemi di elaborazione usati in applicazioni telecom e cloud computing, i convertitori caratterizzati da una maggiore densità di potenza assicurano indubbi vantaggi ai progettisti di schede. Anche una riduzione di lieve entità delle dimensioni del modulo può avere un impatto significativo in sistemi che possono ospitare fino a 10 o 15 convertitori Point of Load che alimentano dispositivi come processori, Fpga o Asic caratterizzati da molteplici domini di potenza e dalla presenza di più rail (livelli di tensione di alimentazione). D’altro canto, l’interoperabilità tra moduli realizzati da differenti produttori permette di affrontare in maniera più efficace le complessità tipiche delle architetture di potenza digitali o definite via software. Il consorzio Amp (Architects of modern power) ha messo a punto una piattaforma che permette di sfruttare i vantaggi di entrambe. In considerazione dell’importanza del ruolo svolto dalla tecnologia di packaging nell’ottimizzazione della densità di potenza di un modulo, Ericsson Power Modules, uno dei cofondatori del consorzio Amp, ha condiviso le competenze acquisite nel settore dei package Lga (Land grid array) per consentire lo sviluppo di una nuova generazione di convertitori PoL non isolati e interoperabili in grado di assicurare un’alta densità di corrente, eccellenti prestazioni termiche ed elevata affidabilità.


L’evoluzione dei package Area-Array

I package per circuiti integrati di tipo Area-array come i Bga (Ball grid array), che utilizzano la parte inferiore del package per posizionare gli I/O sono stati ampiamente utilizzati per microprocessori, memorie e Fpga, ovvero dispositivi che a fronte di un elevato numero di I/O devono occupare uno spazio ridotto a bordo della scheda Pcb. Oltre all’elevata densità di I/O, un package Bga è caratterizzato da un ridotto valore di resistenza termica complessiva. Le numerose sferette di saldatura di piccolo diametro sono in grado di trasferire il calore in maniera efficiente verso la scheda Pcb, il quale viene successivamente disperso nell’ambiente circostante. Poiché le interconnessioni del package Bga sono più corte rispetto a quelle dei dispositivi dotati di conduttori, anche l’induttanza del package ha un valore ridotto. Ciò garantisce migliori prestazioni elettriche soprattutto in presenza di correnti di elevata intensità variabili rapidamente. L’evoluzione nel settore dei package Area-Array ha portato allo sviluppo del package Lga che prevede piazzole di I/O piatte di grandi dimensioni al posto delle sferette di saldatura del package Bga. Queste piazzole sono caratterizzate da un bassissimo valore di induttanza e un’elevata efficienza per quel che riguarda il flusso di calore. Una migliore conduzione del calore attraverso le piazzole nella scheda madre comporta notevoli benefici per i convertitori di potenza poiché consente un raffreddamento più efficace, in particolar modo per quei moduli il cui progetto è stato ottimizzato per sfruttare tale metodo di rimozione del calore.

I vantaggi dell’assemblaggio Lga

Le connessioni saldate dei package Lga assicurano ulteriori benefici ai produttori di sistemi. Quando questa tipologia di package è stata adottata per la prima volta su larga scala, alcuni produttori ipotizzarono che la ridotta altezza dei giunti di saldatura non fosse in grado di garantire la medesima affidabilità rispetto a quella dei giunti dei package Bga. Questa ipotesi non è valida in quanto è la scelta dei materiali di saldatura più che l’altezza del giunto di saldatura ad avere il maggior impatto sull’affidabilità. I test effettuati hanno dimostrato che quando sono utilizzate leghe di saldatura Sac (Sn-Ag-Cu ovvero Stagno-Argento-Rame) i risultati ottenuti con i package Lga sono migliori rispetto a quelli di altri tipi di assemblaggio. La ragione è da ricercare nella microstruttura dei giunti di saldatura dei package Lga. Un giunto di un package Lga contiene un volume di pasta di saldatura relativamente ridotto in relazione alla sua superficie, il che si traduce in una solidificazione molto veloce dopo il riflusso. Da ciò ne consegue che il giunto di saldatura è caratterizzato da una struttura granulare interlacciata abbastanza differente dalla struttura a grana grossa tipica dei giunti di saldatura soggetti a fenomeni di ri-formazione più lenti, come accade per le sferette di saldatura dei package Bga. La microstruttura interlacciata permette di ottenere giunti di saldatura più resistenti caratterizzati da un migliore comportamento a creep (deformazione in funzione del tempo) e da un ritardo nel processo di ri-cristallizzazione, tutti fattori che contribuiscono a garantire una maggiore affidabilità sul campo. Senza dimenticare che il package Lga è perfettamente compatibile con i processi di saldatura a riflusso utilizzati per gli assemblaggi basati sui package Bga in quanto vengono impiegati i medesimi processi di saldatura. Un package di questo tipo può essere utilizzato con piazzole della scheda Pcb che sono definite mediante maschere di saldatura o meno. Una piazzola di tipo Smd è spesso raccomandata nel caso di applicazioni che hanno un’elevata probabilità di essere soggette a forze di impatto. Le piazzole di tipo Nsmd (Non solder mask defined) d’altro canto, contribuiscono a migliorare l’affidabilità e risultano quindi più idonee per l’uso in applicazioni che devono garantire una lunga durata, per le quali la resistenza a fatica delle saldature rappresenta uno dei maggiori problemi.

Un progetto per ottimizzare i vantaggi del package

Ericsson Power Modules ha sfruttato i vantaggi, in termini di maggiore efficienza nell’utilizzo dell’area disponibile, ridotta induttanza e migliori caratteristiche termiche, tipici dei package Lga per sviluppare il dispositivo BMR466. Si tratta di un convertitore Dc-Dc di tipo PoL non isolato da 60 A compatibile con le specifiche PMBus destinato all’uso in applicazioni cloud, industriale e telecom dove sono richieste prestazioni elevate. È possibile collegare in parallelo fino a 8 di queste unità per alimentare carichi in grado di assorbire una corrente massima di 480 A. Questo progetto è stato dato in licenza a tutti i membri del consorzio Amp in modo da garantire la disponibilità sul mercato in tempi brevi di moduli avanzati e perfettamente interoperabili che assicurano un comportamento coerente all’interno di architetture di potenza digitali e definite via software. Il layout interno del modulo è stato ingegnerizzato in modo da ottenere un profilo del package molto ridotto. Con un’altezza di soli 7 mm, il BMR466 minimizza le interferenze con il flusso d’aria di raffreddamento attraverso la scheda. Ericsson, inoltre, ha ottimizzato la disposizione delle piazzole di saldatura del package Lga per garantire migliori prestazioni termiche e consentire una dissipazione del calore estremamente efficiente in un modulo molto compatto di dimensioni pari a 14x25 mm. Al raffreddamento contribuisce anche la convezione sulla parte superiore del modulo. I contatti del package Lga sono posizionati in maniera simmetrica al fine di ottimizzare il contatto meccanico e incrementare sensibilmente l’affidabilità dopo la saldatura. Per ottimizzare ulteriormente la qualità dei giunti saldati nei punti di collegamento con la scheda Pcb, Ericsson utilizza piazzole placcate in oro per i package Lga. L’uso dell’oro minimizza il rischio di contaminazione tra gli elementi chimici che compongono la lega saldante, con conseguente aumento dell’affidabilità. Nella Fig. 1 è possibile notare il basso profilo del modulo, la disposizione simmetrica dei pad e l’ampia superficie inferiore disponibile per il raffreddamento mediante convezione. L’uso della tecnologia Lga ha anche permesso di eliminare tutti i conduttori di collegamento interni, il che si traduce in una riduzione significativa dell’induttanza del package. Oltre a ciò, un elevato numero di contatti esterni sono pin di massa. Nel complesso queste caratteristiche contribuiscono a migliorare l’immunità al rumore e a minimizzare le emissioni elettromagnetiche. Le migliori prestazioni termiche derivate dall’uso della tecnologia Lga hanno consentito di ridurre i fenomeni di derating (riduzione delle prestazioni) della corrente di carico imputabili alla temperatura: ciò permette di mantenere una corrente di uscita di valore più elevato senza penalizzare l’affidabilità. La corrente erogata in condizioni di derating dal BMR466 è confrontabile con quella fornita da convertitori PoL concorrenti che occupano una superficie più che doppia e un volume all’incirca quattro volte superiore.

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