L'esigenza sempre più avvertita dai clienti di aumentare la potenza di ogni singola scheda e di integrare un numero maggiore di dispositivi di silicio su una scheda Pcb che ha portato allo sviluppo di server di fascia alta caratterizzati da una densità di elaborazione sempre maggiore continuerà ad avere un'influenza significativa sullo sviluppo dei futuri sistemi di potenza. La potenza richiesta da ogni scheda presente nei server utilizzati nel settore Ict è passata dai 300 W dei primi anni '80 all’attuale 1 kW (e oltre), mentre entro il 2020 è prevista una potenza per scheda compresa tra 3 e 5 kW. Le tecnologie e le soluzioni per la conversione di potenza /Dc attuali non sono adeguate per livelli di potenza di questa entità. Attualmente sono disponibili convertitori Dc/Dc da 1 kW in formato ¼ brick contraddistinti da densità di potenza non immaginabili solo pochi anni fa. A questo punto è logico domandarsi se in un prossimo futuro sarà possibile realizzare convertitori da 1 kW in formato 1/8 brick grazie all'evoluzione del packaging e alla disponibilità di componenti ad alto grado di integrazione.
Packaging in tre dimensioni
Sebbene gli attuali convertitori di potenza Dc/Dc in formato brick siano ancora realizzati sfruttando Pcb bidimensionali planari, la sempre più pressante richiesta di dispositivi caratterizzati da ingombri minimi, profili più bassi e impedenze parassite ridotte richiede il passaggio a tecnologie di packaging tri-dimensionali. Nei brick di elevate potenza l'utilizzo della tecnologia di packaging 3D è finora limitata, anche se si profilano interessanti sviluppi che prevedono l'incorporamento di component sia attivi sia passivi: i produttori di schede Pcb hanno individuato in questa tecnologia un'importante opportunità per risalire la catena del valore. Il packaging 3D prevede il ricorso a tecniche di impilamento, a livello sia di chip (chip stacking) sia di packaging (package stacking) e l'incorporamento dei componenti attraverso operazioni di sovra stampaggio (over-moulding). In un contesto di questo tipo è molto importante l'integrazione di materiali magnetici e la soluzione finale sarà l'integrazione di componenti magnetici sul wafer di materiale semiconduttore. La tecnica di packaging 3D più comunemente adottata prevede l'incorporamento (embedding) di componenti sia attivi sia passivi all'interno della scheda Pcb. Un dispositivo incorporato nella scheda Pcb offre ai progettisti di moduli di potenza significativi vantaggi tra cui riduzione degli ingombri, maggiore versatilità in termini di raffreddamento e la possibilità, ad esempio, di posizionare i driver (ovvero i circuiti di pilotaggio) in prossimità dei dispositivi di commutazione. Ciò comporta un miglioramento delle prestazioni e dell'efficienza grazie alla possibilità di minimizzare e controllare in modo più preciso le impedenza parassite dell'interconnessione nei progetti dei circuiti di commutazione ad alta frequenza. Il successivo assemblaggio 3D di altri componenti contribuirà a un ulteriore riduzione dell'ingombro e alla diminuzione delle dimensioni dei componenti magnetici. I componenti incorporati assicurano notevoli vantaggi ai progettisti che operano nel settore della potenza. In ogni caso, è essenziale il supporto dell'industria dei semiconduttori e sarà necessaria una catena di fornitura con requisiti e test di qualificazione standardizzati per i componenti attivi e passivi. Una volta creata un'infrastruttura adeguata, la tecnologia embedded darà un importante contributo al miglioramento della densità di potenza nelle applicazioni ad alta potenza. Il programma Hermes finanziato dalla Comunità Europea ha dimostrato che è possibile ottenere una riduzione delle dimensioni in misura pari al 40% dei convertitori di potenza prodotti in grandi volumi. L'isolamento magnetico, abbinato alle tecniche di incorporamento, sarà in grado di garantire un isolamento rinforzato. I percorsi di retroazione, grazie all'integrazione con le funzioni di controllo, potrebbero diventare di natura magnetica, ponendo le basi per la realizzazione di una soluzione per la conversione di potenza Dc/Dc isolata di tipo chip-scale.
Il ruolo dei component
Switching frequency for high-power Dc/Dc converters have generally been optimized for an La frequenza di commutazione per i convertitori Dc/Dc ad alta potenza è generalmente ottimizzata per una frequenza di funzionamento dell'ordine di 500 kHz (o inferiore). Per facilitare il compito di ridurre le dimensioni e incrementare la densità di potenza, è necessaria una frequenza di commutazione di 2 MHz (se non superiore) al fine di minimizzare il volume fisico dei componenti magnetici. La disponibilità, in tempi relativamente recenti, di dispositivi a semiconduttore ad ampio band-gap o Wbg (Wide Band Gap) in grado di operare, almeno dal punto di vista teorico, a frequenze superiori a 5 MHz - si pensi ad esempio ai Fet di commutazione realizzati in GaN e GaAs - ha permesso di ottenere frequenze di commutazione più elevate. Grazie a nuove topologie di convertitori Dc/Dc è possibile incrementare le frequenze di commutazione fino a valori dell'ordine dei 10 MHz. Ciò a sua volta impone la necessità di utilizzare package con componenti parassite ridotte, che possono essere realizzati ricorrendo a tecniche di integrazione tridimensionali. La disponibilità di componenti incorporati nella scheda Pcb consentirà di ridurre il valore delle impedenze parassite, fattore indispensabile per poter utilizzare i dispositivi WBG a frequenze più alte, e contribuirà a diminuire gli ingombri e aumentare l'efficienza dei convertitori Dc/Dc ad alta potenza. Velocità di commutazione più elevate saranno possibili solo grazie ai progressi nel campo dei materiali magnetici a bassa perdita in grado di supportare alte frequenze che consentiranno la realizzazione di trasformatori di potenza e induttori idonei per la produzione in alti volumi.
Esistono parecchie tecnologie che permettono di realizzare componenti magnetici integrati per applicazioni a frequenze più elevate tra cui utilizzo di materiali innovativi per il nucleo (core), sviluppo di progetti avanzati per il nucleo magnetico, oppure implementazione di progetti che prevedono l'uso di dispositivi a nucleo d'aria (air-core), che possono garantire significativi miglioramenti in termini sia di efficienza sia di densità di potenza. La possibilità di sfruttare vari approcci per realizzare componenti magnetici miniaturizzati, inclusa quella di utilizzare dispositivi a nucleo d'aria le cui prestazioni non dipendono dalle caratteristiche del materiale del nucleo, assicura una maggiore flessibilità per quel che riguarda i metodi di produzione e permette l'uso di differenti tecniche di integrazione tridimensionali, come ad esempio l'incorporamento degli avvolgimenti in Pcb multi-strato e substrati di ferrite multi-strato con strati di rame attivo integrati. Attualmente queste nuove tecniche sono limitate ai convertitori a bassa potenza ma l'evoluzione nel campo dei materiali magnetici consentirà di migliorare i materiali con cui è realizzato il nucleo e favorirà il loro utilizzo in prodotti caratterizzati da correnti di uscita più elevate. In futuro sarà anche possibile conseguire l'obiettivo principale dell'integrazione tridimensionale: l'incorporamento dei componenti magnetici nel wafer di materiale semiconduttore che renderà possibile lo sviluppo di un sistema completo di tipo monolitico.
Tecniche di gestione termica
I progressi nel settore dei componenti e delle tecnologie di packaging hanno permesso di ottenere potenze nominali sempre più alte al punto che la densità di potenza, in termini di Watt per cm3, è di un ordine di grandezza maggiore rispetto a quella ottenibile con le tecnologie utilizzate una quindicina di anni fa. I più recenti moduli brick di potenza introdotti sul mercato, come il modulo in formato ¼ brick da 864 W di Ericsson, è caratterizzato da una densità di potenza di 37 W/cm3: in presenza di densità di questo tipo è indispensabile adottare tecniche di gestione termica molto efficienti. Poiché i componenti elettronici come i dispositivi a semiconduttore sono sensibili alle alte temperature, è indispensabile assicurarsi che i componenti presenti nei moduli brick ad alta densità di potenza siano raffreddati in maniera adeguata e fatti funzionare a una temperatura "ragionevole". Se il meccanismo per il trasferimento del calore non è estremamente efficiente, il progetto sia l'affidabilità del sistema di potenza risulteranno compromessi. I meccanismi più utilizzati per raffreddare le apparecchiature elettroniche sono il raffreddamento per conduzione e per convezione. La dissipazione di potenza del componente (Pd, comp) e la resistenza termica tra giunzione e contenitore (Rth, J-C) di ciascun componente critico sono fattori estremamente importanti in quanto determinano la temperatura di giunzione effettiva che limita le prestazioni termiche del convertitore Dc/Dc, ovvero la più alta temperatura consentita del contenitore alla massima potenza di uscita. La differenza di temperature tra la giunzione del componente (o nucleo) e il contenitore può essere calcolata utilizzando la seguente equazione:
TJ-C = Pd, comp x Rth, J-C
Appare ovvio che tecnologie e tecniche di raffreddamento avanzate, destinate a migliorare le prestazioni termiche dei package 3D emergenti che consentiranno il raddoppio della densità di potenza (75 W/cm3) rispetto ai valori attualmente conseguibili, sono indispensabili e saranno i fattori chiave per ottenere maggiori densità di potenza indipendentemente dalle evoluzioni della tecnologia dei componenti. Molti componenti standard non sono adatti per lo sviluppo di progetti ad alta densità o 3D a causa delle loro insufficienti prestazioni termiche. Tra le altri aspetti legati alla gestione termica da tenere in considerazione quando i convertitori Dc/Dc erogano elevati livelli di potenza si possono annoverare i seguenti: distribuzione di correnti di valore elevato, tecnologia dei connettori, assemblaggio su schede a 45 strati e inadeguatezza di tecniche di raffreddamento tradizionali, anche se molto avanzate, come ad esempio la convezione ad aria soffiata. Molto probabilmente il sovra-stampaggio continuerà a essere la tecnologia utilizzata per migliorare le prestazioni termiche, ma è anche chiaro che sarà necessario ricorrere a packaging avanzati dal punto di vista termico per tutti i dispositivi di potenza, inclusi condensatori e componenti magnetici, per consentire il raffreddamento da almeno due superfici opposte: inoltre sarà richiesto l'uso di tecniche di raffreddamento, processi e materiali termici più avanzati. Invece di montare i componenti di potenza su una scheda Pcb mediante colla epossidica (die attach) o materiali di interfaccia termici, i componenti stessi sono posizionati su una scheda carrier temporanea mentre attorno ad essi viene realizzato un dissipatore di calore mediante un processo di elettroformatura. Sulla stessa scheda è possibile integrare componenti di varie dimensioni e spessore, dando vita a uno strato che viene identificato con l'acronimo ITAP (Integrated Thermal Array Plate). Quando la scheda carrier è rimossa, le superfici superiore e inferiore dei componenti sono co-planari, così da ottenere in modo semplice un collegamento termico definito e ottimizzato. Ciò assicura un miglioramento della resistenza termica in misura fino al 50% (ovvero una dissipazione di potenza superiore del 50% per un valore fisso di TJ) rispetto ai componenti assemblati all'interno del package mediante tecniche tradizionali che prevedono l'uso di colle epossidiche o processi di saldatura. Nel caso di chip impilati (stacked chip) una soluzione potrebbe essere il ricorso alla tecnologia Tvs (Through-Silicon-Vias) unitamente all'uso di tecniche di raffreddamento a liquido. Anche in questo caso i risultati sperimentali hanno evidenziato la possibilità di ottenere un miglioramento del 50% delle prestazioni termiche. La sostituzione della saldatura e del grasso termico con la sinterizzazione negli assemblaggi che utilizzano la tecnologia Dbc (Direct Bond Copper) è un'altra tecnica he potrebbero comportare un significativo miglioramento delle prestazioni termiche. Il raffreddamento mediante liquido termicamente conduttivo per componenti a elevate potenza e il raffreddamento per convezione ad aria forzata di componenti che dissipano potenze di valore medio-basso sono altri esempi di potenziali tecniche di raffreddamento. L'uso di tecnologie di raffreddamento a liquido di tipo passivo (mediante tubi di calore, ad esempio) sarà probabilmente sempre più diffuso per gestire un modo efficace "punti caldi" locali. La dissipazione termica abbinata al raffreddamento per convezione potrebbe essere impiegata ancora per lungo tempo grazie alla riduzione delle impedenze termiche dei package dei componenti ottenuta grazie al miglioramento delle tecniche di assemblaggio dei chip, anche se potrebbe essere necessario il ricorso a tecnologie di raffreddamento a liquido attive per i componenti caratterizzati da un'elevata dissipazione di potenza presenti all'interno dei convertitori Dc/Dc ad alta densità di potenza.
Modulo 1/8 brick da 1 kW
Gli sviluppi in corso nel settore delle tecniche di packaging 3D e dei dispositivi chip-scale proseguiranno su scala ancora più ampia, inclusa l'integrazione di dispositivi magnetici di potenza che permetterà di incrementare sensibilmente i livelli di potenza rispetto a quelli degli attuali convertitori buck non isolati. L'uso di componenti magnetici planari è già molto diffuso e per gli assemblaggi dei convertitori di potenza l'uso di tecniche di sovrastampaggio contribuirà a migliorare le prestazioni termiche. A questo punto val la pena sottolineare che lo sviluppo di tecniche di packaging 3D e di incorporamento dei componenti necessarie per raddoppiare la densità di potenza non può essere sostenuto solamente dalle aziende che realizzano convertitori di potenza Dc/Dc. Anche le società che lavorano nel comparto degli azionamenti per motori e automobilistico devono fare significativi investimenti. Inoltre è indispensabile anche il supporto dei produttori di componenti di potenza che devono produrre dispositivi idonei e definire specifiche e test di qualificazione standardizzati. L'aumento della densità di elaborazione dei server continuerà ad avere un impatto significativo sulla densità di potenza dei futuri convertitori Dc/Dc. La richiesta di potenza da parte di ogni singola scheda presente nei data server utilizzati in ambito Ict è aumentata notevolmente negli ultimi anni e nel prossimo futuro sarà dell’ordine di 3-5 kW. Le apparecchiature, inoltre, dovranno essere più compatte, il che comporta un incremento della densità di potenza complessiva. Lo sviluppo nel comparto del packaging 3D e delle altre tecniche di incorporamento rappresenta la base per ottenere significative migliorie a livello sia di densità di potenza sia di gestione termica. I risultati sperimentali hanno evidenziato che sarà possibile produrre su larga scala componenti caratterizzati da una densità di potenza doppia rispetto a quella attuale e utilizzare tecniche e soluzioni di gestione termica che permetteranno di mantenere le temperature del core dei componenti entro i limiti prefissati, in modo da garantire affidabilità di funzionamento e semplificare la realizzazione di moduli da 1/8 brick da 1 kW. L’ostacolo maggiore sarà rappresentato dallo sviluppo di nuovi materiali per il core e di materiali magnetici a bassa perdita in grado di supportare frequenze superiori a 5 MHz.
