Packaging e potenza

PACKAGE –

L’evoluzione del packaging, un aspetto critico per le prestazioni di gestione e distribuzione dell’energia.

Negli anni, le soluzioni di packaging per elettronica di potenza hanno vissuto una profonda metamorfosi, evolvendo dal semplice contenitore in metallo alle soluzioni basate su materiali e progetti termo-meccanici più avanzati. Tale evoluzione ha seguito la trasformazione architetturale che ha portato dalle alimentazioni separate e indipendenti, ai circuiti con power management integrato. La riduzione degli ingombri dei sistemi, resa possibile dall'uso di frequenze di commutazione sempre più elevate e dalla miniaturizzazione dei semiconduttori, ha guidato la prima fase di questa evoluzione. I più recenti sviluppi, tuttavia, sono stati favoriti anche dai progressi nella progettazione termo-meccanica, in particolare per quanto riguarda i componenti di power management.

Beyond the Box

L'ultimo decennio è stato testimone di un progresso estremamente aggressivo nel campo della miniaturizzazione dei semiconduttori. Durante i 30 anni dal 1982 al 2012, i processi per la fabbricazione delle logiche Cmos commerciali hanno percorso un cammino di riduzione delle geometrie che li ha portati dal "nodo" degli 1,5 μm al nodo dei 22 nm. L'incremento risultante in termini di densità delle funzioni - più di 4.600:1 - ha condizionato il corso della progettazione dei prodotti elettronici, non solo per quanto riguarda i core di elaborazione e i sottosistemi di memoria, ma anche per quanto riguarda i prodotti nel loro insieme. All'inizio di questo periodo, tipicamente, i dispositivi elettronici prevedevano una bassa densità funzionale e avevano dei requisiti di alimentazione modesti. Gli alimentatori utilizzavano componenti discreti e metodi di raffreddamento scarsamente ottimizzati. Benché i livelli di efficienza energetica fossero limitati rispetto agli standard odierni, essi erano più che sufficienti per soddisfare i ridotti requisiti di potenza dei prodotti, complici anche le notevoli dimensioni dei contenitori utilizzati. Tra gli esempi più noti di questi progetti sono i cosiddetti alimentatori silver-box utilizzati ancora oggi nei computer desktop. Un ATX12V da 400 W, per esempio, è progettato utilizzando in larga parte su soluzioni discrete. Qui, dei dissipatori individuali raffreddano i Mosfet di potenza e i rettificatori d'uscita: il progetto globale presenta un notevole gradiente termico, che causa non pochi problemi nell'uso in ambienti gravati da alte temperature di esercizio. Con un'efficienza tipica dell'80%, il formato da 138 x 86 x 140 mm offre una densità di potenza di soli 0,24 W/cm3. Benché gli alimentatori ATX che soddisfano i criteri 80-plus platinum permettano di raddoppiare tale valore a 0,42 W/cm3, la loro densità di potenza risulta ancora insufficiente, impedendone l'utilizzo nella maggior parte delle applicazioni che riguardano, per esempio, i data center. Il progressivo aumento della miniaturizzazione dei semiconduttori, ha imposto una serie di modifiche alle architetture del sottosistema di alimentazione. I circuiti integrati fabbricati sulla base delle geometrie di processo più compatte, richiedono tensioni di esercizio sempre più basse e tolleranze dei valori di alimentazione sempre più stringenti.
Densità funzionali superiori comportano l'aumento delle correnti di alimentazione, mentre la schedulazione altamente variabile delle risorse incrementa drasticamente le dinamiche delle correnti assorbite. In tali condizioni, i progetti dove le fonti di alimentazione son separate dai loro carichi con collegamenti di lunghezza significativa non sono in grado di garantire le prestazioni imposte dai circuiti integrati a geometria ridotta.

Liscio come un…. "brick"

Nel tentativo di ottimizzare i sottosistemi di alimentazione in funzione delle diverse caratteristiche fisiche dei carichi, sono emerse alcune soluzioni alternative. Per esempio, nelle applicazioni che richiedono lunghi periodi di funzionamento continuativo, come ad esempio nelle schede di linea per comunicazioni, i grossi e inefficienti alimentatori multi-uscita sono stati sostituiti con delle architetture di potenza distribuite. Tali progetti contemplano l'uso di convertitori Ac-Dc a uscita singola ridondanti per assicurare che l'affidabilità della tensione distribuita, tipicamente a 48 V, soddisfi i requisiti di mantenimento del sistema. Per alimentare le singole risorse, le schede di linea utilizzano, di solito, dei moduli convertitori on-board, supportati da una serie regolatori non isolati posti direttamente sul punto di carico. Per la maggior parte di origine discreta, i sottosistemi di alimentazione a raffreddamento forzato presentano delle superfici irregolari e comportano un flusso d'aria turbolento che può causare, dal punto di vista termico, dei "coni d'ombra" e dei punti di eccessiva esposizione. I convertitori incapsulati in formato "brick" (mattone) utilizzano dei composti di impregnazione che consentono di realizzare delle unità essenzialmente isotermiche. All'interno dell'incapsulante, i dispositivi di potenza sono termicamente accoppiati a una base in alluminio, che fornisce una superficie omogenea di raffreddamento. Il raffreddamento può avvenire per conduzione, convezione ad aria forzata, o secondo una combinazione di entrambi. La superficie della piastra di base prevede una grande area di contatto per il fissaggio del dissipatore di calore. Questo profilo termo-meccanico consente di raggiungere una potenza di uscita massima di 600 W con un package da 117 x 55,9 x 26 mm compreso un dissipatore da 12,7 mm, per una densità di potenza totale di 3,5 W/cm3: ciò corrisponde a un miglioramento pari a un ordine di grandezza rispetto alle architetture silver-box a contenitore chiuso. A causa del continuo aumento delle densità funzionali, dal fattore di forma "brick" hanno avuto origine versioni con dimensioni frazionate: mezzo, un quarto e un ottavo della dimensione originale, le generazioni successive hanno permesso contemporaneamente di raggiungere densità di potenza ancora superiori. La contrazione delle superfici di raffreddamento dei brick con dimensioni frazionate ha introdotto nei progetti di sistema una serie di problematiche termiche, condizionandone sia la densità funzionale, sia la densità di potenza. Queste problematiche sono state evidenziate soprattutto nelle applicazioni soggette a un forte aumento delle temperature di esercizio, come nel caso delle server farm e degli hub di comunicazione.

Una questione di raffreddamento
La densità funzionale delle applicazioni elettroniche ha reso ormai la progettazione termica una parte fondamentale dello sviluppo dei nuovi prodotti. Le esigenze e le dinamiche attuali, che caratterizzano la maggior parte degli apparati, implicano l'integrazione del sottosistema di gestione dell'alimentazione all'interno del progetto funzionale. Tale approccio si discosta dalla visione tradizionale, che ha sempre considerato i sottosistemi come degli oggetti indipendenti. Quando i carichi elettrici - dissipatori termici - e i componenti di gestione della potenza (dissipatori 1-η) convivono sulle schede di sistema, le sfide termiche crescono con l'aumentare della temperatura di esercizio. Il calore in eccesso riduce l'affidabilità dei componenti elettronici. Inoltre, i progettisti devono declassare i componenti di potenza per consentirne il funzionamento a temperature elevate. Senza metodi efficaci per eliminare il calore, i circuiti di potenza devono essere sovradimensionati, con il conseguente aumento di peso, dimensioni e costo del sistema. Benché il formato brick giochi ancora un ruolo importante in termini di semplicità, l'industria ha manifestato il bisogno di dispositivi di gestione dell'alimentazione ancora più densi, con livelli ben al di là di quelli ottenibili con il raffreddamento tradizionale a singola superfice.
Una delle soluzioni di packaging capaci di migliorare il trattamento e le prestazioni di erogazione dell'energia è la tecnologia ChiP (Converter housed in Package) di Vicor. I dispositivi basati sul package ChiP sfruttano delle configurazioni simmetriche che permettono di posizionare l'elemento di dissipazione su entrambi i lati di un Pcb centrale. Un incapsulante termicamente conduttivo trasferisce il calore alle superfici superiore e inferiore, raddoppiando praticamente l'area di raffreddamento rispetto all'ingombro del dispositivo sul circuito stampato. Progetando il Pcb in modo adeguato, è possibile dissipare altro calore anche attraverso i contatti elettrici. La combinazione tra elevata efficienza (97,5% di picco per dei convertitori di bus da 380 a 12 V) e un profilo termico simmetrico basato su materiali avanzati permette di arrivare fino a 1,5 kW. Prevedendo un dissipatore e una ventola, un dispositivo da 40 x 40 x 100 mm arriva a offrire una densità di potenza di 9,4 W/cm3.
Tecnologie di packaging avanzate come questa consentono di sviluppare schemi di gestione termica tridimensionali, sia in circuiti a montaggio superficiale che in quelli tradizionali. La possibilità di integrare delle bobine consente inoltre di sviluppare schemi che richiedono solo pochi componenti esterni, riducendo così i cicli di progettazione, gli ingombri su scheda e i costi di assemblaggio.
L'incapsulante contribuisce ad aumentare l'efficienza del trasferimento di calore, garantendo un livello di isolamento di sicurezza commisurato ai requisiti di power management ad alta tensione e agli standard di sicurezza internazionali.
Ciò permette di applicare la stessa tecnologia di packaging a una vasta gamma di funzioni di gestione della potenza. Queste includono la conversione Ac-Dc con correzione del fattore di potenza; la conversione di bus isolata; la conversione Dc-Dc; la regolazione buck, boost e buck-boost; la moltiplicazione della corrente di Pol. Un'unica tecnologia di packaging applicabile a tutti i contesti di gestione dell'energia (dall'ingresso dell'alimentazione al Pol) permette anche di semplificare il progetto termo-meccanico grazie all'unificazione dei profili dei dispositivi e delle caratteristiche termiche. Capacità e dimensioni variano in funzione dei diversi produttori di componenti di potenza: a tale proposito controllate con attenzione le offerte dei vostri fornitori. Nel caso di componenti basati su tecnologia ChiP di Vicor, i dispositivi possono raggiungere profili ridotti fino al limite minimo di 4,7 mm e ingombri superficiali da 6 x 23 mm a 61 x 23 mm, in ulteriore aumento. Le capacità arrivano a 180 A, mentre le tensioni di esercizio raggiungono attualmente i 430 V, con previsioni di crescita. Vicor ha dimostrato la capacità di gestire potenze di 1,5 KW con questa tecnologia e anche questo numero è destinato ad aumentare. Nelle applicazioni a basso consumo, come i convertitori PoL, i package a dimensioni contenute e profilo ridotto mettono a disposizione dei progettisti di sistemi la flessibilità necessaria per ridurre al minimo la lunghezza delle piste che portano dal convertitore di potenza al carico. Quando si alimentano carichi digitali caratterizzati da correnti dinamiche elevate - ad esempio Asic, processori, o sottosistemi di memoria - bassa perdita di potenza e induttanze contenute assicurano sul carico (cioè dove più conta) una regolazione precisa e una rapida risposta ai transitori. Questo tipo di tecnologia di packaging supporta anche i convertitori con un rapporto di conversione di tensione elevato. In alcune applicazioni questo consente ai progettisti di eliminare un intero stadio di conversione, riducendo i costi di sistema, aumentando l'efficienza operativa globale del circuito di potenza, e aumentando l'affidabilità.

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