什么是3D電源封裝(3DPP)？

功率半導(dǎo)體對(duì)于從智能手機(jī)到汽車的各種電子系統(tǒng)都不可或缺，改進(jìn)功率半導(dǎo)體可加速向綠色經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。

更新穎、更先進(jìn)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)有助于提高效率、降低能耗。在設(shè)計(jì)創(chuàng)新以及碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等新材料的推動(dòng)下，可打造出性能出色的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 95% 以上。綠色技術(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)師注意到，從現(xiàn)在到 2027 年，全球可再生能源市場(chǎng)中所用功率半導(dǎo)體的數(shù)量預(yù)計(jì)將以 8%-10% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 增長(zhǎng)。

對(duì)功率半導(dǎo)體而言，一方面需要提高效率，另一方面則需要提高功率密度，以便設(shè)計(jì)人員在相同尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高功率。因此，新應(yīng)用可以在原有應(yīng)用所占用的空間中實(shí)現(xiàn)更多功能，或者以更小的占用空間實(shí)現(xiàn)同樣的功能?？紤]到許多綠色應(yīng)用將機(jī)械設(shè)備替換為功效相同的電子設(shè)備，這一點(diǎn)尤為重要。例如，電動(dòng)汽車 (EV) 將皮帶驅(qū)動(dòng)的機(jī)械暖通空調(diào) (HVAC) 裝置和動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵替換為功效相同的電子設(shè)備，這些電子設(shè)備仍然必須安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)罩下的有限空間內(nèi)。當(dāng)然，尺寸縮小也意味著重量減輕。對(duì)于單個(gè)設(shè)備而言，重量減輕帶來(lái)的益處并不明顯，但所有不起眼的重量減輕累加在一起，就能夠增加車輛的續(xù)航里程。

什么是3D電源封裝(3DPP)？

若要最大限度提升系統(tǒng)性能，就需要最大限度提升電源子系統(tǒng)的性能，包括所有電源、電源轉(zhuǎn)換設(shè)備、濾波器、保護(hù)設(shè)備及其互連裝置，如連接器、電線、電纜、電路板跡線等。

需要考慮的指標(biāo)包括尺寸、重量和功率 (SwaP) 或 SwaP-C（如果包括成本）。3D電源封裝(3DPP) 是一種先進(jìn)的封裝技術(shù)，可支持功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)人員將許多先進(jìn)技術(shù)納入高密度集成器件中，同時(shí)優(yōu)化 SWaP-C。3DPP 采用尖端的組裝工藝，在最大限度提高功率密度的同時(shí)盡量減少占用空間。將 3DPP 應(yīng)用于表面貼裝 DC/DC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，打造出的解決方案不僅具備出色的性能，還能達(dá)到極高的功率密度和極小的占用空間。最終，電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的尺寸相比其他電源轉(zhuǎn)換模塊要小很多，并且仍保持了高效率及極小的占用空間。

圖 2：3DPP 技術(shù)使用許多先進(jìn)的制造工藝來(lái)縮小尺寸。

3DPP 技術(shù)支持將所需元器件直接安裝到引線框架上，無(wú)需內(nèi)部印刷電路板 (PCB)，從而減小模塊內(nèi)所需的空間。尺寸減小后，工程師和設(shè)計(jì)人員可采用集成電源轉(zhuǎn)換模塊打造更為簡(jiǎn)化的 PCB 設(shè)計(jì)，而無(wú)需采用成本更高的定制轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。

當(dāng)然，若要應(yīng)用3DPP技術(shù)，制造工藝要取得多項(xiàng)進(jìn)步。比如，要能夠嵌入無(wú)源和有源器件，能夠融入倒裝芯片技術(shù)，以及能夠通過技術(shù)手段最大程度減少由內(nèi)部封裝互連（如引腳、凸塊和焊盤）引起的電感和電容寄生。同時(shí)，還要推動(dòng)電感器和變壓器等平面磁性器件的開發(fā)，以便能夠以緊湊的外形構(gòu)建更清潔、控制更嚴(yán)格、可重復(fù)使用且可靠堅(jiān)固的磁性元器件。

采用小型封裝的完整DC/DC降壓穩(wěn)壓器

采用 3DPP 技術(shù)的器件可提供多種封裝類型，包括平面網(wǎng)格陣列封裝(LGA)、鷗翼形封裝、方形扁平無(wú)引腳封裝 (QFN)、銅柱凸塊封裝以及焊球陣列封裝，這些封裝類型都可以在空間受限的應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

采用 3DPP 技術(shù)的器件可提供多種封裝類型，包括平面網(wǎng)格陣列封裝(LGA)、鷗翼形封裝、方形扁平無(wú)引腳封裝 (QFN)、銅柱凸塊封裝以及焊球陣列封裝，這些封裝類型都可以在空間受限的應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

RECOM 的 RPX-1.0 展示了 3DPP 封裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。這是一款非隔離式降壓穩(wěn)壓器電源模塊，采用散熱性能更高的 QFN 封裝，并集成了電感器。RPX-1.0 的尺寸僅為 3 mm×5 mm×1.6 mm，在尺寸上與集成電路 (IC) 相當(dāng)。輸入電壓范圍為 4 至36 VDC，支持使用 5 V、12 V 或 24 V 電源供電。輸出電壓可通過兩個(gè)電阻器設(shè)置，范圍從 0.8 VDC 到 30 VDC。輸出電流高達(dá) 1 A，并提供全面保護(hù)，防止連續(xù)短路、輸出過電流或過溫故障。

RECOM RPMB/RPMH 系列是一款 30 W 非隔離電源模塊，采用散熱性能更高的 25焊盤 LGA 封裝，尺寸為 11.7 mm × 12.19mm × 3.75 mm。其高功率密度是通過 3DPP技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，即采用多層內(nèi)部 PCB，利用插塞和盲孔實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)熱性并有效利用可用空間。六面金屬屏蔽確保低 EMI。

3DPP封裝也可以適用于隔離拓?fù)?。RxxCTxxS 系列是一款低成本、薄型 500 mW SMD 隔離式單輸出 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，非常適合光伏供電傳感器、醫(yī)療和通信節(jié)點(diǎn)等需要可靠隔離的應(yīng)用。R05CT05S就是其中一款解決方案，具有 5 V 輸入和用戶可定義的穩(wěn)壓?jiǎn)温?.3 V 或 5 V 輸出。該器件沒有最低負(fù)載要求，標(biāo)準(zhǔn)隔離為 5 kVAC/min，并具有雙重患者保護(hù) (2MOPP)，適用于醫(yī)療應(yīng)用。

結(jié)論

許多綠色能源應(yīng)用要求 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以小巧的外形達(dá)到高效率。RECOM 的 3DPP 技術(shù)正逐漸應(yīng)用于許多隔離式和非隔離式轉(zhuǎn)換器，使轉(zhuǎn)換器兼具高功率密度與小巧的尺寸。

審核編輯：湯梓紅