Industria auto are de făcut față provocării majore de reducere continuă a emisiilor medii ale flotelor. Din 2021, pentru toate mașinile nou înmatriculate în Uniunea Europeană se va aplica o valoare medie limită a emisiei de CO2 de 95g/km. După aceea, UE dorește să reducă emisiile de CO2 de la noile vehicule cu încă 30 până la 35 de procente între 2021 și 2030.
Acest lucru nu va fi posibil numai cu motoarele cu combustie internă. Ca rezultat, electrificarea trenurilor de putere în vehiculele hibride și electrice se află în creștere. Acest lucru conduce la o amplificare a cerințelor privind sistemele de management a energiei electrice în automobile.
În trecut, echipamentele auxiliare din vehiculele numai cu motoare cu combustie – precum direcția asistată, pompele de ulei și apă, ventilatoarele radiatorului, compresoarele de aer condiționat etc. – au fost din ce în ce mai electrificate, astfel încât acestea trebuiau să fie pornite numai atunci când era nevoie. Acest lucru a condus deja la o reducere ridicată a consumului de combustibil și a emisiilor asociate în vehiculele motorizate de astăzi. În viitor, vehiculele cu propulsie electrificată – mașini hibride simple, hibride cu reîncărcare de tip plug-in și complet electrice – vor amplifica și susține în continuare această tendință.
Electronica de putere modernă pentru controlul invertoarelor, convertoarelor DC-DC, sistemelor de management al bateriilor etc. este, din această cauză, o tehnologie cheie în electronica auto de mâine. În același timp, cresc constant cerințele de aplicații cu privire la densitatea de putere, eficiența energetică, siguranța în funcționare și reducerea costurilor sistemelor.
Figura 1: Micrograph: tehnologia de integrare pe cip cu MOSFET de putere ca o placă de circuit tip sistem (putere + logică)
Integrarea de cipuri cu MOSFET-uri de putere în plăcuțele PCB este o cale ideală de a răspunde acestor cerințe și reprezintă o tehnologie de bază pentru numeroase aplicații auto de viitor. În acest proces, semiconductoarele de putere (MOSFET-uri de putere) nu mai sunt conectate în mod convențional pe placa de circuit (PCB). Acestea sunt integrate sau “embedded” într-un așa numit sistem PCB (de putere și logic) utilizând tehnologia de integrare pe cip.
Infineon Technologies AG și Schweizer Electronic AG lucrează împreună pentru a aduce pe piață această tehnologie de bază. De exemplu, utilizând un generator de pornire (SG – starter generator) cu invertor de 48V pentru un vehicul hibrid simplu, acestea au reliefat avantajele principale la nivelul sistemului electronicii de putere prin integrarea de cipuri cu MOSFET-uri de putere în comparație cu soluțiile de proiectare convenționale cu PCB și MOSFET-uri discrete, sau soluții de proiecte complexe cu module ceramice DCB (Direct Copper Bonding) și plăcuțe semiconductoare. Noua tehnologie permite minimizarea pierderilor în conductori și a inductanțelor parazite, performanțe de comutație îmbunătățite, răcire maximă a electronicii de putere, densitate de putere mai mare a sistemului, o reducere a suprafeței plăcuței de PCB și a volumului sistemului, siguranță mai ridicată a funcționării sistemului și costuri ale sistemului mai reduse.
Figura 2: Pașii de procesare pentru integrarea cipurilor MOSFET de putere în PCB-urile de putere: 1. Structuri conductoare din Cupru cu cavități ca suport pentru MOSFET-urile de putere cu metalizare pe bază de cupru 2. Integrarea și testarea MOSFET-urilor de putere în structuri conductoare din Cu 3. Structurile conductoare sunt laminate pentru a forma o legătură în trei straturi 4. Straturile exterioare sunt structurate și PCB-ul de putere este complet 5. PCB-ul de putere este laminat cu PCB-ul logic și structurat pentru a produce un sistem – placă de circuit – complet (PCB de putere + logic) 6. Placă de circuit sistem (PCB de putere + logic) cu microcontrolere, componente driver etc. pe cale convențională
Lanțul procesului și pașii de integrare a cipurilor cu MOSFET-uri de putere
Procesul de fabricație pentru integrarea cipului cu MOSFET-uri de putere necesită o cooperare apropiată între industria de semiconductoare și industria de PCB-uri, în special pentru integrarea pe plăcuța PCB a electronicii de putere.
Procesul începe cu structurile conductoare (lead-frames) din Cupru. Apoi, sunt create cavitățile pentru MOSFET-urile de putere, care servesc ca elemente purtătoare unde sunt integrate MOSFET-urile de putere. Cipurile MOSFET sunt special adaptate pentru tehnologia de integrare pe cipuri și, de asemenea, trec printr-un proces de metalizare bazat pe Cupru pentru a le face compatibile cu pașii subsecvenți ai procesului de integrare în PCB.
Odată ce sunt plasate în structurile conductoare din Cu, MOSFET-urile sunt testate înainte ca procesul să continue. Scopul testării corespunde 100% cu cel al MOSFET-urilor de putere discrete, încapsulate convențional. Aceasta este o calitate majoră și un avantaj de cost față de utilizarea tehnologiei Bare Dies pe substraturi DCB.
În pasul următor, MOSFET-urile de putere de pe structurile conductoare din Cu, sunt combinate pentru a forma o structură laminată cu trei straturi, și apoi laminate într-un proces special pentru a forma o legătură omogenă. Legăturile convenționale sunt înlocuite printr-un nivel de legături deasupra cipului. Controlul porții este implementat prin trasee, iar padurile sursă au un design plat pentru a obține o conexiune electrică de joasă rezistență și un comportament termic favorabil din punct de vedere al pierderilor prin disipare. Contactarea părții superioare a cipului este realizată galvanic cu ajutorul unor treceri din cupru, care au fost anterior create în stratul dielectric utilizând un laser. După structurarea straturilor exterioare, PCB-ul de putere este complet.
Designul foarte plat și omogen al acestui PCB de putere face ca aceste module de putere să fie perfect potrivite integrării ulterioare într-un sistem PCB, ceea ce poate fi ideal realizat ca o combinație cu PCB-ul logic (microcontrolere, drivere etc.) fără elemente de conectare adiționale. PCB-ul sistemului cu MOSFET de putere integrat poate fi apoi instalat direct și într-un mod foarte compact în aplicația auto respectivă (de exemplu un generator de start de 48V), incluzând radiatoare de căldură. Ca rezultat, sistemul mecatronic ca un tot este puternic simplificat, iar costurile sale de fabricație pot fi optimizate.
Figura 3: De la structuri conductoare din Cu cu MOSFET-uri de putere, la un sistem PCB pentru un generator de pornire de 48V
Ca exemplu, este utilizat un generator de start de 48V pentru un automobil hibrid simplu. Începând cu un MOSFET de putere pe structuri conductoare din Cu, rezultatul este o placă de circuit a sistemului integrat, constând din straturile de PCB de putere (partea de dedesubt) și straturile PCB logice (partea superioară). Acest sistem PCB cu MOSFET de putere integrat poate fi apoi fixat foarte compact, sigur în funcționare și eficient economic pe carcasa generatorului de start de 48V. Suplimentar, suprafața mare și conexiunea directă a sistemului PCB maximizează capacitatea de răcire. Această abordare revoluționară a integrării cipurilor de putere MOSFET în plăcile PCB produce un sistem mecatronic integrat care atinge cele mai bune valori din punct de vedere al densității de putere, eficienței energetice, siguranței în funcționare și al reducerii costului sistemului.
Primele aplicații țintă cu integrarea MOSFET-urilor de putere pentru utilizarea în producția de automobile sunt aplicațiile de la putere medie la ridicată (3kW – 35kW) – de exemplu generatoare de start de 48V, sisteme auxiliare de 48V, convertoare DC-DC de 12V/48V – unde avantajele descrise mai sus aduc beneficii ridicate sistemului.
În parteneriat cu cei mai importanți membri ai lanțului de furnizare din industria auto, generatoarele de start de 48V cu cip integrat au obținut o creștere semnificativă în performanța sistemului și randamentul acestuia.
Rezistențe on (Ron) mai bune în electronica de putere
Prin integrarea cipului, legăturile convenționale cu fir sunt înlocuite prin conexiuni din cupru și, practic, întreaga suprafață a părții superioare a cipului este în contact. Partea de rezistență a capsulei, asociată cu legăturile de lipire este virtual eliminată odată cu integrarea cipului. Valoarea exactă depinde de generația tehnologiei semiconductoare respective, de clasa de tensiune și de capsula dispozitivului semiconductor.
Figura 4: Generator de pornire de 48V cu sistem PCB și MOSFET-uri de putere integrate
O rezistență termică mai bună (Rth)
Disiparea excelentă a căldurii în cipul integrat îmbunătățește semnificativ Rth-ul global al sistemului. Demonstrațiile au arătat chiar avantaje și față de substraturile ceramice DCB. Mai mult, Zth – adică impedanța termică – este cu aproximativ 40% mai mică față de tehnologiile convenționale dispunând de substrat solid din cupru sub cip.
Acesta este un avantaj particular ca element stabilizator atunci când apare o căldură intensă pe durata scurtă a vârfurilor de curent. Pierderile mici de putere ale sistemului ca ansamblu, combinate cu disiparea mai bună a căldurii, conduc la o transmitere mai redusă de căldură în circuitul electronic, comparativ cu soluțiile de proiectare convenționale.
Ca rezultat, de exemplu, timpii de activare ai generatorului starter de 48V pentru generare/recuperare de putere sau accelerație (boost) pot fi extinși, acolo unde sunt curent limitați de factori termici.
Performanțe de comutație îmbunătățite și posibilitate de comutație mai rapidă
Inductanța de comutație redusă este obținută ca rezultat al conexiunii aproape plate între partea superioară a cipului și căile de legătură, precum și al distanțelor mici între condensatoarele de circuit intermediare și semiconductoarele de putere. Aceasta permite o comutare mai rapidă, ceea ce înseamnă că sunt necesare componente pasive mai mici, conducând la economii de spațiu și cost.
Suplimentar, sistemele cu cip integrat nu prezintă practic depășiri de tensiune pe durata comutării on și off. Acest lucru înseamnă că, de exemplu, sistemele de 48V de astăzi pot fi utilizate cu MOSFET-uri de 80V și nu mai necesită o tensiune de joncțiune de 100V. MOSFET-urile de 80V au o rezistență RDSon cu 20% mai mică. Acest lucru, împreună cu pierderile reduse de comutație conduc la pierderi de putere globale mai mici. În acest fel se reduce semnificativ temperatura maximă a cipului pentru orice mod de operare. Depinde de utilizatori când să utilizeze acest avantaj pentru o durată de viață mai mare, costuri mai mici pentru răcirea sistemului, sau o reducere a dimensiunii cipului.
Figura 5: Comparație de performanță între integrarea pe cip și soluții discrete pentru generatoare de pornire de 48V
Miniaturizare
Numeroase sisteme pentru aplicații curente și viitoare trebuie să devină mai mici oferind în același timp funcționalitate suplimentară. Integrarea cipului poate economisi spațiu valoros la nivelul soluției PCB.
Siguranță mai mare în funcționare
Înlocuirea firelor lipite sau a ceramicii DCB crește siguranța în funcționare. În cadrul testelor de cicluri termice cu o diferență de temperatură dT de 120K, proiectele vor fi capabile să reziste la mai mult de 700,000 de cicluri active.
Reducerea costului sistemului
Datorită economiilor de conectori și cabluri, a răcirii optimizate, reducerii suprafeței de cip necesare pentru componentele de putere, a unor componente pasive mai mici, mai puține probleme legate de EMC, a izolării deja existente și a economiilor globale de spațiu, economiile în ceea ce privește costul sistemului sunt considerabile.
Integrarea cipurilor MOSFET de putere, reașază lanțul de furnizare tradițional al producătorilor de semiconductoare și al producătorilor de PCB pentru cei mai importanți membri ai lanțului de furnizare (Tier1). Cu alte cuvinte, de acum înainte Tier1 vor primi o placă de circuit sistem procesată conform cerințelor lor, constând dintr-o placă PCB de putere cu MOSFET-uri de putere integrate pe partea inferioară, plus un strat logic PCB în partea superioară. Tier1 sunt scutiți de muncă, riscuri și costuri implicate în asamblarea și instalarea PCB-urilor de putere convenționale, precum și la nivelul costului întregului sistem pentru conectori sau structuri conductoare în conexiunea convențională și tehnologia de montare pentru electronica de putere.
Pentru ca acest nou lanț organizat de furnizare să opereze perfect, este nevoie de responsabilități clare, transfer de riscuri definite și strategii de testare de ambele părți – de la industria de semiconductoare și până la industria PCB-urilor. Industria telefoanelor inteligente a demonstrat în mod impresionant că integrarea semiconductoarelor în substraturile PCB, inclusiv modificarea lanțului de furnizare, operează foarte bine la volume mari ale producției.
Producători precum Infineon Technologies AG, lider mondial de piață în ceea ce privește semiconductoarele de putere și Schweizer Electronic AG, lider inovator în integrarea de putere în PCB, lucrează deja împreună pentru a oferi această tehnologie de bază pentru utilizare globală în producția de serie în automobilele de mâine.
Tehnologia de integrare de cipuri cu MOSFET-uri de putere în plăcile PCB este o modalitate ideală pentru a spori eficiența electronicii de putere din industria auto viitoare și va contribui la o mobilitate mai simplă, mai ecologică și mai performantă.
Autori:
Adrian Röhrich,
Marketing de Produs pentru MOSFET-uri auto
Infineon Technologies AG
Christian Rössle,
Vice Președinte Vânzări & Marketing
Schweizer Electronic AG
Infineon Technologies
www.infineon.com
