博客

随着时间的推移，新兴的应用领域如汽车， 云计算，工业的自动化和电信（5G基础设施正获得越来越多的关注。尽管应用部分不同，但在如何在系统级实现电压转换和功率分配方面有一个共同点。系统需求对于减少有效的碳足迹变得越来越重要。因此，一个新的48V生态系统正在开发和部署，以满足各种目标，包括非常高效。无论是电源、计算元件还是存储块，半导体都是满足这些需求的解决方案的关键。狗万滚球官网本文的重点是讨论这些应用领域的市场和技术趋势，并分享创新的电源封装平台如何努力满足电气和热需求的想法。

汽车

如今，大多数豪华汽车都要运行数百万行代码，最多可达100个电子控制单元[1]。汽车的电气化程度越高，舒适性越好，高级驾驶辅助系统(ADAS)越先进，对总动力预算的需求就越高。随着今天豪华车中提供的一些先进功能被转移到标准车中，成本变得非常重要，同时又不牺牲电力系统的效率。目前现有的汽车动力树直接由12V电池供电到机械辅助负载(通常小于5-7千瓦)，如水泵和油泵、气候压缩机、主动侧倾控制、大灯和尾灯。这些负载，再加上满足公司平均燃油经济性(CAFE)标准中更严格的排放标准和耗电的ADAS系统的额外要求，使得提高效率具有挑战性。尽管汽车原始设备制造商(oem)多年来一直在用电子设备替代机械驱动组件，但仍需要更新的架构，如48V系统。在短期内，oem和他们的一级(Tier1)供应商可能会选择双架构(12V和48V)，直到未来永久性地转向48V电网。

汽车OEM和Tier1最近推出了几种温和的混合动力汽车（MHEV）解决方案。例如，奥迪推出了一种新的皮带交流发电机系统（BAS），容量为12 kW，以供电，同时也为传统的12V系统实现DC-DC转换器[2]。同样，戴姆勒为其S级引入了集成的启动器（ISG），其容量可达16 kW [2]。戴姆勒（如奥迪）也在为传统12V负载实施DC-DC转换器块。Tier1供应商Valeo推出了其Ecruise4U平台，结合了自动化驾驶和48V混合系统。该平台的产品之一，E4AWD巧妙地结合了集成的带动发电机（IBSG）和电动后轴驱动器（ERAD），向其MHEV系统增加22千瓦容量，从而将燃料消耗降低17％。Delphi是另一个汽车Tier1，推出了48V混合系统，如图1所示，其中包括E-Supercharger，其将燃油效率提高15％。该电子增压器系统还可以使用动态跳过火（DSF）气缸停用概念，减少13％的二氧化碳排放[2]。

转换到48V电源网可以实现多种益处，例如布线线束横截面和减轻重量，导致较轻的车辆和减少减少。虽然在转向架中的机械部件的电气化，舒适性和便利性和其他系统有助于，使用电机（<25kW）温和杂交将具有显着的有形效果。一个估计表明，MHEV将使二氧化碳排放量减少15％，其中大约为全混合系统成本的大约30％的益处的70％。显然，预计与全杂化车约4500美元相比支付额外1500美元左右的支付1500美元左右的愿意为MHEV车辆增长产生动力。此外，48V电源网还可以用于为未来的车辆到所有（V2X）连接和ADA提供系统准备（负载控制点）。在未来十年期间，随着3级到5级的自动驾驶车辆，ADAS系统的电源要求将仅涌现。目前的2级能力按1KW的顺序需要功率速率，而4级/级5系统需要10倍的电源。这与成本和排放福利一起，48V MHEV系统被视为扩张EV市场的网关。

云计算

如今，世界各地的超过七百万个数据中心可以管理超过2.5千万千字节的数据，从个人和商业用途中创建。在迄今为止创建的44个Zettabytes（44万亿千兆字节）的数据中，在过去2年中创建了90％的数据[3]。由于顶级（OTT）流媒体服务，5G，物联网（物联网）和社交媒体，大数据预计将显着变形云和边缘数据中心市场。典型的数据中心将提供数据存储，处理等服务，网络和分布。为了管理这些服务，运营商需要高达几百兆瓦的大量电力。数据中心高达40%的运营成本来自为[4]服务器机架供电和冷却所需的能源。电力使用效率(PUE)和总拥有成本(TCO)是数据中心运营商降低成本和提高利用率的两个非常重要的指标。平均而言，从交流电网到单个服务器的微处理器的转换过程中，大约浪费了30-35%的电力。在这条路径上，主要可以减少三个方面的损耗:通用电源(UPS、网到数据中心)、服务器机架电源和单个服务器电源。直到几年前，数据中心的设计功率为每个机架4到5千瓦，而现在已经达到了每个机架10千瓦。将机架功率密度提高到30kW以上将是未来的发展趋势。因此，需要更小、更高效的电源供应，因为它们可以提高PUE，从而导致更大的服务器密度和每英尺地板空间($/ft)的额外收入。

在电源架构方面，当前数据中心设计为12V电源网，如图2所示。如汽车48V系统，数据中心的电源架构也支持转移到48V。转变导致较高的功率密度，较低的分配损耗（I2R损耗为16倍），效率更高，部署灵活性和具有成本效益的机架UPSS [5]。考虑到汇流排尺寸的减少，涡轮电容器数量和铜损耗，机架级别的好处是显而易见的。但是，挑战仍然是如何从48V到服务器板实现电压转换。为了向中央处理单元（CPU）核心电源和双数据速率（DDR）存储器块，传统上需要SUB 1.8V。为了更高的降压比（48V至1.8V），难以实现相似的转换电路的转换效率。每个电源转换级，包括AC-DC和DC到负载点，在机架电平时必须具有相似或更高的效率。为了满足系统级的通用度，较小的外形和更高功率的能力的半导体包装是关键。狗万滚球官网

5克的基础设施

解决当前4G网络的缺点，5 g网络应该能够处理大量流量（无线电）和大容量（IoT，连接密度和带宽），同时非常可靠（边缘计算，延迟）。关键的变化包括新的频谱，更多的网站和多访问边缘计算。目前，4G LTE网络的传输带宽的理论极限约为150 Mbps，其无法满足5G的要求。为了实现更高的带宽，5G网络使用较高的C波段。此外，大规模多输入多输出（MIMO）技术是提高吞吐量的关键。如图3所示，就拓扑而言，现有的4G网络赞成分布式无线电接入网络（DRAN）架构，其中天线，远程无线电头（RRH）和基带单元（BBU）是分开的。然而，5G网络倾向于赞成集中式或云（C-RAN）分发以整合基带功能，将它们从小区站点移动到集中位置。在5G网络中，预计RRH和天线是集成的，而BBU池位于边缘站点。BBU池（或核心网络）共享相同的物理基础架构，包括路由器，物理基础设施，电力和冷却系统等网络设备。然而，更多的网站和更高的计算要求将进一步提高网络能耗。

根据电信运营商的说法，一个频段的5G设备的功耗可能是相同配置[6]的4G设备的350%。在30%负载下(峰值约1.4 kW)， 5G BBU约消耗300W, RRU约消耗900W。随着未来三年增加更多频带，峰值耗电量将增至约14千瓦。此外，随着毫米波的加入，峰值功率可提高到20 kW[6]。虽然现有4G电信电源设计为-48V，但这些电源单元不兼容5G需求。4G系统供电电缆的绝对功率损耗较小，功率要求在1kw左右。然而，在5G系统中，相同电缆长度的绝对损耗更高，导致沿电缆的电压降更高。与大多数电源一样，一旦电压下降到“低输出电压”阈值以下，电源就会关闭。为了缓解这个问题，电源设计者可以使用一个额外的DC-DC转换器将电压水平提高到-57V左右，以有效运行[6]。因此，5G网络耗电量的增加给整个供电系统带来了挑战。

48V对半导体的影响狗万滚球官网

与上面讨论的市场要求相一致，半导体供应商的新市场机会显著增加。狗万滚球官网在汽车领域，轻度混合动力汽车目前约占总产量的1.5%至2%;然而，到2020年，这一比例预计将增长到15%左右。因此，由于采用了轻度混合动力系统，每辆车狗万滚球官网的功率半导体含量预计将增加约75美元。类似地，随着超大规模和5G数据中心向48V电网的迁移，电源设备物料清单(BOM)将增加约40美元。最后，由于5G基础设施部署，机柜和刀片电源需求都将增加对功率晶体管的需求。48V生态系统为半导体供应商提供了一个机会，在这些应用领域之间发挥协同作用。狗万滚球官网从整体的新市场机会来看，图4概述了关键应用程序部分和各自的增长前景。无论是48V的汽车和云计算，还是-57V的5G电源，基础组装和测试业务也将在未来十年显著增长。

技术趋势需要电力包装

考虑到目前为止所讨论的应用趋势，普通主题是客户需要高效，占用空间的功率半导体解决方案，非常可靠。狗万滚球官网超过30年，由于硅（SI）功率MOSFET技术，电源封装和电路拓扑的创新，电力转换效率和成本（$ / W）显示出稳定的改进。虽然SI一直是主主，但Merit（Ron X QG，Ron X Qoss）的数字已达到Si的理论界。较新的材料系统，如氮化镓（GaN），已进入市场空间，提供更好的性能。然而，为了实现系统益处，包装技术不得限制可实现的电气和热效。从历史上看，功率器件包装从诸如-247和247等通孔封装的演变而来到220.长长导致表面安装部件，导线如D2Pak，DPAK那所以8。此外，含铅封装已被无铅表面安装选项所取代，如TO无铅(人数),PQFN.。随着对提高功率密度和高可靠性解决方案的需求日益增长，包装行业必须提供创新的选择，以满足新兴的趋势。客户可能需要通过双侧冷却、芯片级封装和多模集成来提供有效的热管理解决方案，以减少寄生。然而，在成本、性能和可靠性方面也会有所取舍。

汽车用例提供了一个有用的例子。皮带起动器发生器应用需要大约12kW，其中来自电力系统的中间导轨处于48V。电动机上电的逆变器阶段使用额定功率高于48V的MOSFET，而电流高于500A。通常，多个MOSFET并联以满足完全功率要求。在功率级，在为整个3相实现的高侧和低侧支腿中平行的电源级，特别是当功率级集成在电机本身内时，印刷电路板（PCB）空间是高级的。d2pak.7L是这种应用和瓦数情况下常用的封装，其封装尺寸为15x10x4.4 mm。然而，当一个动力台需要几个组件时，空间就变得很珍贵。与D2PAK类似，TOLL (11.7 x 9.9 x 2.3 mm)也是一个为高功率和高可靠性应用而优化的模制封装。但人数（图5）提供30％的尺寸和> 50％的形状拟合，允许紧凑的设计和高电流能力和低热电阻（RTHJC）。另一个关键的关键方面正在不断发展汽车半导体的使命概况，该特使配置是在板级授权更高级别的可靠性。狗万滚球官网

云和边缘数据中心的服务器电源存在不同的电源要求，为CPU核心，DDR内存和负载点等备用轨道，风扇和驱动器提供电源。对于PORNATION的分布点（POL）架构是优选的应用，单个封装中的电源块或功率级是最佳选择。具有集成灵活性，套餐如PQFN.（图6）变得越来越受欢迎。PQFN封装提供了改进模具的范围，以便包装比和暴露的散热器，导致服务器电源的功率密度更高。较大的身体大小PQFN通过使用铜（CU）夹子技术，通过模具堆叠提供多个FET（电源块）的集成，如图6中的PQFN双堆叠图片所示。另一种选择是将栅极驱动器与高端集成低端电源FET（功率级）实现诸如DRMOS之类的智能电力应用。这在图6中显示为单叠选项。此外，PQFN用于电信基础设施，基带板和DC-DC转换器等应用中。

48V生态系统的动力封装趋势

作为领先的外包组装和测试(OSAT)供应商之一，安kor在新兴的48V生态系统中提供多样化的产品组合。这种强势地位源于其在全球的存在以及与顶级半导体供应商的合作关系。狗万滚球官网电源包装由两家不同的工厂地点 - amkor马来西亚（ATM）和Amkor Japan Fukui（ATJ6）提供支持。广泛地，提供了几种价值创造特性和技术差管，例如先进的引线框架技术（XDLF），铜夹互连，铝（Al）楔形键合，节省空间的表面架，扁平引线设计。如前所述，功率包装已经从通孔（To）类型的型材到表面安装（SMD）封装。最近，SMD诸如收费之类的无铅套餐得到了更多的关注。这些包装完全资格到汽车电子委员会的AEC-Q101标准，船上充足的电动循环和临时循环（TCOB）能力。但是，可以在可靠性，当前能力或包保护前面产生限制。因此，下面讨论了一些新兴的包装思想，以满足新的48V生态系统电力包装市场的要求。

基于IPC International的IPC-9701标准，收费可以根据芯片尺寸和厚度满足1000个循环（车载）的标准要求。然而，需要高芯片与包装比和/或延长可靠性的设计人员可能会发现它具有挑战性。使用的典型板基材是FR4，基于Cu基金间基板（IMS）或基于Al的IMS。然而，当考虑基于Al的IMS的诸如诸如Al的IMS的基板选择时，由于巨大不同的热量系数，因此缩短的电路板级可靠性问题可能进一步恼怒。Cu引线框架和Al-IM之间的错配将导致焊料材料的压力更高，导致焊料疲劳和裂缝。通过在收费设计中采用鸥翼方法（见图7），TOLG可以显着提高可靠性水平，同时仍提供可比的热和电气性能。Gullwing设计的灵活性提供了可靠性性能的显着提高。由于在最终用户段中更改了使命概要，因此这成为必须的必要条件，其中扩展的压力和可靠性已成为关键系统要求。

或者，随着Datacenter Server Farms迁移到48V架构，对地址举行的电力密度要求将是一个关键问题。提高功率器件数据的趋势仅仅可以乘坐设计师到目前为止。较新的包装，如LFPAK（见图7）在更大的体型中，如8 x 8毫米，将是一个很棒的补充。与传统的7L D2PAK相比，8×8毫米LFPAK.机械尺寸小60%，体积也小80%。在互连技术方面，线键合决定了当前发电产品的载流能力。在D2PAK的情况下，所使用的键合线的最大直径是20 mil.然而，在LFPAK 8 × 8毫米，通过使用铜夹技术互连，载流能力将会更高。通过夹子技术，线键的寄生电阻和电感显著降低。这种封装方法减轻了对可实现的功率密度的一些担忧。

在服务器架构中，微处理器要求的快速瞬态响应时间导致了POL变换器和电压稳压器的采用。传统电力电子封装的寄生阻抗，工作在超过1 MHz的频率，是不够的。在这方面，Amkor正在探索功率晶体管的芯片级封装- PowerCSP™封装-如图8所示。这个创新的概念是基于引线框架的芯片规模封装，允许双侧冷却，顶部/引线框架的一侧可以连接到散热器或水冷。封装的底部可以通过热过孔和功率铜层安装到PCB上。PowerCSP概念的关键优点是，它消除了线键合和/或铜夹，从而产生低寄生电阻和杂散电感，从而分别减少了传导损耗和开关损耗。此外，减少的寄生电感的PowerCSP有助于实现更高的开关频率和功率密度。与PQFN或LFPAK等塑料动力包相比，PowerCSP设计可以简化工艺流程，从而减少可能的可靠性问题。此外，PowerCSP封装将为多模集成提供网关，以实现封装内转换器类型的解决方案。

总结

受环境，经济和社会因素的推动，对复杂的电力电子解决方案的需求，降低总体拥有成本，将增加。新兴的48V生态系统为功率半导体封装段提供了一种倾向的网关。狗万滚球官网虽然电力包装成熟，但需要改进以满足新兴趋势。无论是改善骰子到包装的比例，还原包装寄生剂还是增加电流携带的互连，广泛的现有产品组合和创新的新方法都可以提供解决方案。这需要强大的技术诀窍和完善的客户伙伴关系，以提供这些挑战。Amkor不仅可以满足这些要求，而且还具有金融和技术实力，为设备和设施做出重大投资，并为其汽车和其他权力客户提供长期支持。

作者:Ajay Sattu，SR Manager，汽车战略营销

参考：

[1]。Manish Menon等人，2018年8月14日，“48V架构:oem满足不断增长的排放标准的一个具有成本效益的提议”
[2]。《汽车IQ等人》，《48V技术的崛起——一本汽车IQ电子书》，2018年8月14日
[3]。Branka Vuleta等人，“每天产生多少数据?， 2020年1月30日
[4]。能源创新等，“数据中心到底消耗了多少能源?”， 2020年3月17日
[5]。wiwynn等人，“48V:数据中心电力传输系统的改进”，2017年6月
[6]。全球ICT能源效率Summit等，2019年10月“5G电信电力目标网络”

PowerCSP™是Amkor Technology, 狗万注册地址Inc.的商标。

©2020，安k狗万注册地址or Technology, Inc。保留所有权利。