2014 十月

集成化和小型化趋势

无源嵌入式元件

随着新材料和集成技术的不断发展,无源元件的嵌入和集成取得了很大进展。最新小型化元件专为嵌入式应用而设计,可使系统更紧凑、可靠。

无源元件的尺寸及强度(用于进一步处理)通常决定了其是否适用于特殊的嵌入和集成技术。TDK集团研发了创新性的电容器和热敏电阻,通过采用一流的集成技术,提供卓越的无源嵌入解决方案。

IGBT模块中的嵌入式电容器

传统意义上的适用于中等功率范围且基于Si和SiC技术的IGBT模块采用外部缓冲电容器。直到现在,这些电容器尚不能嵌入到模块中,因此受制于寄 生电感的引线长度而无法缩短。除了尺寸,传统电容器还无法承受直接组装到IGBT模块时所产生的热量。此外,有些电容器单位体积的电容值很低,额定电压高 时,电容值损失很大。

现在,TDK集团研发的全新爱普科斯 (EPCOS) CeraLink™电容器则克服了以上提到的所有缺陷。CeraLink电容器基于陶瓷材料PLZT(锆钛酸铅镧),与传统陶瓷电容器相比,其针对不同电 压应用最大限度提升了电容值,从而提高了纹波电压的占比(图1)。

图1:爱普科斯 (EPCOS) CeraLink对应不同电压的电容值

与其他电容器技术相比,爱普科斯 (EPCOS) CeraLink 的有效电容值随着电压的增加而增大。

脉动纹波电压的影响更加放大了此效应。

该新型电容器的另一个优势是绝缘电阻高。25 °C时,其RC时间常量 τ 为7万ΩF;温度为150 °C时,该数值仅略微降低,从而防止了危险的热失控现象发生。此外,其寄生效应也很低:100 kHz时,ESR仅为 50 mΩ;1 MHz时,ESR降低至10 mΩ,损耗极小。温度升高时ESR进一步降低:85 °C时,其ESR已经小于25°C时ESR的20%。 CeraLink 电容器的充放电时间介于25 ns和30 ns之间,ESL小于5 nH,特别适用于快速切换的逆变器。

CeraLink 技术所具备的这些优势,使其势必成为嵌入到IGBT模块中最理想缓冲电容器。TDK集团提供两种额定电压为500 V DC的SMD型号(图2):其中low-profile 1 µF型号的尺寸仅为4.35 mm × 7.85 mm × 10.84 mm;5 µF型号的尺寸为 13.25 mm × 14.26 mm × 9.35 mm。两者都极其紧凑,可放置在紧靠半导体(ESL值可忽略)的位置。

图2:可集成到IGBT模块的爱普科斯 (EPCOS) SMD CeraLink

CeraLink low-profile 1 µF型号(左)和 5 µF型号(右)均专为嵌入到IGBT模块而设计,尺寸紧凑,且能耐受高达150 °C的高温。

IGBT模块中的嵌入式温度保护元件

当逆变器中的IGBT模块工作在温度上限时,它的效率可达到最高。因此,需要准确监控工作温度,从而防止半导体损坏。然而,一直使用至今的标准SMDNTC热敏电阻,由于不能适用于所有的半导体组装工艺(包括压力条件下的高温焊接和银烧结),其适用性相当有限。

针对上述问题,TDK集团推出能承受组装中所碰到的热量和机械压力的新型元件。这些新元件无需特殊垫子焊接至半导体基材,节省了占有空间。此外,TDK集团还针对爱普科斯 芯片 NTC热敏电阻,专门研发出基于晶片的制作工艺(图3)。

图3:晶片和爱普科斯 (EPCOS) NTC热敏电阻(上、下表面带接触器)

带载体(左)的完整爱普科斯 (EPCOS) NTC晶片和单个NTC芯片(右)。平整的接触区在上、下表面,而不是常见的在侧面。

用晶片制造的NTC热敏电阻的主要优势在于其电接触器的配置。这些电接触器位于芯片的上、下表面,从而允许直接接触下面的终端,且使用传统的半导体 处理还能使整个表面接触到半导体基材。通过IGBT模块中常见的引线键合方式可接触上面的终端。接触器表面可以镀金或镀银,从而达到最好的键合效果。

芯 片NTC热敏电阻的其他优势还包括最小的电子和热公差。热敏电阻采用特殊的处理技术,实现了无与伦比的精度:在从晶片分离单个元件之前,先测量额定温度为 100 °C时晶片的总阻抗。然后,基于这次的测量值确定需要分离的热敏电阻的阻抗大小。这样就确保了分离元件的公差远小于额定温度为25 °C时标准NTC热敏电阻的公差(图4)。

图4:NTC技术的精度比较

在120 °C的温度范围内(对半导体至关重要),芯片NTC热敏电阻的测量精度为±1.5 K,而额定温度为25°C时标准型号的公差的大得多 (>±5 K)。

由于爱普科斯 (EPCOS) 芯片NTC热敏电阻在100 °C时公差仅为±1.5 K,使得温度接近最大允许值时无需提前降温,IGBT模块仍可工作,从而显著提高了效率。该解决方案还适用于基于SiC和GaN的新一代电力半导体。

与LTCC 3D集成

鉴 于智能手机和其他可携带电子设备大多都专为支持更多频带、提供更多功能而设计,为了保持其紧凑外形,就不可避免的需要更多级别的集成,而不只是单个元件的 小型化。久经验证成熟的LTCC技术(低温共烧陶瓷)能将电感器、电容器和电阻等无源元件集成到薄的陶瓷层。根据集成级别,主要用于制造智能手机RF模块 的LTCC技术,能比分立解决方案节省高达80%的空间。

然而,由于LTCC烧结时的温度高于500 °C,因此半导体等热敏元件必须在烧结后以背负方式安装于模块的上侧。

与SESUB半导体集成

通过将IC集成至基板,TDK集团的SESUB技术(半导体嵌入基板)代表了一种新的集成方式。即便包括集成的IC,SESUB基板的整个厚度也仅为300 µm(图5)。

图5:TDK SESUB基板的剖面图

包括所有连接和过孔,四个微结构基板层厚度仅为300 µm。即便有无数小螺距I/O的IC也能嵌入到TDK SESUB基板。所需的分立无源元件可放于基板的表面。

所需的分立无源元件可放于基板的表面。为了进一步增加集成密度,接下来可将薄的无源元件嵌入到基板中。由于SESUB模块采用了第三个尺寸,按照设计,其面积可比传统分立式解决方案小50%至60%。

缩 短模块中基板层的引线长度,可改进寄生效应,从而改善系统性能。由于SESUB基板内金属层的屏蔽效应,EMC性能也会提高。此外,IC完全嵌入 后,SESUB还可提供优异的散热属性。芯片的所有表面与薄片完全接触,优化了半导体至基板层的热传输性能。这些层本身包含了铜微互连网格,还能均匀高效 散热。对于电力管理、收发器、处理器、功率放大器等应用或智能手机的所有主要元件,卓越的散热性能更显得重要。除了小型化,使用LTCC和SESUB技术 的还具有卓越的可靠性,显著降低物流成本等优势。

SESUB的典型设计款式是专为蓝牙4.0低能耗(LE)规格而开发的,该款式为尺寸极其 紧凑的TDK蓝牙4.0低能耗模块,现已作为Bluetooth Smart(图6左)面市。新型SESUB-PAN-T2541蓝牙4.0 LE模块的封装尺寸仅为4.6 × 5.6 mm,插入高度为1 mm,为 Bluetooth Smart模块应用设立了行业标杆。由于尺寸紧凑,该模块还非常适用于可穿戴设备。

图6:节省空间的TDK SESUB模块

左:TDK蓝牙低能模块是为蓝牙4.0低能(LE)规格而开发,是世界上最小的模块,其尺寸仅为4.6 mm x 5.6 mm。智能手机的整个电源管理都集成到了TDK电源管理单元(右)中。

SESUB还非常适用于智能 手机的电源管理。在TDK的电源管理单元 (PUM) 模块(图6右)中,首次将管理电源的IC直接嵌入到基板。这一创新举动进一步为终端设备制造商降低了开发成本,缩短了开发周期。整个模块包括新开发的 SMD型电容器和功率电感器,尺寸仅为11.0 mm × 11.0 mm × 1.6 mm,并且还包括为5通道配置的降压变换器(输出电流可高达2.6 A)供电的高效电源以及用于多达23个通道的低噪、高PSRR(电源丢弃率)、低压差 稳压器和可充电锂离子电池的超高效充电电路。

利用PC板的集成潜力

早在很久以前,多层PC板就已不再只是元件的载体,其在集成技术中同样具有重要作用。为了更有效地利用其集成潜力,TDK集团正在和合作伙伴共同研发有源和无源电子元件的嵌入技术。此外,在注重实现模块高度小型化的集成技术标准化过程中,PC板的集成潜力将不断被挖掘!

尤 其是几乎每个电路都需要用来缓冲和抑制噪声的MLCC技术更具集成潜力,有助于实现模块小型化的目的。鉴于此,TDK集团开发了可嵌入到PCB中 MLCC-CU系列产品。与传统的MLCC不同,新系列产品的电极不是镀锡,而是由铜制成,且直接插入到PC板的薄片层。这些MLCC插入高度极低,介于 0.11 mm和0.25 mm之间,远超于其他同类产品。

表:TDK公司MLCC-CU系列,可嵌入至PCB

型号CUA1CUA2
最大电容值 [µF]0.221
形状
长度 [mm]       0.61.0
宽度 [mm]0.30.5
最大插入高度 [mm]0.11 0.220.11 0.25
最大插入高度 [µm]230350

下载

分享(转载)

阅读更多