Der Faktor Gehäuse beim Einsatz von DC/DC-Wandlern

Autor / Redakteur: Karsten Bier* / Johann Wiesböck

Welche Vorteile und Möglichkeiten bieten verbesserte Packaging-Technologien für DC/DC-Wandler? Darüber sprachen wir mit Karsten Bier, Geschäftsführer des Power-Spezialisten Recom.

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Karsten Bier ist Geschäftsführer beim Powerspezialisten Recom.
Karsten Bier ist Geschäftsführer beim Powerspezialisten Recom.
(Bild: Recom)

ELEKTRONIKPRAXIS: Herr Bier, welche Herausforderungen gibt es derzeit beim Package-Design für DC/DC-Wandler?

Eine hohe Leistungsdichte ist beim Design moderner Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler) einer der wichtigsten Aspekte. Eine kleinere Konstruktion erfordert daher, dass die Komponenten dichter beieinander angeordnet sind. Dadurch liegen mehrere Wärmequellen so nahe aneinander, dass ein Hauptproblem die effiziente Wärmeabführung ist. Die thermischen Aspekte eines Designs werden daher bei sehr kompakten Konstruktionen entscheidend sein.

Die EMV ist eine weitere wichtige Herausforderung bei jedem DC-DC-Wandler. Eine Möglichkeit für eine höhere Leistungsdichte ist die Verkleinerung der passiven Bauelemente durch eine höhere Arbeitsfrequenz des Wandlers (schnelleres Schalten erfordert kleinere Werte der Bauelemente). Dabei bestimmt aber häufig das Layout der Platine, ob der Wandler einen EMI-Test besteht. Eine gute Methode, um die parasitären Elemente in einer Schaltung gering zu halten, ist eine begrenzte Länge der Verbindungen auf der Platine. Herkömmliche Packaging-Designs haben aber Grenzen bezüglich der Kürze dieser Wege.

Welche Vorteile bieten verbesserte Packaging-Technologien?

Einige verbesserte Montagetechnologien, die beim Überwinden der Probleme im Packaging-Design helfen, sind BGA (Ball Grid Array) und FCOL (Flip-Chip-On-Leadframe). Beide Techniken verringern die parasitären Elemente der Verbindungen deutlich. Durch Umdrehen des ICs und seiner direkten Platzierung auf einem Leadframe hat FCOL zudem auch einen drastisch verringerten thermischen Widerstand. Diese Montagetechniken erlauben höhere Schaltfrequenzen und erfüllen dabei dennoch strenge EMV-Anforderungen.

Bei der „3D Power Packaging“-Technologie von Recom werden zusätzlich aktive und passive Bauelemente direkt in die Platine integriert. So werden ähnliche Ergebnisse erreicht wie beim „Flip-Chip-on-Leadframe“-Ansatz, in dem Wege verkürzt und der thermische Widerstand des Designs verringert werden. Dadurch können wir die Größe des Moduls verringern und seine Leistung erhöhen.

Für verschiedene Probleme nutzen wir verschiedene Lösungstechniken. Es macht keinen Sinn, den Wandler zu verkleinern, wenn man die entstehende Wärme und die elektromagnetischen Störungen nicht im Griff hat. Kunden wünschen sich häufig eine ganzheitliche Lösung, die alle Anforderungen bezüglich EMV, Wärmemanagement und Leistung in einer Einheit vereint. Mit anderen Worten, sie möchten eine Plug-and-Play-Lösung. Für diese Kunden empfiehlt sich die RPM-Baureihe. Das sind kompakte Module, die nur minimale externe Bauelemente erfordern (beispielsweise zwei Widerstände zum Einstellen der Ausgangsspannung), um eine komplette DC/DC-Stromversorgung zu erzielen.

Wie würden Sie die verbesserte Packaging-Technologie von Recom für DC-DC-Wandler geringerer Leistung erklären?

Verbesserte Packaging-Technologien wie 3D-Power-Packaging werden in eingebetteten Flip-Chip-on-Leadframe-Designs verwendet, aktive und passive Bauelemente in der Platine und in Mehrschicht-Designs. Damit kann Recom die Leistungsdichte steigern und Schaltgeschwindigkeiten erhöhen, ohne die thermische Leistung zu beeinträchtigen.

Bitte berichten Sie uns mehr über Produkte mit modernen Packaging-Technologien.

Die Baureihen RPM, RPMB, RPMH und RBB nutzen eine thermisch optimierte Mehrschicht-Platinentechnologie mit BGA-Chips. Die Baureihe RPX nutzt die FCOL-Technologie. Schließlich verwendet die RxxCTxxS ein Mehrschicht-Design mit Luftkerntransformator, um ein sehr hohes Isolationsmaß in einer sehr flachen Bauform in einem eingebetteten Package vom IC-Typ zu erreichen.

Der Produkteinsatz steht im engen Zusammenhang mit der Entwicklung der Industrie. Können Sie uns ein paar Anwendungen nennen, worauf sich die 3D-Power-Packaging-Technologie hauptsächlich konzentriert?

Wir sind sehr froh, dass unsere umfangreiche Produktpalette verschiedene Kundensegmente in der Industrie anspricht. Die 3D-Power-Packaging-Produkte eignen sich für fast alle Anwendungen und erfüllen die Marktanforderungen bezüglicher minimierter Größe auf der Platine, hoher Leistungsdichte, völlig automatisiertem Fertigungsprozess, schneller Markteinführung und einfacher Anwendung.

Ein Beispiel ist der Drohneneinsatz, wo das 6A-Modul eine hohe Leistung bietet, was vorteilhaft für die Batterie in Drohnen ist. Andere Anwendungen umfassen Telekommunikationstechnik, Set-Up-Boxes, Gateways für intelligente Zähler wie 5G, Industrie, Roboter, Medizintechnik, Mobilität, Energietechnik, Automobile usw.

Wie läuft das Geschäft von Recom angesichts der derzeitigen globalen Pandemie?

Die Pandemie hat einige Branchen wie Automobile, Luftfahrt und Maschinenbau hart getroffen, wo wir demzufolge Umsatzeinbußen haben. Gleichzeitig ist die gute Nachricht für uns jedoch, dass wir in Bereichen wie Medizintechnik, Mobilität, Energietechnik, IoT und 5G-Anwendungen starke Zuwächse sehen. Dank der breiten Produktpalette von Recom können wir daher genau die wachsende Nachfrage aus diesen Branchen beliefern.

Welche weiteren Produkte plant Recom im Bereich Stromversorgung?

Recom bleibt auch in diesen schwierigen Zeiten innovativ. Im Jahr 2021 werden einige neue Modelle unserer Stromversorgungsmodule eingeführt. Auch unser Angebot an Hochleistungs-AC/DC- und DC/DC-Wandlern werden wir weiter ausbauen. Mit unserer Expansion nach Wien und China sowie unserer Akquisition eines auf Mobilitätslösungen spezialisierten Unternehmens in Italien ist Recom für die Zukunft gut aufgestellt.

Wie hat sich das Jahr 2020 hinsichtlich Vertrieb und Fertigung entwickelt?

Während wir ein paar überschaubare Probleme bei der Beschaffung von Bauelementen und im Ablauf der Lieferkette hatten, blieben deren Auswirkungen auf unser Gesamtgeschäft gering. Die vorausschauenden Vorbereitungen von Recom haben dafür gesorgt, dass unsere globale Design- und Fertigungsstruktur unbeeinträchtigt blieb und wir den Betrieb an allen Produktionsstandorten (Österreich, Italien, Festland-China und Region Taiwan) aufrechterhalten konnten.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 24/2020 (Download PDF)

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