3D Power Packaging für grüne Energie

Leistungshalbleiter sind essenzielle Komponenten aller elektronischen Systeme – von Smartphones bis hin zu Automobilen. Fortschritte in der Halbleitertechnologie beschleunigen den Übergang zu einer nachhaltigen Wirtschaft.

Moderne DC/DC-Wandler reduzieren den Energieverbrauch durch höhere Effizienz. Die besten Modelle erreichen Wirkungsgrade über 95%, angetrieben durch innovative Designs und den Einsatz neuer Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Die Zahl der Leistungshalbleiter im globalen Markt für erneuerbare Energien wird voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 8–10% bis 2027 steigen.

Effizienz ist ein wichtiger Faktor, doch auch Leistungsdichte spielt eine entscheidende Rolle. Sie ermöglicht es Entwicklern, mehr Leistung auf gleichem Raum oder gleichwertige Funktionalität auf kleinerer Fläche unterzubringen. Das ist besonders wichtig, da viele grüne Technologien mechanische Geräte durch elektronische Alternativen ersetzen. Beispielsweise ersetzt ein Elektrofahrzeug (EV) riemengetriebene mechanische HVAC-Einheiten und Servolenkungspumpen durch elektronische Versionen, die in den begrenzten Bauraum unter der Motorhaube passen müssen. Eine geringere Größe bedeutet zudem weniger Gewicht, was zur Erhöhung der Reichweite beiträgt.

Zur Maximierung der Systemleistung gehört die Optimierung des Stromversorgungs-Subsystems. Dieses umfasst Stromversorgungen, Umrichter, Filter, Schutzschaltungen sowie deren Verbindungen wie Stecker, Kabel und Leiterbahnen.

Entscheidende Faktoren sind Größe, Gewicht und Leistung (SWaP) oder SWaP-C, wenn Kosten berücksichtigt werden. Dreidimensionales Power Packaging (3DPP) ist eine moderne Verpackungstechnik, die es ermöglicht, kompakte, hochdichte Leistungsmodule zu entwickeln und gleichzeitig SWaP-C zu optimieren. 3DPP nutzt fortschrittliche Montagetechnologien, um maximale Leistungsdichte auf minimalem Raum zu realisieren. Bei DC/DC-Wandlern ermöglicht 3DPP eine Kombination aus hoher Leistung und geringer Baugröße. Dies führt zu signifikant kleineren Stromversorgungslösungen, die dennoch hoch effizient bleiben, ohne zusätzliche Kosten für den Platinenspeicherplatz zu verursachen.

Die 3DPP-Technologie eliminiert die Notwendigkeit einer internen gedruckten Leiterplatte (PCB), indem sie Komponenten direkt auf einen Lead-Frame montiert. Dies reduziert den Platzbedarf im Modul und ermöglicht kompaktere PCB-Designs mit integrierter Leistungsumwandlung, ohne dass maßgeschneiderte DC/DC-Wandler erforderlich sind.

Mehrere Fertigungsinnovationen haben zur Entwicklung von 3DPP beigetragen, darunter:

• Eingebettete passive und aktive Komponenten
• Flip-Chip-Technologie
• Minimierung induktiver und kapazitiver Störgrößen durch optimierte Gehäuseverbindungen
• Planare Magnetik von Induktivitäten und Transformatoren, die eine kompakte und effiziente Konstruktion ermöglicht