GaNonCMOS – Nächste Schritte zur POL-Integration

Ein Schwerpunkt des Projekts war die Einbettung von Komponenten in die Leiterplatte (PCB). Mit dieser Technik ist es möglich, eine oder mehrere Komponenten innerhalb des PCB-Kerns zu integrieren. Die größte Herausforderung hierbei ist die Dicke der Komponente und ihr Verhalten unter verschiedenen Umgebungsbedingungen. Einbettbare Bauteile können ICs, Schalter oder passive Komponenten sein – je nach Anforderungen des Designs. Durch den Einsatz von dicken Kupferebenen, die mit den Anschlüssen der eingebetteten Komponenten verbunden sind, lässt sich ein definierter Wärmepfad erzeugen. Die GaN-Power-ICs und MOSFET-Gehäuse können in unmittelbarer Nähe zueinander platziert werden, wodurch parasitische Induktivitäten reduziert und höhere Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht werden.

Kleine passive Bauelemente wie Widerstände und Kondensatoren können in denselben Hohlraum eingebettet werden, während größere Komponenten wie Magnetkerne, Eingangs- oder Ausgangskondensatoren extern bleiben. Die FR4-Materialeigenschaften sorgen dafür, dass die Kondensatoren weniger von der Abwärme der Schalter oder ICs betroffen sind. Das 3D-Layout erhöht die Komplexität des Designs, bietet aber Vorteile wie kleinere Schalt- und Regelkreise, eine geringere Baugröße und Schutz gegen Reverse Engineering.

Ein weiterer Ansatz zur Optimierung ist die Reduzierung der PCB-Höhe. In einem Abwärtswandler (Buck-Converter) ist der Induktor häufig das höchste Bauteil. Wenn eine flache Lösung erforderlich ist, ist es oft schwierig, einen niedrigprofiligen Induktor zu finden. In diesem Projekt wurde daher die Einbettung von Magnetkernen als Alternative untersucht.

Das Problem der Induktorgröße wurde durch den Einsatz von magnetischen Plattenmaterialien gelöst. Sehr dünne (100–200 μm) Materialien mit spezifischen magnetischen Eigenschaften wurden in verschiedene Formen geschnitten und direkt auf der Leiterplatte platziert. Die PCB-Routing-Struktur bildete dabei eine Wicklung, wodurch sich ein flacher Induktor realisieren ließ. Mehrere Demonstratoren mit dieser Technologie wurden bereits entwickelt. Die ideale Lösung zur Platzersparnis besteht darin, dass die Induktorfläche ähnlich groß ist wie andere kleine Bauteile auf der PCB (siehe Abbildung 1). Die Abbildung zeigt eine Ringkernstruktur, bei der die Wicklungen in der inneren Schicht verlaufen, wodurch ein toroidaler Induktor entsteht (siehe Abbildung 2).