模块电源核心工艺技术文件

发布日期:2016-03-11 17:15,查看次数:796

1、降低热阻,改善散热

为改善散热和提高功率密度,中大功率模块电源大都采用多块印制板叠合封装技术,控制电路采用普通印制板置于顶层,而功率电路采用导热性能优良的板材置于底层。早期的中大功率模块电源采用陶瓷基板改善散热,这种技术为适应大功率的需要,发展成为直接键合铜技术(Direct CopperBond,DCB),但因为陶瓷基板易碎,在基板上安装散热器困难,功率等级不能做得很大。后来这一技术发展为用绝缘金属基板(Insutalted Mental Substrate,IMS)直接蚀刻线路。最为常见的基板为铝基板,它在铝散热板上直接敷绝缘聚合物,再在聚合物上敷铜,经蚀刻后,功率器件直接焊接在铜上。为了避免直接在IMS上贴片造成热失配,还可以直接采用铝板作为衬底,控制电路和功率器件分别焊于多层(大于四层,做变压器绕阻)FR一4印制板上,然后把焊有功率器件的一面通过导热胶粘接在已成型的铝板上固定封装。不少模块电源为了更利于导热、防潮、抗震,进行了压缩密封。最常用的密封材料是硅树脂,但也有采用聚氨酯橡胶或环氧树脂材料。后两种方式绝缘性能好,机械强度高,导热性能好,成为近年来模块电源的发展趋势之一,是提高模块功率密度的关键工艺技术。

 

2、二次集成和封装技术

为提高功率密度,近年开发的模块电源无一例外采用表面贴装技术。由于模块电源的发热量严重,采用表面贴装技术一定要注意贴片器件和基板之间的热匹配,为了简化这些问题,最近出现了MLP (MultilayerPolymer)多层聚合物片状电容,它的温度膨胀系数和铜、环氧树脂填充剂以及FR4 PCB板都很接近,不易出现象钽电容和磁片电容那样因温度变化过快而引起电容失效的问题。另外为进一步减小体积,二次集成技术发展也很快,它是直接购置裸芯片,经组装成功能模块后封装,焊接于印制板上,然后进行键合。这一方式功率密度更高,寄生参数更小,因为采用相同材料的基片,不同器件的热匹配更好,提高了模块电源的抗冷热冲击能力。目前,被称为集成的功率电子模块工艺IPEM (Integrated Power Electronics Module)的研究,是一种三维的封装结构,主要针对功率电路,未来要取代引线键合技术。

 

3、扁平变压器和磁集成技术

 

磁性元件往往是电源中体积最大、最高的器件,减小磁性元件的体积就提高了功率密度。在中大功率模块电源中,为满足标准高度的要求,大部分的专业生产厂家自己定做磁芯。而现有的磁性供应商只有飞利浦可以提供通用的扁平磁芯,且这种变压器的绕组制作也存在一定难度。采用这种磁芯可以进一步减小体积,缩短引线长度,减小寄生参数。CPES 一直在研究一种磁集成技术,福州大学的陈为教授3年前在CPES研究了磁集成技术,他们做的一个样机是半桥电路,输出整流采用倍流整流技术,而且输出端的两个电感跟主变压器集成在一个铁芯里,最后达到的功率密度为300W/in 。倍流整流技术适用于输出电流大,对di/dt要求高的场合,比如在实现VRM 的电路中就常常用这种整流电路。

 

4、新型器件和新材料的应用

随着输出电流的增加,更低导通电阻和开关损耗的MOSFET大量应用于模块电源中进行同步整流,模块电源的效率得到了一定提高,但由于软开关技术近几年无太大发展,效率提高越来越缓慢。碳化硅材料的出现可能改变这种现状,这种材料禁带宽、工作温度高(可达600~C)、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小。

 

5、封装技术

1) 敞开式模块的大量使用: 由中大功率敞开式模块电源焊点少,寄生参数容易控制,EMC指标优越,热分布均匀等优点,这一模块电源的应用越来越广泛,但大功率敞开式模块的热设计比较复杂,成本较高,并且由于效率提高有限,在系统结构的约束下,无基板敞开式模块电源采用强制风冷也无法耗散局部热点温度。40~60W 左右自然冷却的敞开式模块电源会在单板分布式供电系统中得到大量使用。

2) IC封装模块电源的生产:在中小功率模块电源中,为了实现电源板生产自动化,会向表面贴装发展,这种模块电源的生产会结合半导体的工艺,大大提高模块生产的可靠性和一致性,降低成本,真正实现点负载供电。目前的水平可以提供高达8A 的输出电流。另外封装的标准化也是目前模块电源发展的一个重要方向,实践证明,采用非标准封装的模块电源会由于竞争的加剧逐步淡出模块电源市场。 

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