Leistungsstarke Rechnersysteme fordern Leistungswandlermodule mit höheren Stromdichten. Selbst ein geringfügig kleineres Modul als üblich kann erhebliche Auswirkungen auf Systeme haben, die mit 10, 15 oder mehr POL-Wandlern (Point of Load) ausgestattet sind. Interoperable Module verschiedener Hersteller helfen dabei, die komplexen Sachverhalte digitaler oder softwaredefinierter Stromversorgungsarchitekturen zu vereinfachen. Das Konsortium „Architects of Modern Power“ (AMP Group) hat dafür eine entsprechende Plattform geschaffen.

Für Ericsson Power Modules, Gründungsmitglied der AMP Group, kommt der Gehäusetechnik eine zentrale Rolle bei der Maximierung der Stromdichte zu. Das Unternehmen teilt sein Know-how rund um das LGA-Gehäuse (Land Grid Array) mit den anderen Konsortiumsmitgliedern. Damit steht eine neue Generation interoperabler, nicht-isolierter POL-Wandler zur Verfügung, die eine hohe Stromdichte mit optimiertem Wärmeverhalten und Zuverlässigkeit kombinieren.

Die Gehäusetechnik LGA wurde konzipiert, um die Stromdichte von POL-Wandlern zu erhöhen.

Die Gehäusetechnik LGA wurde konzipiert, um die Stromdichte von POL-Wandlern zu erhöhen. Ericsson Power

Flächenbezogene Anschlüsse für die Leistungswandlung

Chipgehäuse mit flächenbezogenen Anschlüssen wie das Ball Grid Array (BGA), bei dem sich die I/Os auf der Unterseite befinden, sind bei Bausteinen wie Mikroprozessoren, Speichern und FPGAs mit vielen I/Os beliebt und nehmen nur wenig Platz auf der Leiterplatte (PCB) ein.

Neben seiner hohen I/O-Dichte bietet das BGA-Gehäuse auch einen geringen thermischen Gesamtwiderstand. Die große Anzahl der Lötkugeln mit kleinem Durchmesser, die das I/O-Array bilden, kann Wärme effizient in die Leiterplatte überführen und anschließend in die Umgebung ableiten. Darüber hinaus ist die Gehäuse-Induktivität gering, da BGA-Anschlüsse kürzer sind als die Anschlüsse bedrahteter Gehäuse. Dies gewährleistet eine hohe elektrische Leistungsfähigkeit, insbesondere bei großen, sich schnell ändernden Strömen.

Die Wahl der Lötmaterialien entscheidet

Die Lötverbindungen von LGA-Gehäusen bieten Herstellern zusätzliche Vorteile. Als LGA-Gehäuse erstmals in größerer Stückzahl zum Einsatz kamen, gingen einige Hersteller davon aus, dass die geringe Höhe der Lötpunkte zu weniger zuverlässigen Baugruppen führen würde als bei BGA-Verbindungen. Eine unberechtigte Sorge, denn Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit hat vor allem die Wahl der Lötmaterialien und nicht die Höhe der Lötpunkte.

Tests haben gezeigt, dass bei Zinn-Silber-Kupfer-(SAC-)Lötlegierungen die Ergebnisse mit LGAs oft anderen Gehäusen überlegen sind. Die Verbesserung lässt sich durch eine Untersuchung der Mikrostruktur der LGA-Lötstellen erklären.

Die Zuverlässigkeit von BGA- und LGA-Gehäusen, bei denen SAC-Lötlegierungen zum Einsatz kamen, im Vergleich.

Die Zuverlässigkeit von BGA- und LGA-Gehäusen, bei denen SAC-Lötlegierungen zum Einsatz kamen, im Vergleich. Ericsson Power Modules

Eine LGA-Verbindung enthält eine relativ geringe Menge an Lot in Bezug auf ihre Oberfläche, was ein schnelles Erstarren nach dem Reflow-Lötvorgang ermöglicht. Als Folge dessen hat die Lötverbindung eine verflochtene Kornstruktur, die anders ist als die großkörnigen Strukturen herkömmlicher Lötverbindungen, die sich langsamer ausbilden, wie beispielsweise die Lötkugeln von BGA-Verbindungen. Die verflochtene Mikrostruktur garantiert eine harte Lötverbindung, die ein langsames Kriechverhalten und eine verzögerte Rekristallisation aufweist. Diese Faktoren erhöhen die Zuverlässigkeit im Feld.

Das LGA ist voll kompatibel zu Reflow-Prozessen, die für die BGA-basierte Montage verwendet werden, da die gleichen grundlegenden Reflow-Lötprozesse zum Einsatz kommen. Das LGA kann auch mit PCB-Pads verwendet werden, die entweder Lötmasken-definiert (SMD; Solder Mask Defined) oder nicht Lötmasken-definiert (NSMD) sind. Ein SMD-Pad wird empfohlen, wenn die Anwendung hohen Stoßkräften ausgesetzt ist. Das NSMD-Pad erhöht hingegen die Zuverlässigkeit und wird oft für langlebige Anwendungen gewählt, in denen der Verschleiß von Lötverbindungen im Laufe der Zeit ein größeres Problem darstellt.

Lizensiertes Design soll Entwicklungsaufwand minimieren

Neben seiner hohen I/O-Dichte bietet das BGA-Gehäuse auch einen geringen thermischen Gesamtwiderstand.

Neben seiner hohen I/O-Dichte bietet das BGA-Gehäuse auch einen geringen thermischen Gesamtwiderstand. Ericsson Power Modules

Ericsson Power Modules nutzt die hohe Flächeneffizienz, die geringe Induktivität und das bessere Wärmeverhalten der LGA-Technologie in seinem PMBus-kompatiblen, nicht isolierten 60A-DC/DC-POL-Wandler BMR466 für Cloud-, Telekommunikations- und industrielle Stromversorgungen. Bis zu acht Wandler können parallel geschaltet werden, um 480 A bereitzustellen. Das Design ist für alle AMP-Group-Mitglieder lizenziert, wodurch interoperable Module zur Verfügung stehen, die gleich bleibendes Verhalten in digitalen und softwaredefinierten Stromversorgungsarchitekturen gewährleisten.

Das Modul ist so aufgebaut, dass eine niedrige Gehäusehöhe erreicht wird. Mit nur 7 mm Bauhöhe beeinträchtigt das BMR466 den Kühlluftstrom über der Platine nur wenig. Ericsson hat auch die Anordnung der LGA-Lötpads im Hinblick auf ein verbessertes Wärmeverhalten und eine effiziente Ableitung der entstehenden Wärme optimiert. Dabei ist die Grundfläche mit 14 mm x 25 mm kompakt geblieben. Die Kühlung wird zudem durch Konvektion über der Oberseite des Moduls unterstützt. Die LGA-Kontakte sind symmetrisch angeordnet, um den mechanischen Kontakt zu maximieren und die Zuverlässigkeit nach dem Löten zu erhöhen. Um die Qualität der Lötverbindungen beim Anschluss an die Leiterplatte weiter zu verbessern, vergoldet Ericsson die LGA-Pads. Dies minimiert das Risiko einer Verunreinigung durch Lötmittel, was optimale Zuverlässigkeit gewährleistet.

Durch den Einsatz der LGA-Technologie erübrigen sich zudem alle internen Verbindungsleitungen, wodurch sich die Gehäuse-Induktivität erheblich verringert. Hinzu kommt, dass eine hohe Anzahl der externen Kontakte Massepins sind. Insgesamt erhöht sich somit die Störfestigkeit und elektromagnetische Störungen werden minimiert.

Das überlegene Wärmeverhalten von LGA-Gehäusen sorgt dafür, dass sich die temperaturbezogene Abnahme des Laststroms (Derating) verringert, wodurch ein höherer Ausgangsstrom aufrechterhalten werden kann, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Die Stromtragfähigkeit des BMR466 ist nach Einsetzen des Deratings vergleichbar mit der konkurrierender POLs, die eine höhere Maximalstrombelastung bieten, aber mehr als das Zweifache an Fläche und fast das Vierfache des Volumens einnehmen.

ECk-Daten

Die LGA-Gehäusetechnik bietet verschiedene Vorteile für POL-Wandler, die für die Stromversorgung kommender hochleistungsfähiger Server in Industrie-, Telekommunikations- und Cloud-Rechnern vorgesehen sind. Niedrige Gehäuse-Induktivitäten, zusätzliche Massepins, ein verbesserter Wärmeabtransport durch Wärmeleitung und Konvektion sowie kompakte Abmessungen mit geringer Bauhöhe sorgen für eine hohe Stromdichte, Zuverlässigkeit und eine höhere Störfestigkeit, um kommende Systeme für die hohen Anforderungen der Endnutzer tauglich zu machen.

Neue Standards geplant

Das BMR466 von Ericsson ist das erste Modul, das den von der AMP Group vor Kurzem eingeführten „gigaAMP“-Standard erfüllt. Das Modul mit einem 60-A-DC/DC-POL-Wandler ist in einem kompakten 25,1 mm x 14,1 mm LGA-Gehäuse untergebracht. Stellflächen- und softwarekompatible Module auf Basis dieser Technologie unterstützen die Strategie der AMP Group, die Arbeit von Entwicklern zu vereinfachen, die durch ein fortschrittliches Stromversorgungsdesign einen Wettbewerbsvorteil erlangen wollen. Die Vorteile dieser Allianz zwischen CUI, Ericsson Power Modules und Murata für die Branche werden durch kommende neue Standards, die alle Aspekte der digital geregelten Stromversorgung auf Leiterplattenebene abdeckt, weiter ausgebaut.