Forschungsprojekt GaNonCMOS für GaN auf DC/DC-Wandler

Kleinere und effizientere Stromwandler sind der Trend der letzten Jahrzehnte und es wird erwartet, dass dies auch in Zukunft so bleiben wird. Das wird durch neue Topologien, neue Materialien und neue Integrationsprozesse erreicht. Die Integration neuer Materialien stand im Mittelpunkt des Projekts: Horizon 2020 der Europäischen Union, als sie das GaNonCMOS-Projekt finanzierte. Das Projekt zielte auf die dichte Integration von GaN und Si auf verschiedenen Ebenen (PCB, Stack und Chip) ab, wobei neue weichmagnetische Materialien entwickelt wurden, die für hohe Schaltfrequenzen und die PCB-Einbettung geeignet sind. Im Gegensatz zum „Mainstream“-Einsatz von GaN-Materialien im 650-V-Bereich lag das Interesse des Projekts bei DC/DC-Wandlern mit geringer Leistung im Bereich unter 100 V für Serveranwendungen sowie für die Automobil- und Luftfahrtindustrie. Elf Industrieunternehmen und Forschungsinstitute aus Österreich, Belgien, Deutschland, den Niederlanden und Irland nahmen an diesem Projekt teil. Die Recom-Gruppe beteiligte sich an der Entwicklung dieser neuen Technologien und verfolgte damit das Ziel, integrierte und zuverlässigere Lösungen im Bereich der Energieumwandlung anzubieten.

Einer der Schwerpunkte des Projekts war die Einbettung von Komponenten in die Leiterplatte. Mit dieser Technik ist es möglich, eine oder mehrere Komponenten im Leiterplattenkern zu verstecken. Die wichtigste Einschränkung beim Einbetten ist die Dicke der Komponente und ihr Verhalten unter verschiedenen Umgebungsbedingungen. Das einbettbare Bauteil kann ein IC, ein Schalter oder ein passives Bauteil sein, je nach den Zielen der Konstruktion. Durch Verwendung dicker Kupferebenen, die mit den Anschlüssen des eingebetteten Bauteils verbunden sind, lässt sich ein gut definierter Wärmepfad schaffen. Die IC- und MOSFET-Gehäuse können sehr nahe beieinander platziert werden, wodurch sich die parasitäre Induktivität verringert und eine höhere Schaltgeschwindigkeit möglich ist. Kleine passive Bauelemente wie Widerstände und Kondensatoren lassen sich in denselben Hohlraum einbetten, während nur die größeren Komponenten wie Magnete, Eingangs- oder Ausgangskondensatoren außen bleiben. Die Kondensatoren werden dann durch das FR4-Material besonders wenig durch die Wärme der Schalter oder ICs belastet. Das gesamte Layout wird durch die 3D-Struktur komplexer, kann aber den Vorteil kleinerer Schalt- und Regelkreise haben. Weitere wichtige Vorteile sind die kleinere Lösungsfläche und der Schutz des Designs gegen Reverse Engineering.

Ein anderer Ansatz besteht darin, die Höhe der Leiterplatte zu verringern. Bei einem Abwärtswandler beispielsweise ist der Induktor in der Regel das größte Bauteil. Wenn eine sehr flache Lösung notwendig ist, könnte es unmöglich sein, einen geeigneten flachen Induktor zu finden. Aber wie könnte man einen Induktor mit spezifischen Parametern einbetten, für den die Äquivalente in Chipgröße viel zu groß sind, um eingebettet zu werden? Diese Hürde konnten die beteiligten Firmen mithilfe von magnetischen Plattenmaterialien überwinden. Dazu schnitten die Entwickler-Teams sehr dünne (100-200 μm) Materialien mit bestimmten magnetischen Eigenschaften in verschiedene Formen und legten diese auf die Leiterplatte. So bildet das PCB-Routing eine Wicklungsstruktur. Ein solcher Induktor kann im Vergleich zu Chip-Induktoren, die kompakt, aber hoch sind, eine relativ große Fläche brauchen. Das Team konnte auch bereits mehrere Demonstratoren mit dieser Technologie aufbauen. Die optimale Lösung zur Reduzierung des Platzbedarfs besteht darin, dass die Induktorfläche etwa so groß ist wie die anderen kleinen Komponenten auf der Leiterplatte (siehe Bild 1). Die abgebildete Darstellung zeigt eine Ringkernform mit den Wicklungen in der inneren Schicht, wodurch ein Ringkerninduktor entsteht (siehe Bild 2). Andere Formen und andere Wicklungsstrukturen sind ebenfalls möglich, allerdings hängt dies dann von Faktoren wie dem verfügbaren Platz, erforderlicher Kopplung, Strombelastbarkeit usw. ab. In Bild 3 ist ein einfacher 1:1-Transformator dargestellt, der auf der gleichen Ringkernform des magnetischen Materials basiert. Der Vorteil des eingebetteten Transformators ist ein höherer Verschmutzungsgrad und niedrigere Anforderungen an Kriech- und Luftstrecken. Es liegt auf der Hand, dass der Flächenbedarf bei höheren Induktivitätswerten und Strömen zunimmt. Obwohl der Einbettungsprozess von Magnetblechen auch auf größeren Flächen (10 × 10 cm) verifiziert wurde, liegt sein Hauptaugenmerk vor allem auf Anwendungen im unteren Strombereich - bis zu 2 A. Es gibt Parameter wie etwa die Anzahl der Wicklungen, die den Gleichstromwiderstand des fertigen Induktors erhöhen und den Gesamtwirkungsgrad verringern.

Im Rahmen des Projekts wurden mehr als 10 verschiedene Plattenmaterialien getestet, um ihre Eignung für die Einbettung zu ermitteln. Ähnlich wie die Materialien von Chip-Induktoren unterscheiden sich auch die Plattenmaterialien. Die Blätter werden unter hohem Druck eingebettet und anschließend in der Leiterplatte eingekapselt. Es wurden Langzeit-Zuverlässigkeitstests auf der Grundlage des Automobilstandards (AEC-Q200) mit einer großen Anzahl von Mustern durchgeführt, um die Stabilität der elektrischen Parameter und die mechanische Beständigkeit zu bewerten. Beispiele für die Tests sind: Temperaturwechsel (2000 Zyklen); Temperatur-Feuchtigkeits-Bias (1000 Stunden bei 85 °C, 85 % rF); Hochtemperatur-Lagerung (1000 Stunden bei 125 °C); Tieftemperatur-Lagerung (1.000 Stunden bei -55 °C); hoch beschleunigter Belastungstest (96 Stunden bei 130 °C, 85 % rF). Nur wenige Materialien haben diese Tests bestanden, ohne dass es zu einer Verschiebung der Parameter oder einer Delamination innerhalb der Leiterplatte kam. Dieses Wissen hilft, die Hauptrisiken bei der Konstruktion mit dieser Technologie zu vermeiden, da einige Materialien während des Einbettungsprozesses brechen.

Die meisten dieser Plattenmaterialien eignen sich für Schaltfrequenzen zwischen 1 MHz und 5 MHz. Neben der Erprobung von Magnetplattenmaterialien konzentrierte sich das Projekt auch auf die Entwicklung neuer magnetischer Materialien, die für Schaltfrequenzen um 20 MHz geeignet sind. Mehrere Versuche führten zu einer neuen Kombination, die ebenfalls erfolgreich eingebettet wurde.

Wie der Name des Projekts bereits andeutet, bestand eines der Projektziele darin, ein GaN-Bauelement (den Schalter) in den CMOS-Treiber zu integrieren. Sowohl GaN- als auch Si-Bauelemente wurden im Rahmen des Projekts in mehreren Iterationen selbst entwickelt und hergestellt, um die elektrischen und physikalischen Anforderungen des Integrationsprozesses zu erfüllen. Der neu entwickelte Prozess wird Direct Wafer Bonding (IBM) genannt und ermöglicht es, zwei Wafer vor dem Dicing zu verbinden. Dieses komplexe Verfahren befindet sich noch in der Erprobungsphase, aber wenn die zu erwartenden Hindernisse überwunden sind, wird es ein wichtiger Schritt in der Chipintegration sein, da zwei verschiedene Halbleitermaterialien in einem Bauteil das Beste aus beiden Welten vereinen. Eine praktisch nicht vorhandene parasitäre Induktivität zwischen dem Treiber und dem Schalter würde eine extrem hohe Schaltfrequenz im Bereich von Hunderten von MHz ermöglichen. Dies führt zu minimalen Größenanforderungen an die passiven Bauelemente (Magnete und Kondensatoren), was in einer extremen Reduzierung des Volumens für die Leistungsumwandlung resultiert.