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在过去的10年中，DC-DC电源模块已经发展成为具有新兴的芯片嵌入式技术，并具有最新增强的热封装技术，这些技术允许以较小的外形尺寸进行更高密度的模块设计。今天的电源模块包括：1）包括FET和驱动器的DC-DC转换器； 2）集成电感器； 3）用于Vcc和启动启动的无源器件；以及4）在某些情况下，用于高级电源功能的通信。

3D设计技术可以帮助减少寄生损耗，提高散热性能，同时还可以减少PCB占位面积。这些关键因素使需要紧凑设计，最高电流密度和功率输出的DC-DC应用受益。

在不久的将来，微型负载点电源（μPOL™）模块需要进行的范式转换需要先进的技术和跨功能的方法：

• 包装设计可解决散热和调节性能

• 创新的集成电路（IC）设计，可实现高精度的紧凑型稳压器设计

• 并联磁性和分立元件开发

• 所有包装上组件的三维设计方法

• 制造技术发展以实现可持续性和可靠性

 图1：芯片嵌入式电源模块技术

图1显示了芯片嵌入式电源模块技术的最新发展示例。包含DC-DC稳压器电路的IC被嵌入称为半导体嵌入衬底（SESUB）的热增强封装技术中。嵌入式IC芯片和SESUB技术包括铜散热层的专利技术实现以及金属和层压材料的3维结构，从而减少了通往封装基板底侧的热阻路径。带有嵌入式管芯的模块基板最大厚度为300μm。SESUB技术消除了对引线键合的需求，从而大大减少了不必要的寄生损耗，同时提高了机械封装的强度。从历史上看，引线键合在剧烈振动和跌落测试中容易断裂。

然后在薄型基板的顶部安装表面上填充业界领先的薄膜功率电感器，从而产生1.5毫米高的总厚度。这项技术的厚度仅为1.5毫米，为薄型DC-DC解决方案打开了大门，这些解决方案使PCB板布局可以使电源更接近负载。对于即将推出的3 nm以下高度限制散热器覆盖的7 nm ASIC，SoC，FPGA和多核ARM，这是关键。

图2展示了完整的高密度电源模块，分别提供15W（FS1406）和30W（FS1412），高度分别为6A的3.3mm x 3.3mm x 1.5mm和12A的4.9mm x 5.8mm x 1.6mm。6A器件每立方英寸提供650 A的电流密度，而12A器件每立方英寸提供超过1000 A的电流密度，两者都比当前的DC-DC电源模块技术高出两到四倍。随着开发25A至200A电流共享模块以及3mm至4mm的高度轮廓，这些数字将在不久的将来增加。这些将非常适合即将推出的用于小型应用的人工智能（AI）SoC和ASIC中的高电流密度内核电压。

 图2：3D芯片嵌入式电源模块（TDK的补充）
 

图3：热性能3D芯片嵌入式电源模块
 

图4A：使用3D芯片嵌入式电源模块实现高密度的实用设计

新的3D技术采用裸露的和封装的顶部包装，具有高度可持续的生产良率和出色的热性能，从而减少了在较高温度环境条件下输出电流降低的需求。当环境温度接近60°C至90°C时，较小的老式电源模块技术解决方案通常会将输出电流降低40％，而新的μPOL3D技术电源模块很少出现这种情况。图3列出了在不存在气流对流的情况下，在不同输出电压和环境温度下从3A到12A的热性能。从管芯最热部分到SESUB封装方法的散热孔的热路径证明了TDKμPOL™3D芯片嵌入式技术的功能。

这些数据证实了该技术使每立方毫米的电流密度达到了惊人的1瓦！

FS1406、6A电源模块可将其转换为实际应用，在输入为12V至输出1V的情况下，可提供80°C的全额定电流，在零气流（工作范围为-40°C至+ 125°）时几乎不需要输出电流降额。 C）为更高的环境板温度提供裕量。这可以帮助减少工业和通信应用中的冷却成本的空间和重量。

图4A展示了使用带有3μPOL3D电源模块的Xilinx Zynq 7的系统级模块（SoM）设计的结果。整个DC-DC解决方案的功率输出为6W至10W，每个模块和模块外输出电容器的面积都为49mm2，紧邻FPGA。电源模块的简单性要求最小的输出负载电容器，省去了传统的补偿组件和额外的分压电阻，从而进一步减小了空间和成本。使用0.5至2盎司铜的PCB热过孔以及正确的电路板布局可提供出色的热性能，三个相距6mm的电源模块之间的温度仅升高+ 13°C（无气流）。嵌入式方法将SoM卡的尺寸缩小到43.7 mm x 17.8 mm，与类似的解决方案相比，可将电路板空间减少多达30％。
 

图4B：典型的PCB设计脚印–总体解决方案

图4B中的表显示了使用这些高电流密度电源模块来计算板间距优势的典型设计尺寸。它们非常适合将DC-DC电源解决方案放置在FPGA，ASIC，存储器之间以及周围的角落，缝隙和空隙中。在散热器的罩下和/或在主板和子卡的顶部或底部，以提高设计灵活性。供电摘要：FS1406在49mm2中提供6A（15W）供电；FS1412在105 mm 2下为12A（30W）。

3D芯片嵌入式技术和产生可持续的长期可用性的能力现在可以以高产量实现。扩展的可靠性测试包括：1）用于高温（最高125°C）且无故障的JESD22-A108，无故障； 2）用于无故障的3000功率循环测试的JESD22-A104，以及3）机械振动和冲击测试。有关EMI性能（例如CISPR-11性能）的更多信息。

下一代新技术电源模块已经在开发中，并且已经可以在市场上买到。芯片嵌入式3D电源模块或TDK的μPOL™的优点是：

• 更高的电流/功率密度

• 面向当今电源挑战的更小尺寸解决方案

• 薄型（高度）包装，可应对系统设计的新兴趋势

• 改善的热性能

• 更坚固的包装解决方案

这些因素将为整体更高的PCB板密度和尺寸缩小，功率传输线损耗的减少以及整个电源加散热解决方案的重量减轻打开新的大门。