電源の小型化と高電力密度を実現するには？カギとなる高性能電源モジュールのパッケージング技術を解説

White Paper コーポレートバイスプレジデント / フィル・デイヴィス 高性能電源モジュールの パッケージング技術

初代のブリック型電源から最新のChiP™(Converter housed in Package)まで、Vicorは絶えず技術を革 新させ、高性能な電源システムソリューションを提供してきました。 これらの技術革新は、４つの技術的な 柱である、電力供給アーキテクチャ、制御システム、トポロジ、パッケージングに注力して、弛まぬ努力を続 けてきた結果です。 第４の技術の柱である電源モジュールのパッケージングは、Vicor設立以来、独自の差別化要因となって います。 高性能電源モジュールのパッケージを実現するためにはいくつかの条件があり、Vicorはそのひ とつひとつにおいて、常に業界をリードしてきました。 ƒ 高電力密度と高電流密度 ƒ 優れた放熱性能 ƒ 磁気部品の集積 ƒ 大量生産に対応したPCB ƒ 大量生産のためのオートメーション化 図1: 4つの技術の柱を進化させ続け た結果、電力損失は2.5年ごとに25% 10kW/in3 減少し、電力密度と電流密度は大幅 に向上しました。 3.7kW/in3 NBM™ BCM® 0.8kW/in3 Competition BCM® 0.8kW/in3 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2.0A/mm2 1.6A/mm2 MCM™ Gen4 1.2A/mm2 MCM™ Gen3 0.8A/mm2 VTM™ Gen3 VTM™ Competition Gen2 0.6A/mm2 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2ページ Current Density Power Density

高い電流密度と電力密度 Vicor が開発する電源モジュールのパッケージには、新しい素材、能動・受動素子に加えて、高周波化した スイッチング周波数によって進化した磁気回路の構造が関係しています。 高いスイッチング周波数は、回路トポロジとVicor独 自のASICで実現する制御システムによって実現しま した。 最も新しい第4世代(Gen4)のASICを組込ん だモジュールは、10kW/in³の電力密度と2A/㎜²の 『 Vicorの電圧変換比固定コンバー 電流密度を達成し、ACまたはDCの大容量フロント タは、放熱性に優れたChiPパッケー エンドコンバータとポイントオブロード(PoL)カレン トマルチプライヤの新シリーズを実現しました。 こ ジであり、シャーシ実装またはスル れら最新世代の電源モジュールは、多くの産業分野 で電力供給ネットワーク(PDN)の構築と設計に変 ーホール実装の２種類のパッケージ 化をもたらしています。 を選択することができます。 並列接続することで最大50kWの 放熱性に優れたパッケージ 800V／400V双方向変換を、最大 98.8%の高い変換効率で実現しま 電源モジュールの内部には部品が実装された複雑 な構造の多層回路基板があります。 熱伝導を考慮 す。』 した特別な素材を使っており、電力損失を最小限に 抑えながら、狭い空間で高電圧と大電流を取り扱 います。 回路基板で、プレーナ型トランス・コイルを 構成するときに、電力損失が増大しないようにする ことも、重要です。 電源モジュールの開発には、ここ数年の間で大きな イノベーションが起きています。 Vicorは2015年、モ ジュールの表と裏の両面に部品を配置することで 電力密度を高めた、新しいChiP™パッケージを発表 しました。 このパッケージは、性能と定格電力を最大限に引き出すため、ChiPの表・裏の両面から放熱し ます。 その2年後にはパッケージをさらに進化させ、銅をプレーティングしたChiPをリリースしました。パッ ケージを銅板で覆ったことで放熱性能が格段に向上しました。 Vicorの、この放熱性に優れたChiPパッケージの、高電圧・大電力の電圧変換比固定コンバータは、シャ ーシ実装またはスルーホール実装の２種類のパッケージを選択することができます。 並列接続すること で最大50kWの800V/400V双方向変換を、最大98.8%の高い変換効率で実現します。 3ページ

磁気部品の集積 電源の性能は、スイッチング周波数が1MHzを超える場合は特に、材料によって大きく左右されます。 電源 モジュールを構成する磁気部品のなかで、主電源スイッチのゲートドライブ回路のトランスは、非常に小 型で小電力です。 このゲートドライブトランスは、ゲート駆動損失を最小限に抑える上で重要であり、長年 の経験から最適化されています。 コンバータやレギュレータのメインエネルギー蓄積素子であるコアは、モジュール全体の性能を決める 非常に重要な素子であり、大きな電力損失の原因にもなります。 高い動作周波数、大電力、低い出力イン ピーダンスの実現のために、コア、巻線、PCB材料の構成は最適化が必要であり、電力損失を低減するこ とで変換効率の改善ができます。 電源システムを構成する上で、電力変換ステージの磁気回路の最適化 は、難易度が高く長い時間が必要です。これらのエネルギー蓄積素子であるインダクタやトランスの性能 を最大限に引き出して電源モジュールに集積しておくことで、この最適化を省略できるとともに、電源シ ステム全体の面積を減らすことができます。 Vicorの電源モジュールであるカレントマルチプライ 『 最新のVicorのSM-ChiP™は、銅 ヤ は、これらの重要な設計要素をすべて盛り込ん でおり、現在、高性能コンピューティングアプリケー 張りのフルモールドパッケージであ ションにおいて最先端のGPUやAIプロセッサの給 電に採用されています。 Vicorの り、プリント基板に表面実装します。 VTM™、MCM™ 、およびGCM™は、48Vを1V以下に直接変換し 生産委託工場(CM)で一般的な生産 て、1000A以上の電流を供給することができます。 Vicorは20年以上にわたり、これらのデバイスに集 技術、生産装置による実装ができま 積されたプレーナ型の磁気部品を最適化してきま す。』 した。その結果、カレントマルチプライヤは2A/㎜²の 高い電流密度を実現しました。 大量生産に対応したPCB 表面実装部品のリフローはんだ付けは、世界中の 生産委託工場(CM)で実施できます。 最新のVicorの SM-ChiPは、銅張りのフルモールドパッケージで、 プリント基板へ表面実装できるので、生産委託工 場(CM)の一般的な生産技術や生産装置で対応で きます。 パッケージの電気接続と熱接続は、モジュ ールの外周に沿って配置して銅めっきされたキャス タレーション電極と、パッケージ本体表面のめっき 部分をはんだ付けすることで行います。 SM-ChiPは、スズ鉛はんだと鉛フリーはんだ、水溶性フラックス や無洗浄フラックスに対応しており、PCB上に自動マウントすることができます。 また、このパッケージは、 両面実装PCBの複数回のリフローにも耐えます。 確実なはんだ付けのためには、アプリケーションノート AN:701 SM‑ChiP™Reflow Soldering Recommendations (SM‑ChiP™ リフローはんだ付けに関する 推奨事項) を参照ください。 4ページ

大量生産のためのオートメーション化 従来のVicor VI Chip®パッケージもフルモールドパッケージでしたが、個別の型によって生産されていま した。 一方、新しいChiP™は、標準サイズのパネルから切り出して生産されます。 モジュール内部のPCB の両面に、アクティブ素子とパッシブ素子の両方を実装することで、実装効率を上げています。 図2： パネルで生産するプロセスも 電源業界にイノベーションを起こし ました。 同じサイズのパネルからすべての種 類のChiPを切り出すことで、大量生 産のためのオートメーション化を実 現しました。 このパッケージのモジュールには、性能と電力密度を最大限に引き出すため、両面冷却が必要です。 パ ネルをカットしてChiPを生産するプロセスは、ウェハーをカットしてシリコンチップを生産するプロセスと 非常よく似ています。 モジュールの電力や電流、電圧に関わらず、すべて同じサイズのパネルから切り出す ため、無駄のない、スケーラブルな量産が可能です。 5ページ

結論 Vicorは、電力供給アーキテクチャ、制御システム、トポロジ、パッケージングという4つの技術を柱に技術 革新を続けており、モジュールで構成する高性能な電力供給ネットワーク(PDN)を提供するリーディング カンパニーです。 それぞれの技術は、高性能コンピューティング、電気自動車、衛星通信、産業用アプリケ ーションなど、高度なシステムの実現に不可欠です。 Vicorの電源モジュールのパッケージは、これら4つ の全ての技術のイノベーションを反映しており、材料の研究と長年の経験によって実現した、電源の重要 な性能指標である、高電力密度と高効率を具現化したものです。 お問い合わせ先： Vicor株式会社（Vicor KK) Tel: 03-5487-3016 (代表)　03-5487-5407 (技術サポート） E-mail: japan@vicorpower.com Web: www.vicorpower.com/ja-jp/contact-us ※ 日本語版資料は、Revisionが古い場合があります。 最新の内容については、英語版をご参照ください。 ©2020 Vicor Corporation. All rights reserved. Vicor、BCM®、 VI Chip®, ChiP™、 SM-ChiP™、 VTM™ 、 MCM™ は、Vicor Corporationの登録商標で す。 その他のすべての商標、製品名、ロゴおよびブランドの権利は、それぞれの所有者が保有しています。 Rev 1.0　2020 年12月 6ページ