3D-Power-Packaging para convertidores SMT CC/CC

Los convertidores CC/CC de bajo consumo de energía están generalmente disponibles en la Through Hole Technology (THT), pero se prefieren los tipos de montaje en superficie (SMT) por su compatibilidad con las técnicas de fabricación modernas. Los nuevos métodos de envase y las innovaciones en los circuitos permiten una alta densidad de potencia a bajo coste. En este artículo se describen las técnicas de diseño de algunos productos convertidores CC/CC que son más similares a los circuitos integrados en cuanto a la manipulación, la colocación y la soldadura. 
Los convertidores CC/CC de bajo consumo de energía deben seguir siendo económicos a pesar de la creciente demanda de un mejor rendimiento y una mejor densidad de potencia. A lo largo del tiempo, los fabricantes han experimentado con muchos factores de forma que permiten una fabricación más rentable; a menudo utilizando placas de circuitos SMT, que luego se sueldan a mano por separado con componentes bobinados como transformadores e inductores. Para minimizar la huella, a menudo se utilizan versiones SIP, pero éstas pueden dificultar el montaje porque los componentes THT utilizados deben ser soldados por ola o incluso soldados a mano en un segundo paso. 
Aunque cada año se vendan millones de estos convertidores CC/CC, un objetivo a largo plazo de RECOM era desarrollar versiones alternativas que se puedan colocar y soldar como todos los demás componentes SMT modernos, incluso con un perfil bajo, que se ajusten a los productos SMT planos de hoy en día. La huella debe ser tan pequeña como sea posible para poder aprovechar las ventajas de un módulo convertidor sobre un diseño discreto. Esto puede lograrse mediante el 3D-Power-Packaging, donde RECOM también utiliza el eje Z para una estructura de capas verticales, creando así una densidad de energía de las mejores en su clase. 
El desarrollo de los módulos SMT CC/CC  
Los primeros SMT CC/CC disponibles en el mercado eran simplemente versiones de los tipos de THT donde los pines se doblaban en forma de ala de gaviota. Sin embargo, no podían soportar un perfil de soldadura de reflujo normal, por lo que a menudo se requería un proceso de montaje manual. Un avance fue el cambio a una técnica que utilizaba un marco de plomo con juntas de soldadura de alto punto de fusión, que luego se moldeaba por inyección con un material resistente al calor para soportar las temperaturas de reflujo IR. Este era el estado del arte hasta el cambio a la soldadura sin plomo, que aumentó las temperaturas del horno de soldadura de punta a más de 260°C, causando dificultades en la fiabilidad de las uniones de soldadura internas. Sin embargo, este diseño de marco de plomo en combinación con el proceso de moldeo por inyección permite incorporar solo unos pocos componentes discretos en los circuitos, aunque un circuito integrado sea difícil de integrar.
Desde entonces, los fabricantes han preferido los convertidores de marco abierto para evitar los problemas de soldadura durante el reflujo. Al hacerlo, aceptan que las uniones de soldadura de los componentes internos se vuelven líquidas de nuevo, pero permaneciendo aún así en su lugar. Las terminaciones de los pines SMT varían desde alas de gaviota, bloques y columnas hasta bolas de soldadura y las más recientes almohadillas de soldadura tipo land grid array. Esto ha sido estandarizado como el formato DOSA para los convertidores SMT con placas internas multicapa e inductores planares, también con la expectativa de que el flujo de aire esté disponible para la potencia de salida total. Los módulos tienen una clara ventaja sobre las soluciones discretas que no encajan simplemente en la misma huella sin que los componentes se sobrecalienten entre sí. No requieren un diseño complejo de la placa de circuito de la aplicación o de las vías enchufadas integradas que aumentarían el costo del diseño. 
Diferencias entre las tecnologías de packaging con y sin aislamiento 
El uso de CC/CC no aislado ha aumentado y a menudo sustituye a los reguladores longitudinales convencionales de tres pines (TO-220). Hoy en día también se utilizan frecuentemente como reguladores de punto de carga con un voltaje de entrada más alto y proporcionan un suministro de bajo voltaje más preciso para los circuitos integrados altamente integrados, como las CPU, las GPU y los dispositivos SoC. Para obtener una ventaja sobre las soluciones discretas, un módulo CC/CC prefabricado debería ocupar el mínimo absoluto de espacio y altura y seguir funcionando en frío, sin dejar de cumplir los estrictos requisitos de transitorios y ruido de los modernos circuitos integrados. Para lograr este pequeño tamaño se requiere un alto grado de eficiencia, lo que normalmente significa una baja frecuencia de conmutación y por lo tanto una inductancia de salida relativamente alta, es decir, exactamente lo contrario de lo que se necesita. Sin embargo, la mejora de los semiconductores, las topologías de los convertidores y los materiales magnéticos han hecho posible que las frecuencias lleguen al rango de los MHz sin que el grado de la eficiencia se reduzca significativamente por el inductor más pequeño.
Esto ha permitido a los diseñadores ser creativos con la carcasa y lograr una increíble miniaturización, incluso cuando la reactancia está integrada en el módulo. Por ejemplo, la serie RPX de RECOM con inductor integrado tiene una huella de solo 4,5 mm x 4 mm y una altura de solo 2 mm en un packaging de formato QFN, pero entrega una corriente de salida de hasta 2,5 A con una eficiencia máxima de más del 90 %. La versión 1A es aún más pequeña (3 mm x 5 mm) y solo 1,6 mm de alto. Esta densidad de potencia se consigue mediante el Flip-Chip on Leadframe (FCOL) y con material de encapsulamiento termoconductor. Este diseño tiene la ventaja de que los estrechos bucles de corriente de conmutación generan un IEM muy bajo. Esta alta densidad de potencia y el rendimiento térmico optimizado no pueden lograrse con una solución discreta. 

Fig. 1: Flip-Chip en el diseño de marco de plomo para las series RPX de RECOM  
Con corrientes de salida más altas, las series RPM/RPMB/RPMH de RECOM son un ejemplo perfecto de una pieza de 30 W en una carcasa LGA de 25 almohadillas térmicamente optimizada con una pequeña huella de solo 12,19 mm x 12,19 mm x 3,75 mm. Esta densidad de potencia se logra con un circuito interno de varias capas que utiliza accesos de interconexión vertical (Plugged & Blind Vias) para una buena conductividad térmica y un uso eficiente del espacio disponible. El diseño consiste en una placa de circuito impreso de cuatro capas con una placa base, protegida en seis lados por una carcasa metálica y encerrada para un IEM muy bajo. Este tipo de diseño es muy costoso, pero solo requiere aproximadamente 1,4 cm² de espacio para permitir una adecuada disipación del calor y ofrecer un rendimiento completo a temperaturas ambiente superiores a +85°C.  
La ventaja del diseño de RPM/RPMB/RPMH es que la estructura compleja está completamente dentro del módulo. El usuario final puede utilizar una económica placa de circuito de dos capas sin utilizar costosas vías de conexión y aún así integrar una fuente de alimentación de la tarjeta SMT de alto rendimiento y muy compacta sin necesidad de refrigeración por aire forzado. 
Hay tres series RPM de RECOM disponibles, todas con idénticos diseños de almohadillas, lo que las hace intercambiables:  

Fig. 2: Visualización de la estructura 3D de la serie RPM de RECOM 

Tabla: Resumen de las especificaciones de la serie RPM/RPMB/RPMH de RECOM 
RECOM ofrece una tarjeta de evaluación para permitir el prototipado rápido o para confirmar el rendimiento en la aplicación final. 
Los ejemplos descritos anteriormente eran todos transformadores no aislados. Cuando se requiere un aislamiento, las distancias de fuga y espaciamiento definen una dimensión X o Y mínima. Por ejemplo, en las aplicaciones médicas con tensiones de red para 2 Means of Protection para la Protección del Paciente (2MOPP), se requiere una distancia de fuga/espacio de 8 mm entre la entrada y la salida. Dada esta mínima dimensión del paquete, se puede elegir un diseño más tradicional en el que los «Bare Dies» para la fuente de alimentación y los elementos de control se conectan a un cable de enlace de marco conductor SOIC16 y luego se encapsulan, como en el nuevo R05CT05S de RECOM.
El transformador de aislamiento en este convertidor CC/CC es un diseño patentado con multicapas y de bajo perfil que proporciona un voltaje de aislamiento de 5 kV CA y un valor de aislamiento mejorado de 2MOPP. La altura total del convertidor es de solo 2,65 mm, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de tipo tablero, ya que la altura del convertidor aislado CC/CC no es mayor que la de cualquier otro componente SMT. La serie R05CT05S también ofrece una regulación precisa de línea y carga con un habilitador externo. El R05CT05S de RECOM entrega 500 mW con una entrada de 5 V y una salida de 5 V o 3,3 V y es particularmente adecuado para alimentar interfaces aisladas en aplicaciones médicas e industriales críticas. 
          
Fig. 3: R05CT05S aislado de 0,5 W en el paquete SOIC16 
El objetivo de hacer que los convertidores CC/CC sean similares a los circuitos integrados de bajo consumo de energía se logra ahora en gran medida gracias a una combinación de innovadoras tecnologías de 3D-Packaging tanto para los convertidores aislados como para los no aislados, y se espera que en el futuro se produzcan nuevas mejoras en el rendimiento y la densidad de potencia. RECOM ofrece una gama de productos fabricados como 3D-Power-Packaging. La tarjeta de evaluación correspondiente puede pedirse en http://www.recom-power.com/3dpp. 
  
Fig. 4: Tarjeta de evaluación con las últimas tecnologías de embalaje CC/CC de RECOM 
RECOM produce una amplia gama de convertidores CC/CC y CA/CC estándares y personalizados en todas las clases de potencia desde menos de 1 W hasta varios 10 kW, así como reguladores de conmutación y controladores de LED en una amplia gama de formatos. La sede de la compañía en Gmunden (Austria) tiene un centro de investigación y desarrollo logístico e instalaciones de laboratorio de última generación, y cuenta con el apoyo de una red de distribución mundial. El nombre RECOM se ha convertido en sinónimo de alta calidad, integridad, innovación y excelente servicio al cliente.