Power sandwiches with embedded meta-materials and x-dimension components (EMVT 06224)

Power sandwiches with embedded meta-materials and x-dimension components (EMVT 06224)

Compacte power sandwiches met hogere betrouwbaarheid
Het ontwikkelen van een ‘power sandwich’ voeding vereist een andere kijk op de te gebruiken materialen en componenten. Zowel aan de TU Delft als aan de Universiteit Twente wordt hieraan gewerkt in het kader van het IOP-EMVT.

In de te ontwikkelen ballast worden halfgeleiders, passieve componenten en EMI-filters geïntegreerd in een power sandwich. In de power sandwich komt een aantal nieuwe technologieën bij elkaar:

• SMT-gebaseerde productie die zich leent voor geautomatiseerde assemblage
• embedded EMI-filters en maatregelen, zoals niet-lineaire weerstanden, in de vlakke substraten
• metamaterialen, een nieuwe reeks componenten die kan worden geplaatst tussen vlakke substraten, zoals PCB’s.  Metamaterialen kunnen bestaan uit natuurlijke en niet-natuurlijke materialen.

Metamaterialen vertonen eigenschappen die verschillen van normale materialen als koolstof en bariumtitanaat. Dit maakt deze materialen geschikt voor toepassing in elektronische producten, waarin verschillende componenten die elkaar kunnen beïnvloeden zijn ondergebracht.

Systeemintegratie
Aan de TU Delft (TUD) wordt door prof. Bram Ferreira en promovendus Ivan Josifovic het standaard SMT-proces bekeken. Dit is een eenzijdig proces, reden waarom er onderzoek wordt gedaan naar de haalbaarheid van een dubbelzijdig meerlaags proces. Tevens wordt bekeken welk technologieplatform hiervoor het meest geschikt is.

Het onderzoek aan de Universiteit Twente (UT) richt zich op het identificeren van nieuwe (meta) materialen die geschikt zijn voor een driedimensionale laag-voor-laag constructie. Daarnaast wordt aan de UT onderzoek gedaan naar de eigenschappen van metamaterialen om EMI tegen te gaan, evenals naar hogere betrouwbaarheid van het product om een kostenreductie te bereiken. Prof. Frank Leferink van de UT zegt hierover: “Door de embedded toepassing verkleinen we het aantal verbindingen en die zijn de belangrijkste oorzaak van een lage betrouwbaarheid. Vooral in de aerospace en de automotive zijn componenten met hoge betrouwbaarheid van het grootste belang.”

Optimalisatie
De gemeenschappelijke doelen in dit onderzoek zijn de optimalisatie vanuit het oogpunt van systeemintegratie en elektrische, EMI- en thermische prestaties. De elektronica-industrie wordt erbij betrokken om te komen tot een beter technologieplatform voor vermogenselektronica.

Dit onderzoek moet resulteren in een doorbraak in de conventionele manier van de ontwikkeling en het produceren van elektronische producten. De resultaten zullen uiteindelijk beschikbaar zijn voor vele mogelijke toepassingen in de elektronica. De power sandwich technologie heeft niet alleen gevolgen voor de markt van de productie van elektronica, maar zal ook een aandeel krijgen in de elektronica-hardwaremarkt.

Vermogensdichtheid
Voor de slechts 135x75x32 mm metende HID power sandwich ballast die aan de TUD wordt ontwikkeld, wordt uitgegaan van gestapelde standaardcomponenten met een standaardhoogte, zodat deze met surface-mount technology (SMT) in een geautomatiseerd proces kunnen worden geplaatst. Voorheen werden componenten voor dit soort elektronica handmatig geplaatst, maar dat is te duur gebleken.

Doordat wordt gewerkt met standaardcomponenten is er in feite geen sprake van een nieuw ontwerp, maar een verbetering en een optimalisatie van de assemblage en constructie van een bestaande ballast voor HID-lampen.

Ferreira en Josifovic houden zich bezig met de thermische en thermo-mechanische eigenschappen van het samengestelde product. Ferreira zegt hierover: “Een grote uitdaging is de warmtehuishouding, want als we die goed krijgen heeft het product meerwaarde. Ons doel is de vermogensdichtheid te vergroten, maar die kan alleen worden bereikt bij een optimale afvoer van de warmte die de componenten genereren.”

Compact
Voor de power sandwich ballast worden nieuwe ontwerpen van componenten toegepast, waaronder inductoren,  metaalfilmcondensatoren en elektrolytische condensatoren. De opbouw van de ballast is als een gestapelde bouw, een structuur van koper waarop de componenten zijn geplakt. Deze zorgen zelf voor de warmteafvoer. Hierdoor werken de aanwezige halfgeleiders op een relatief lage temperatuur: 130 °C in plaats van 150 °C.

Door het gebruik van nieuwe componenten kan de ballast 30% compacter worden. Ferreira: “Dit ontwerp bestaat uit drie lagen componenten en heeft een vermogensdichtheid van 1,1 kW/dm³, ofwel meer dan twee maal beter dan het voor deze toepassingen bestaande product. We hebben gekozen voor een zo plat mogelijke mogelijke ballast met zoveel mogelijk oppervlak, waaraan de warmte kan worden afgevoerd. Hiervoor hebben we een speciaal proces bedacht, de wiper disposition, waardoor een zeer egale warmteverdeling wordt verkregen. Tevens hebben we de thermo-mechanische stress van de condensatoren en ferrietkernen beduidend kunnen verminderen door deze niet direct mechanisch te koppelen.”

EMC
Aan de Universiteit Twente wordt onder meer het EMC-gedrag van de power sandwich bekeken. Promovendus Olga Tereshchenko onderzoekt daar het verkrijgen van (meta)materialen, de permeabiliteit en permittiviteit van die materialen, en hoe de metamaterialen te integreren zijn in printed circuit board technologie. Professor Frank Leferink van de UT geeft de problemen aan die de elektronica kent op dit gebied: “Alle componenten worden steeds kleiner, maar er vindt alleen innovatie plaats op het gebied van halfgeleiders, terwijl de industrie vraagt om compactere producten, maar ook om producten met minder componenten. Want hoe meer componenten, hoe duurder een product wordt en de betrouwbaarheid gaat achteruit.”

De ontwikkeling van de huidige elektronica wordt echter ook gestuurd door de enorm hoge kosten voor het bereiken van EMC. Alle halfgeleiders zijn in de afgelopen jaren vele malen goedkoper geworden, maar dit gaat niet op voor EMC-componenten. “Dit is dan ook de reden dat we hebben gekozen voor een andere benadering voor de ontwikkeling van elektronica op PCB- niveau. Met minder componenten, minder verbindingen tussen de componenten, een hogere betrouwbaarheid en een EMC-gedrag volgens de normen.”

Uitvoerders

TU Delft
Prof.dr.-Eng. J.A. Ferreira
Ivan Josifovic

Universiteit Twente
Prof.dr.ir. ing. Frank Leferink
Olga Tereshchenko

Onderzoeksperiode
2007-2013