Что такое электрический стек?

Архитектура взаимосвязи: деконструкция «электрического стека»
Термин «электрический стек» появился как значимое понятие в современной электротехнике, особенно в контексте современных электронных систем, силовой электроники и даже обработки материалов. В отличие от традиционного стека элементов, электрический стек относится к проектной и организационной философии, где электрические компоненты или функциональные блоки расположены вертикально, слоями. Эта архитектура предлагает множество преимуществ, включая повышенную эффективность, оптимизацию пространства, улучшенную масштабируемость и улучшенное управление температурой.
Чтобы полностью понять, что такое электрический стек, нам нужно изучить его основные принципы, различные формы, которые он может принимать, его применение в различных отраслях промышленности и преимущества, которые он предлагает по сравнению с более традиционными горизонтальными компоновками.
Основная концепция: вертикальная интеграция в электрических системах
По своей сути электрический стек воплощает принцип вертикальной интеграции на уровне компонентов или подсистем. Вместо того, чтобы размещать компоненты горизонтально на печатной плате или внутри корпуса, они укладываются друг на друга, соединяясь вертикальными путями. Эта трехмерная компоновка позволяет более компактно и эффективно использовать пространство.
Представьте себе, что это здание с электронными блоками. Каждый блок представляет собой функциональную единицу — процессорный кристалл, микросхему памяти, каскад преобразователя мощности — и эти блоки укладываются и соединяются вертикально, чтобы создать более сложную и интегрированную систему в пределах меньшей площади.
Формы и реализации электрических стеков:
Концепция электрического стека проявляется по-разному в зависимости от конкретного применения и уровня интеграции:
1. Многокристальные модули (MCM) и 2.5D/3D интегральные схемы (ИС): на микроэлектронном уровне электрический стек находит свою самую сложную форму в MCM и 3D ИС.
Многокристальные модули (MCM): они включают упаковку нескольких полупроводниковых чипов на одной подложке с высокоплотными межсоединениями, облегчающими связь между ними. Хотя они не являются строго вертикальным стеком активных кремниевых слоев, они представляют собой раннюю форму плотной электрической интеграции, часто использующую сложенные друг на друга подложки или соединенные между собой кристаллы, размещенные бок о бок на общем носителе.
2.5D и 3D интегральные схемы (ИС): эти технологии переносят вертикальное стекирование на уровень кремния.
2.5D ИС: используют кремниевые интерпозеры — пассивные кремниевые подложки со сквозными кремниевыми переходами (TSV) — для обеспечения высокоплотных горизонтальных и вертикальных межсоединений между несколькими кристаллами, размещенными бок о бок. Интерпозеры действуют как мост, обеспечивая более быструю и энергоэффективную связь по сравнению с традиционной упаковкой.
3D ИС: включают в себя прямое вертикальное стекирование нескольких активных кремниевых кристаллов, соединенных между собой с помощью TSV. Это позволяет использовать максимально короткие длины межсоединений, что приводит к значительному повышению скорости, энергоэффективности и плотности интеграции. Существуют различные методы 3D-укладки, такие как соединение кристалла с кристаллом, кристалла с пластиной и соединения пластины с пластиной.

2. Стекированные силовые модули: в силовой электронике концепция электрического стека используется для создания компактных и эффективных систем преобразования энергии. Это может включать вертикальное укладывание компонентов, таких как MOSFET или IGBT, вместе с их драйверами затворов и элементами управления температурой, для уменьшения общего размера и улучшения рассеивания тепла.
Стеки дискретных компонентов: силовые модули могут быть построены путем физического укладывания дискретных силовых полупроводниковых приборов с изоляторами и распределителями тепла, соединенных через шины или другие сильноточные соединения.
Интегрированные силовые модули: более продвинутые силовые модули интегрируют несколько силовых устройств и схемы управления в одном корпусе, часто используя внутреннее укладывание кремниевых кристаллов и соединений для достижения высокой плотности мощности.
3. Стекированные аккумуляторные системы: в хранении энергии, особенно для электромобилей (EV) и приложений в масштабе сети, аккумуляторные батареи являются фундаментальной архитектурой. Несколько отдельных аккумуляторных ячеек или модулей соединяются последовательно и/или параллельно для достижения желаемого напряжения и емкости. Физическое расположение этих ячеек и модулей часто включает укладку для максимизации плотности энергии в заданном объеме. В эти стеки интегрированы сложные системы управления батареями (BMS) для контроля и управления напряжением, током и температурой отдельных ячеек, что обеспечивает безопасную и эффективную работу.
4. Стекированное измерительное оборудование: в электрораспределении, особенно в многоквартирных домах или коммерческих зданиях, «стеки счетчиков» используются для размещения нескольких счетчиков электроэнергии в вертикальном положении. Это позволяет эффективно использовать пространство и упростить проводку для отдельных блоков.
5. Укладчики электрических кабелей: хотя они и не являются функциональным стеком электрических компонентов, укладчики кабелей представляют собой физические устройства, используемые для организации и закрепления нескольких электрических кабелей в вертикальном положении вдоль стен или внутри корпусов. Они помогают управлять сложными кабельными трассами, предотвращают спутывание и обеспечивают безопасную и организованную проводку.
Преимущества использования архитектуры электрического стека:
Внедрение архитектур электрического стека дает несколько убедительных преимуществ в различных приложениях:

Повышенная плотность и экономия пространства: вертикальное штабелирование изначально обеспечивает более высокую плотность компонентов или функциональных блоков в заданном объеме по сравнению с традиционными планарными компоновками. Это особенно важно в приложениях с ограниченным пространством, таких как мобильные устройства, высокопроизводительные вычисления и электромобили.
Улучшенная производительность и целостность сигнала: более короткие длины межсоединений в многослойных архитектурах, особенно в 3D-ИС, приводят к уменьшению задержек распространения сигнала, снижению энергопотребления и улучшению целостности сигнала. Это важно для высокоскоростной обработки данных и связи.
Повышенная энергоэффективность: более короткие и прямые пути питания в многослойных системах могут снизить резистивные потери, что приводит к повышению энергоэффективности и снижению тепловыделения.
Улучшенное управление температурой: вертикальное штабелирование может способствовать более эффективному рассеиванию тепла. Тепло может проходить через многослойные слои и извлекаться из верхней или нижней поверхности. Передовые методы охлаждения, такие как жидкостное охлаждение, интегрированное в стек, могут быть реализованы более эффективно. Увеличенная пропускная способность и пропускная способность данных: в стековых запоминающих и логических устройствах высокая плотность вертикальных межсоединений (TSV) обеспечивает значительно более высокую пропускную способность и пропускную способность данных по сравнению с традиционными проводными соединениями или трассировками печатной платы.
Модульность и масштабируемость: стековые архитектуры могут облегчить создание модульных и масштабируемых систем. Функциональные блоки могут добавляться или удаляться вертикально в зависимости от требований приложения.
Уменьшенный размер и вес корпуса: путем вертикальной интеграции нескольких компонентов общий размер и вес корпуса электронных систем могут быть значительно уменьшены, что выгодно в портативных и чувствительных к весу приложениях.
Гетерогенная интеграция: стекирование позволяет интегрировать различные материалы, технологические процессы и функции в одном корпусе или системе, обеспечивая оптимизированную производительность для определенных задач. Например, кристаллы памяти, изготовленные с помощью оптимизированного для памяти процесса, могут быть сложены с логическими кристаллами, изготовленными с помощью высокоскоростного логического процесса.
Применение в различных отраслях:
Преимущества архитектур электрических стеков привели к их внедрению в самых разных отраслях:
Потребительская электроника: смартфоны, планшеты и носимые устройства используют стекированные компоненты для достижения высокой функциональности в компактных форм-факторах. Сюда входит стекированная память (например, Package-on-Package - PoP), стекированные датчики изображений и интегрированные ИС управления питанием.
Высокопроизводительные вычисления (HPC) и центры обработки данных: 2.5D и 3D ИС с памятью с высокой пропускной способностью (HBM) имеют решающее значение для ускорения обработки данных и снижения энергопотребления в таких требовательных приложениях, как искусственный интеллект (ИИ), машинное обучение и аналитика данных.
Автомобилестроение: электромобили в значительной степени зависят от стекированных аккумуляторных систем для хранения энергии. Расширенные системы помощи водителю (ADAS) и информационно-развлекательные системы также выигрывают от высокой плотности интеграции и производительности стекированных ИС.

Авиация и оборона: Компактная, высокопроизводительная и надежная электроника имеет решающее значение в аэрокосмической и оборонной промышленности. Стековые архитектуры используются в авионике, радиолокационных системах и спутниковой связи.
Медицинские приборы: Портативные и имплантируемые медицинские приборы выигрывают от компактности и энергоэффективности стековых электронных компонентов.
Промышленная автоматизация: Стековые силовые модули используются в приводах двигателей, источниках питания и других промышленных системах управления для достижения высокой эффективности и компактности конструкций.
Возобновляемая энергия: Стековые аккумуляторные системы необходимы для хранения энергии в масштабе сети, позволяя интегрировать прерывистые возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая энергия. Силовые стеки на основе IGBT и устройств SiC используются в солнечных инверторах и преобразователях ветряных турбин.
Проблемы и будущие тенденции:
Хотя электрические стеки предлагают многочисленные преимущества, существуют также проблемы, связанные с их проектированием, производством и надежностью:
Управление температурным режимом: По мере увеличения плотности компонентов управление рассеиванием тепла становится все более сложным. Требуются передовые решения по охлаждению для предотвращения перегрева и обеспечения долгосрочной надежности.
Сложность и стоимость производства: процессы изготовления и сборки 3D-ИС сложнее и дороже, чем традиционные 2D-методы. Управление выходом продукции и снижение затрат являются текущими областями исследований и разработок.
Тестирование и надежность: тестирование и обеспечение надежности сложенных компонентов и межсоединений может быть сложной задачей из-за трехмерной природы структур.
Технология межсоединений: достижения в технологиях вертикальных межсоединений, таких как TSV и микровыступы, имеют решающее значение для обеспечения высокой плотности и производительности стеков.

Заключение: вертикальное измерение электрических инноваций
Электрический стек — это больше, чем просто физическое расположение компонентов; он представляет собой фундаментальный сдвиг в сторону трехмерной интеграции в электротехнике. От сложных слоев усовершенствованных интегральных схем до модульности аккумуляторных систем и компактной конструкции силовых модулей, вертикальное измерение обеспечивает значительные преимущества с точки зрения плотности, производительности, эффективности и масштабируемости. По мере того, как технологии продолжают развиваться, а спрос на более мелкие, более мощные и более эффективные электронные системы растет, принципы электрического стека, несомненно, будут играть все более важную роль в формировании будущего электротехники и ее приложений во множестве отраслей. Поэтому понимание концепции электрического стека необходимо для всех, кто занимается проектированием, разработкой и применением современных электрических и электронных систем.