电源技术变了

  随着电子系统慢慢的变复杂和耗能，以集中式系统和外部组件为中心的传统电源管理方法已显得不足。

  下一波创新浪潮是让电源控制更贴近真实的操作——直接在芯片上或异构封装中。这一变化是由对各种应用（从智能手机和物联网设备到电动汽车和大型数据中心）效率、可扩展性和集成度的不懈追求所推动的。需要在更短的时间内用更多且通常更小的晶体管处理更多数据，为它们提供充足且稳定的电力是一项日益复杂且必不可少的任务。

  满足这些需求需要多种技术的融合，包括用于高压应用的宽带隙 (WBG) 半导体、先进的封装技术和创新的设计方法。碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等 WBG 材料以其相对于硅的卓越性能特征重新定义了电力电子。同时，混合键合和晶圆减薄等尖端技术正在实现新的集成和小型化水平。

  但要实现所有这些目标，需要整个供应链的整合和创新。这需要众多公司共同合作开发各种技术，从 SiC 和 GaN 的开发到热管理策略的改进和寄生效应的缓解。

  万物电气化的推动力给半导体制造商带来了巨大的压力，迫使他们重新思考电源管理的根本原则。传统的配电方法，即在单独的电路板或模块上进行电源转换和调节，已不再能满足现代应用对紧凑、高效的要求。该行业正慢慢的变多地将电源转移到更靠近芯片的地方，利用背面供电和先进封装等技术来缩短电源需要传输的距离，并且正在开发新方法来在更小的面积上管理更高的功率密度。

  “固态电气化是未来的趋势，”AmberSemi 首席执行官 Thar Casey 表示。“我们正在通过彻底重新思考交流到直流的转换来解决效率低下的问题——减少占地面积并改变电力集成方式。”

  这种转变并不是渐进式的改进。它代表了对电源系统的根本性重新定义。通过将电源管理功能直接集成到芯片或封装中，制造商能够得到多项关键优势。其中包括：

  混合键合是实现这一转变的关键技术之一。它集成了多个具有极高互连密度的芯片，在封装内为电源和数据创建了无缝路径。通过用直接铜对铜连接取代微凸块键合，混合键合明显降低了电阻和电感，使其成为高功率应用的理想选择。它还有助于实现更细间距的互连，提供更高的带宽和更好的信号完整性。

  ASE 集团高级总监曹立宏在 Meptec 的“通往 Chiplets 之路”论坛上表示：“混合设计流程正在改变高密度封装，实现高级连接并优化功率集成。这些创新使我们也可以最大限度地提高良率，并提高同质和异质设计的性能。”

  晶圆减薄是该领域的另一项重要进步。通过减小半导体晶圆的厚度，制造商能大大的提升热性能和电气性能。更薄的晶圆具有更低的热阻，可实现更高效的散热，并缩短电信号必须传输的距离，最大限度地减少寄生效应并提高信号完整性。亚 10μm 减薄技术与先进的背面金属化相结合，正在突破功率集成的界限。

  Brewer Science公司研究员 James Lamb 表示：“硅和 SiC 功率器件均设计有芯片背面的漏极，衬底厚度代表晶体管的栅极长度。这种设计需要将晶圆减薄至 100μm 以下，并且根据栅极长度和功率水平，可以将其减薄至 10μm 以下。”

  将电源管理移近芯片或移到芯片上的好处不仅限于性能。这种方法还能够最终靠将功能整合到单个封装中来降低系统复杂性和成本。电动汽车、工业自动化和数据中心等应用将受益最多，因为效率、可靠性和保护至关重要。

  “固态断路器的跳闸速度比机械断路器快 3,000 倍，”Casey 补充道。“将它们集成到先进的封装中能大大的提升效率和保护。”

  半导体材料的进步进一步加速了电源管理与芯片的集成。GaN 和 SiC 等宽带隙材料在这一转变中发挥着关键作用。与传统硅相比，它们固有的在更高电压、频率和温度下工作的能力使它们很适合片上电源应用。

  AmberSemi 工程副总裁 Chance Dunlap 表示：“SiC 和 GaN 让工程师能够重新想象电力系统的构建方式。从断路器到逆变器，这些材料让我们也可以创造出十年前不可能实现的解决方案。”

  WBG 材料的独特性能使更小的元件具有更高的单位体积内的包含的能量，从而减小了电力系统的尺寸和重量。这使得它们很适合汽车和航空航天等效率和重量至关重要的行业。例如，SiC 器件大范围的使用在电动汽车逆变器，它们能够以最小的热量处理高功率负载，从而延长续航里程并加快充电速度。

  Brewer Science 欧洲销售总监 Jonathan Jeauneau 表示：“先进的沟槽 MOSFET 设计能大大的提升器件性能，同时比传统的平面设计占用更小的空间。这种沟槽设计带来了与地形和关键尺寸相关的特定挑战，这可能会影响高电场和栅极氧化物。平面化、光学控制和抗蚀刻性是关键的材料特性。”

  尽管 WBG 材料具备诸多优势，但它们也带来了巨大的挑战。制造 SiC 和 GaN 器件需要先进的技术来解决缺陷密度、栅极氧化物可靠性以及器件性能所需的精确掺杂分布等问题。块体材料的高缺陷率仍然是成本驱动因素，而沉积和蚀刻工艺的复杂性要求严格的工艺控制以确保可重复的结果。

  Brewer Science 业务发展经理 Daniel Soden 表示：“根据单个材料的功能，关键的设计标准包括高温稳定性、强大的抗蚀刻性以及与高能注入、化学气相沉积 (CVD) 和化学机械平坦化 (CMP) 等下游工艺的兼容性等指标。”

  成本仍然是 WBG 普及的一大障碍，但随着晶体生长、衬备和外延生长技术等制造工艺的成熟，价格正在下降。此外，尽管这些材料目前比硅更昂贵，但它们的卓越性能往往值得投资。这对需要极高效率和可靠性的应用尤为重要。

  “SiC 和 GaN 只是工具，”AmberSemi 的 Dunlap 说道。“SiC 在高电流应用中表现出色，而 GaN 在需要更快切换的低功耗场景中大放异彩。有效使用它们的重点是将材料与任务相匹配。”

  随着现代半导体器件功率密度的增加，有效的热管理已成为维持可靠性和性能的最关键挑战之一。虽然 SiC 和 GaN 比硅具有更高的工作时候的温度能力，但如果管理不善，它们产生的热量仍会极度影响器件的寿命和效率。

  “热量是寿命的敌人，”邓拉普说。“温度每升高 10°C，设备的寿命就会减半。有效的热管理不是可有可无的——它至关重要。”

  热问题不仅会影响设备性能，还会影响系统集成和可靠性。过热会导致互连出现翘曲、分层和故障，尤其是在依赖密集中介层的先进封装配置中。

  Synopsys技术产品管理总监 Dermott Lynch 表示：“由于高功率密度和快速切换，WBG 器件会产生局部热量。EDA工具需要先进的热建模功能来预测和缓解热点，并考虑器件和封装的热循环和应力。”

  在具有不同热线胀系数的材料组合的异质环境中，管理热应力尤其具有挑战性。为了应对这些挑战，采用了一系列热管理解决方案：

  热界面材料 (TIM)：TIM 填充芯片与散热器或冷却结构之间的微小间隙，提高传热效率。这些材料包括糊剂、油脂、相变化合物和导热粘合剂。

  “WBG 材料会经历独特的退化机制，例如由于高工作时候的温度和功率密度而导致的缺陷传播或热应力，”Lynch 补充道。“解决方案包括具有高导热性的先进封装材料，例如铜金刚石复合材料，以及用于高效传热的坚固 TIM。”

  对于要求极高可靠性的应用，例如高性能计算和航空航天，微流体冷却系统等创新解决方案在被搁置数十年后，正在获得关注。这些系统通过蚀刻在封装中的微通道循环液体冷却剂，提供卓越的散热能力。

  “微流体技术代表着高密度、高功率应用的未来，”Lynch 说道。“通过将冷却直接集成到封装中，我们在性能和可靠性方面都取得了显著的改进。”

  热管理、材料创新和设计方法之间的相互作用凸显了下一代电力系统的复杂性。应对这些挑战需要采取协作方法，利用先进的建模、新材料和创新的冷却技术来确保可靠、高性能的运行。

  宽带隙材料带来了巨大的性能优势，但其更快的开关速度和更高的功率密度带来了新的挑战，包括电磁干扰 (EMI)、电压过冲和寄生效应。如果不仔细管理，这样一些问题可能会损害系统性能和可靠性，因此它们是下一代电源系统中的关键考虑因素。

  Dunlap 表示：“开关架构的创新可以消除不必要的步骤。降低关键点的电容和电阻可提高总系统的稳定性。”

  寄生电感和电容在高速开关环境中尤其成问题，它们会导致功率损耗增加、信号失真和过热。

  Synopsys 的 Lynch 解释说：“WBG 器件的开关速度更快，因此容易受到寄生效应的影响，因此导致电压过冲、振铃和 EMI。优化的 PCB 布局、最小化环路电感和靠近器件的去耦电容器有助于缓解电压瞬变。”

  先进的材料和屏蔽技术也至关重要。高频设备常常要创新的解决方案来确保适当的隔离并防止干扰。

  “WBG 器件的快速开关和高 dv/dt 会导致更高的 EMI 和噪声，从而干扰周围的电路，”Lynch 补充道。“采用 EMI 滤波器和屏蔽，以及优化的缓冲电路和适当的接地，能够更好的降低噪声敏感性。”

  混合键合和高密度互连进一步使信号完整性管理复杂化。这些技术使组件之间的距离更近，从而增加了串扰和 EMI 的风险。先进的仿真平台现在结合了寄生参数提取、高频建模和 EMI 分析，以便在设计过程的早期预测和解决这些问题。

  ASE 的 Cao 表示：“通过混合键合，我们将互连密度推向了新的极限。要实现这些水平的高产量，需要精确的对准和先进的信号完整性分析。”

  寄生效应、EMI 和信号完整性之间的相互作用凸显了需要采取一种综合方法，将材料创新、先进的设计方法和仿真工具结合起来。高稳定性介电材料、改进的隔离技术和热弹性正在成为下一代电力系统的标准要求。

  向片上电源管理的过渡以及在先进封装中集成 WBG 材料不单单是技术挑战。还有生态系统挑战。没有一个企业能够单独解决基板设计、材料选择、组装、封装和测试所涉及的无数复杂性。跨学科协作和开放式沟通至关重要。

  Promex Industries首席执行官 Dick Otte 表示：“先进封装带来了无数变量。从基板设计到组装，协作是管理这些复杂性的唯一方法。”

  合作的一大障碍是所涉及的技术和材料的多样性。每个利益相关者——无论是芯片设计师、基板制造商、代工厂、OSAT 还是设备供应商——都带来了专业相关知识。协调这些能力需要克服沟通障碍、技术不匹配和文化差异等挑战。

  “如今最大的问题是没有人完全了解所有的选择，”奥特补充道。“这个行业需要更清楚地表达哪些是可用的，而这从更好的沟通开始。”

  虽然协作通常被认为是先进封装ECO的基石，但它的成功取决于一个关键但经常被忽视的因素：数据工程。如果没有精心准备、支持 AI 的数据，协作工作就会失败。通过确保强大的数据工程实践，企业能为有意义的协作和可靠的分析奠定基础。

  “我们看到的最严重的问题甚至在‘协作’之前就存在了，” Tignis高级解决方案架构师 David Park 解释道。“提前建立良好的数据工程对于任何生态系统而言都是必不可少的，以实现协作。否则，您的数据分析就会陷入‘垃圾输入/垃圾输出’的境地。”

  各组织也在创建小型联盟和合作伙伴关系，以共享知识和资源。标准化设计框架和共享模拟工具也有助于简化流程并提高整个生态系统的兼容性。拥抱协作的公司更有能力推动创新并满足加快速度进行发展的市场需求。

  曹指出：“先进封装的复杂性只会慢慢的高。整个供应链的紧密合作对于提供高性能、可靠的系统至关重要。”

  随着半导体行业向更高程度的集成和电气化发展，协作将成为成功的基石。从改进材料特性到开发先进的模拟工具和协调制造工艺，ECO必须共同努力克服挑战，充分的发挥现代电力系统的潜力。

  半导体行业正处于变革时代的前沿，重新定义了各种应用领域的电力输送和管理。宽带隙材料、先进封装技术和片上电源管理的融合正在实现以前无法想象的创新。从消费电子科技类产品和物联网设备中紧凑高效的设计到电动汽车和数据中心中强大而高功率的解决方案，这些变化正在重塑电力的产生、控制和利用方式。

  将电源管理功能集成到芯片或封装中为提高效率、可靠性和可扩展性提供了前所未有的机会。通过采用混合键合、晶圆减薄和高级热管理等技术，制造商正在解决技术障碍，以此来实现更高的功率密度并降低系统复杂性。SiC 和 GaN 等 WBG 材料是这一进步的核心，它们提供了满足下一代电子科技类产品需求的必要性能特征，同时实现了更紧凑、更节能的设计。

  然而，电气化和集成电源解决方案的进程并非一帆风顺。管理热负荷、减轻寄生效应以及确保高密度配置中的信号完整性需要整体设计方法和整个供应链中利益相关者的无缝协作。从材料科学家到电路设计师和装配专家，这一转型的成功取决于行业共同合作的能力，打破传统的孤岛并通过共享知识和专业相关知识促进创新。

  展望未来，这些进步的影响远远超出了单个设备。通过实现更高效的电力系统，这些技术还有助于实现更广泛的全球目标，例如减少碳足迹、提高能源利用率以及为可持续增长铺平道路。这种转变的连锁反应将影响可再次生产的能源、电信、航空航天和医疗保健等各个行业，这一些行业对可靠、高效的电力系统的需求持续增长。

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