电源控制正向集成到芯片中转变,得益于什么技术方法的推动呢?_PCIM电源展

随着电子系统复杂性和能效需求的不断提高，传统的集中式电源管理方法已经难以满足现代电子设备的需求。电源控制正逐渐向芯片或异构封装中集成，这一转变得益于多种关键技术方法的推动，这些技术不仅提升了系统效率和小型化程度，还为未来的发展奠定了坚实基础。

一、技术驱动：推动电源控制集成的关键力量

(一)宽带隙(WBG)材料的崛起

宽带隙材料(如碳化硅 [SiC] 和氮化镓 [GaN])是推动电源控制集成的核心技术之一。与传统硅材料相比，这些材料在更高电压、频率和温度下具有显著的性能优势，能够显著提升电源管理的效率和功率密度。例如，SiC 广泛应用于电动汽车逆变器中，其高功率密度和低热量生成特性显著提高了车辆的续航能力;而 GaN 则以其快速开关性能在低功率场景(如快速充电器)中脱颖而出。这些材料的独特性能使得更小的电力模块能够承载更高的能量密度，特别是在汽车和航空航天领域，其轻量化和高效率特性尤为突出。

(二)先进封装技术的突破

先进封装技术是实现电源控制集成的重要手段之一。混合键合技术能够集成多个芯片，实现极高的互连密度，为电源和数据构建无缝传输路径。例如，直接铜对铜连接替代微凸块键合，显著降低了电阻和电感，特别适用于高功率应用，还能实现更细间距的互连，提升带宽和信号完整性。此外，晶圆减薄技术通过减小半导体晶圆厚度，降低了热阻，提高了散热效率，缩短了电信号传输距离，减少了寄生效应，提升了信号完整性。这些技术的结合，使得电源管理功能能够更高效地集成到芯片或封装内。

(三)创新设计方法的应用

创新设计方法也是推动电源控制集成的重要因素。例如，采用先进沟槽 MOSFET 设计的 SiC 器件，通过减小器件尺寸，提高了性能和散热效率。这种设计对材料特性提出了更高要求，包括光学控制和平面化等关键性能指标。此外，先进的仿真平台结合寄生参数提取、高频建模和 EMI 分析，能够在设计过程早期预测和解决潜在问题，优化 PCB 布局，最小化环路电感，采用靠近器件的去耦电容器，以及使用先进的材料和屏蔽技术，如 EMI 滤波器和屏蔽、优化的缓冲电路和适当的接地等。

二、集成带来的优势与挑战

(一)显著优势

将电源管理功能集成到芯片或封装内，带来了诸多显著优势：

能量损失大幅减少：缩短的电力传输路径降低了互连中的电阻和电感损失。

可靠性显著提高：封装内集成电源组件减少了外部连接，降低了潜在故障点。

性能得以提升：更短的传输路径实现了更快的响应时间和更好的瞬态性能。

小型化程度进一步提高：设备体积更小、重量更轻，系统复杂性和成本也因功能整合而降低。

这些优势对于电动汽车、工业自动化和数据中心等对效率、可靠性和保护要求极高的应用领域尤为重要。

(二)面临挑战

尽管电源控制集成带来了诸多优势，但也面临诸多挑战：

热管理：随着现代半导体器件功率密度不断提高，热管理成为维持器件可靠性和性能的关键挑战之一。即使 SiC 和 GaN 的工作温度能力高于硅，但如果热量管理不善，仍会严重影响器件寿命和效率。

寄生效应：宽带隙材料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等。寄生电感和电容在高速开关环境中会导致功率损耗增加、信号失真和过热。

制造成本：制造 SiC 和 GaN 器件需要先进技术来解决缺陷密度、栅极氧化物可靠性以及精确掺杂分布等问题。块体材料的高缺陷率增加了成本，沉积和蚀刻工艺的复杂性要求严格的工艺控制以确保结果的可重复性。

三、未来发展方向

(一)技术优化与成本降低

随着晶体生长、衬底制备和外延生长技术等制造工艺的不断成熟，WBG 材料的成本正在逐渐降低。设计中的高温稳定性和抗蚀刻性能是当前技术优化的关键方向，通过供应链协作和技术整合，有望进一步降低 WBG 器件的制造成本，并提高其可靠性和一致性。

(二)生态系统协作

向片上电源管理过渡以及在先进封装中集成 WBG 材料，不仅是技术难题，还涉及生态系统挑战。没有一家公司能够独自应对基板设计、材料选择、组装、封装和测试等多方面的复杂问题。跨学科协作和开放式沟通至关重要，但合作面临技术和材料多样性带来的挑战，包括沟通障碍、技术不匹配和文化差异等。此外，数据工程是协作成功的关键因素，精心准备、支持 AI 的数据是实现有意义协作和可靠分析的基础。

电源控制正向集成到芯片中的转变，得益于宽带隙材料、先进封装技术和创新设计方法的推动。这一转变不仅带来了显著的优势，也带来了新的挑战。未来，随着技术的不断优化和生态系统的协作，电源控制集成有望在更多领域实现广泛应用，推动电子系统向更高效率、更小尺寸和更高可靠性方向发展。

来源：PCIM电源展