電源系統(tǒng)正經(jīng)歷轉(zhuǎn)型，磁性元件磁集成技術(shù)成關(guān)鍵突破點？王寧寧教授在學(xué)術(shù)年會上分享的新型封裝基板集成技術(shù)，將如何引領(lǐng)電源技術(shù)革新？

在2024年第11屆功率變換器磁性元件聯(lián)合學(xué)術(shù)年會上，中國電源學(xué)會磁技術(shù)專業(yè)委員會副主任委員、杭州電子科技大學(xué)王寧寧教授發(fā)表了題為《新型封裝基板集成技術(shù)》的精彩演講。

王寧寧教授在第11屆功率變換器磁性元件聯(lián)合學(xué)術(shù)年會上演講

隨著數(shù)字處理芯片如CPU、GPU、FPGA的快速發(fā)展，電源系統(tǒng)正經(jīng)歷著前所未有的轉(zhuǎn)型。在此背景下，王寧寧教授的演講和隨后的專訪不僅具有理論價值，更對磁性元件產(chǎn)業(yè)實踐具有指導(dǎo)意義。

會后，王教授接受了《磁性元件與電源》記者的專訪，就磁性元件產(chǎn)品的發(fā)展、技術(shù)應(yīng)用及磁性元件企業(yè)將面臨的產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)等話題進行了深入探討。

電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型：為何磁性元件磁集成技術(shù)成為關(guān)鍵？

隨著垂直供電的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)電源系統(tǒng)正逐步向小型化、輕薄化、高頻化和集成化方向轉(zhuǎn)型，以適應(yīng)CPU、GPU、FPGA等數(shù)字處理芯片日益增長的供電需求。

這些數(shù)字處理芯片的多核化趨勢不僅提升了運算能力，也對電源管理提出了更精細化的要求，旨在提高能源管理效率，延長續(xù)航時間或降低功耗。

當(dāng)前，供電系統(tǒng)仍以板級供電為主，其中電源傳導(dǎo)路徑對電源效率和性能至關(guān)重要，特別是在電流變化率（DI/DT）和輸出電壓穩(wěn)定性方面。因此，減小電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）路徑的損耗和自身阻抗，成為電源領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

技術(shù)演進促使電源架構(gòu)發(fā)生了深刻變革，從傳統(tǒng)的12V到1-5V的低壓供電模式，逐步轉(zhuǎn)向48V到1.55-3.3V的低壓總線架構(gòu)。這種架構(gòu)通過低壓總線為數(shù)字芯片供電，為實現(xiàn)片上電源（IVR）或全集成電源（FIVR）提供了可能。

全集成電源具有顯著優(yōu)勢。

首先，利用微納加工工藝或封裝工藝，將磁性元件、電容等無源器件集成為單芯片，極大減小了電源面積和高度，可置于負載封裝內(nèi)部或其背板上，從而顯著縮短PDN路徑；

其次，電源顆粒度的提升使得單個電源可分解為數(shù)十甚至上百個獨立控制的小電源，每個小電源均可進行獨立電壓控制，實現(xiàn)更精細的電壓管理；

再者，動態(tài)響應(yīng)的增強和PDN導(dǎo)通損耗的降低，顯著提高了電源系統(tǒng)效率。

然而，高頻化、高效化以及磁性元件產(chǎn)品集成化和小型化仍是當(dāng)前電源設(shè)計面臨的主要挑戰(zhàn)。如何在保持高性能的同時，實現(xiàn)磁性元件產(chǎn)品的小型化和集成化，成為磁性元件企業(yè)關(guān)注的焦點。

磁性元件領(lǐng)域的新進展：封裝基板磁集成技術(shù)

在傳統(tǒng)板級電源設(shè)計中，常見的是獨立的磁性元件、電容和控制器等元件。

然而，隨著技術(shù)的不斷進步，大約在十幾年前，市場上出現(xiàn)了革命性的變化——磁性元件（電感）被巧妙地嵌入到芯片的封裝內(nèi)部，這一創(chuàng)新顯著地減小了電路板的面積。

這一趨勢并未止步，近年來，我們見證了磁性元件與電容同時被集成到封裝中的技術(shù)突破，進一步推動了電源面積的縮減。

最終，一個理想化的愿景正逐步實現(xiàn)：將電源控制電路、功率器件、磁性元件和電容全部集成在同一硅片上，形成所謂的“片上集成電源”。

盡管這一技術(shù)前景廣闊，但其發(fā)展進程依然面臨諸多挑戰(zhàn)，需要更多的創(chuàng)新與突破。

在磁性元件磁集成技術(shù)領(lǐng)域，我們同樣見證了磁性元件企業(yè)的產(chǎn)品從繞線式磁性元件、平板式磁性元件，到PCB集成磁性元件，乃至硅上集成磁性元件的演變。這一系列的發(fā)展不僅提高了磁性元件產(chǎn)品的性能，也為電源系統(tǒng)的集成化提供了堅實的基礎(chǔ)。

與此同時，封裝集成技術(shù)中的嵌入式封裝基板以及與之結(jié)合的磁集成技術(shù)，展現(xiàn)出了卓越的應(yīng)用潛力。

封裝集成電源通過將磁性元件、電容等無源器件與控制芯片整合在同一封裝內(nèi)，極大地縮減了電源系統(tǒng)的占用空間。

而片上集成電源，作為電源技術(shù)的終極目標(biāo)，則要求在更高頻率下實現(xiàn)所有無源器件與控制芯片的單芯片集成，這無疑是對當(dāng)前技術(shù)的極大挑戰(zhàn)。

在封裝集成電源的實踐探索中，多種集成方式和形態(tài)應(yīng)運而生，它們在頻率響應(yīng)、工藝復(fù)雜度、供應(yīng)鏈成熟度以及開發(fā)周期等方面各具特色。

例如，硅基集成電源以其高精度和靈活性著稱，但相應(yīng)的設(shè)備要求和工藝復(fù)雜度也較高；而PCB集成電源則以其工藝簡單、供應(yīng)鏈成熟、開發(fā)周期短等優(yōu)勢受到青睞，然而其集成度和精度方面存在一定的限制。

王寧寧教授在第11屆功率變換器磁性元件聯(lián)合學(xué)術(shù)年會上演講

在業(yè)界實踐中，如英特爾等科技巨頭也在積極探索不同的技術(shù)路徑。一種方案是采用空氣芯電感，憑借其較小的電感量和高達100MHz至140MHz的工作頻率，實現(xiàn)了全集成電源的高效、高頻化應(yīng)用。

另一種方案則是結(jié)合磁芯結(jié)構(gòu)與PCB技術(shù)，通過在PCB基板中打孔并填入磁粉芯，形成單匝磁性元件（電感）結(jié)構(gòu)，有效實現(xiàn)了垂直供電方式。

盡管這種結(jié)構(gòu)在電感量上相對較低，且受工藝和材料限制，磁芯磁導(dǎo)率僅為8.5，但其仍然適用于較高頻率的開關(guān)電源，如90MHz至100MHz。

然而，這種技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)。PCB板的厚度相對較厚，且填充體在壓合過程中容易發(fā)生破裂，影響了磁性元件產(chǎn)品的可靠性。

此外，由于工藝限制，制作出的磁性元件產(chǎn)品高度難以降低，尤其是當(dāng)設(shè)計依賴于高度來實現(xiàn)足夠電感量時。因此，在現(xiàn)有的方案中，PCB板的尺寸普遍超過1.0毫米。

王寧寧教授團隊：探索封裝基板磁集成的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新

針對上述問題，王寧寧教授及其團隊進行了諸多探索性工作。他們嘗試在PCB中制作中間通孔，上下導(dǎo)線仍通過PCB制作，但中間挖孔以便放入不同的磁性材料，如薄膜材料或粉芯材料。

研究者制作了兩種磁芯：鐵硅鋁粉芯和鎳鐵薄膜。

鐵硅鋁粉芯通過表面處理包裹絕緣層后熱壓制成塊狀，然后切割成薄片放入PCB孔中；鎳鐵薄膜則通過電鍍方法在PI基板上制作，多層壓合切割后填入孔中。

這兩種磁性元件表現(xiàn)出不同特性：

鐵硅鋁粉芯的高頻特性好，q值可達36，適用于50MHz至100MHz的頻率區(qū)間；而鎳鐵薄膜的電感量較高，但高頻下渦流較高，q值相對較低，約為16。

為了降低PCB厚度，他們采用更薄的工藝，使用6微米的鎳鐵合金材料，粘合熱壓成多層膜后切割成小塊，放入PCB孔中。

這種方法制作的磁性元件與之前的薄膜磁性元件特性相近，磁性元件電感量在20至30納升之間，q值在十幾左右，厚度明顯比之前的鉆孔方法要薄得多，整個厚度不到0.4毫米。

研究團隊還嘗試將磁膜做成片狀后與PCB工藝融合。他們先將磁膜疊壓后做圖形化，然后在挖出的孔中填膠。這種方法可以進一步縮小預(yù)留的安全距離，并通過PCB正常工藝制作導(dǎo)線形成較薄的柔性板集成的電感。

他們使用PI膜并正反面電鍍，厚度控制在2微米左右，以進一步提高高頻性能。

結(jié)果顯示，在幾十兆赫茲的情況下，磁性元件電感量降低且q值明顯提高，可達20左右，且q值發(fā)生的頻率提高到15兆赫茲。

研究團隊將柔性板或超薄PCB板與之前的工作進行了對比，發(fā)現(xiàn)在10MHz至20MHz的工作區(qū)間內(nèi)，q值仍具有一定的競爭性。

然而，由于未采用高精度的封裝基板工藝，磁性元件密度相對較低。如果采用更精準(zhǔn)的封裝基板工藝，面積可以極大縮小，磁性元件密度可以更高。

磁集成磁性元件：（a）封裝基板集成電感（b）硅基集成電感

此外，研究團隊還探索了挖孔用于高頻信號下的阻抗測試，并嘗試提取磁芯的損耗。

他們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的圓環(huán)形樣品測試方法不適用于具有形狀各異性的薄膜材料，因此基于PCB的方法提供了一種新思路來測試薄膜磁芯的損耗。

目前，王寧寧教授及其研究團隊已能比較準(zhǔn)確地測試10MHz至60MHz區(qū)間內(nèi)薄膜磁芯的損耗。

王寧寧認為，在未來發(fā)展和挑戰(zhàn)方面，高頻超低損耗薄膜/粉芯研究和規(guī)?；苽?，薄膜軟磁材料的高頻損耗測試，高效磁性元件集成工藝技術(shù)，高頻磁性元件的精確數(shù)學(xué)模型，電源系統(tǒng)整體封裝技術(shù)的挑戰(zhàn)性問題也亟待解決。

專訪亮點：封裝基板磁集成產(chǎn)業(yè)化的未來展望

王教授在演講中，用通俗易懂的方式深刻剖析了電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型與全集成電源所面臨的挑戰(zhàn)，介紹了嵌入式封裝基板磁集成技術(shù)的最新進展，并對硅上磁集成器件的未來發(fā)展趨勢進行了展望，給在場的磁性元件企業(yè)帶來了諸多深刻見解和靈感。

磁性元件企業(yè)對于這項技術(shù)的未來應(yīng)用場景及產(chǎn)業(yè)化道路上可能遇到的難題，表現(xiàn)出了極大的熱情與好奇。為了解決磁性元件企業(yè)的疑問，《磁性元件與電源》記者特別邀請王教授接受專訪，針對磁性元件企業(yè)的關(guān)注點，王教授一一作了詳盡解答。

記者：針對磁性元件的未來發(fā)展目前在做哪方面的技術(shù)研究？

王寧寧：我們目前針對磁性元件研究的兩種類型技術(shù)分別是封裝集成電感和硅基片上電感。封裝集成電感是將電感等無源器件與連接線、結(jié)構(gòu)件等集成在一起，形成一個整體的封裝集成解決方案。

而硅基片上電感則是通過薄膜生長等微納工藝將導(dǎo)線、磁芯材料絕緣層等直接生長在控制芯片的上面，實現(xiàn)片上電源的集成。

記者：您如何看待空氣電感作為未來發(fā)展趨勢的觀點？

王寧寧：我認為空氣電感在某些場景下確實具有一定的優(yōu)勢，比如實現(xiàn)起來比較容易、產(chǎn)業(yè)鏈相對齊全等。但作為電源設(shè)計方或應(yīng)用方來說，我們還是會根據(jù)具體的需求來選擇最合適的電感方案。

空氣電感可能在某些性能上會有所損失，所以磁性元件企業(yè)需要權(quán)衡利弊來做出決策。同時，隨著技術(shù)的不斷進步和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，未來可能會有更多更好的電感方案出現(xiàn)。

記者：您分享的磁性元件技術(shù)方案，未來能在哪些方面應(yīng)用？

王寧寧：我們目前并沒有真正投入到產(chǎn)品制作中，只是在做這方面的技術(shù)探討。從目前的研究來看，這個技術(shù)是可行的。如果未來真的要將這個方案落地，實現(xiàn)量產(chǎn)規(guī)?；?，那么這個封裝基板方案的整個產(chǎn)業(yè)鏈來說會相對更加完整。

而且，從整個開發(fā)流程來看，如果未來的磁性元件供應(yīng)鏈齊全，那么磁性元件企業(yè)的開發(fā)周期會相對短一些。

雖然我們現(xiàn)在還沒有具體的產(chǎn)品，但我可以說，這種技術(shù)是可以為AI芯片供電，或者為CPU、GPU以及其它數(shù)字處理芯片等未來所有需要高功率密度、高效率且有電源空間限制的芯片供電。這類產(chǎn)品都可以使用我們的技術(shù)。

記者：在產(chǎn)業(yè)化推進的過程中，您認為磁性元件企業(yè)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是什么？

王寧寧：我覺得對于磁性元件企業(yè)來說，最主要的挑戰(zhàn)在于技術(shù)的成熟度和產(chǎn)業(yè)鏈的整合能力。雖然有些技術(shù)看起來很有前景，但目前還沒有形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈和解決方案。

這就需要磁性元件企業(yè)具備強大的研發(fā)能力和資源整合能力，來推動技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用。同時，國內(nèi)磁性元件企業(yè)普遍對新技術(shù)持謹慎態(tài)度，不太愿意做第一個吃螃蟹的。

記者：聽說您所在的研究團隊已經(jīng)與企業(yè)展開了合作，能透露一下合作的企業(yè)有哪些嗎？

王寧寧：當(dāng)然可以。我們與OPPO、中電集團等企業(yè)都有合作。這些合作讓我們能夠更好地將研究成果轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用，同時也為企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供了有力支持，在此也對這些企業(yè)的大力支持表示衷心感謝。

記者：能透露一下下一步的研究方向或核心目標(biāo)嗎？

王寧寧：我們目前的研究方向是兩條腿走路：一方面繼續(xù)推進封裝集成電感的研究和應(yīng)用，為垂直供電和模塊電源的電感集成化提供技術(shù)支撐；另一方面也在積極探索硅基片上電感，為最終實現(xiàn)片上集成電源提供解決方案。

結(jié)語

王寧寧教授及其研究團隊在封裝集成電感和硅基片上電感方面取得了顯著的研究成果，這些成果不僅為電源技術(shù)的創(chuàng)新提供了有力支持，也為未來高性能芯片的供電需求提供了可行的解決方案，給磁性元件企業(yè)帶來了諸多深刻見解和靈感。

磁性元件企業(yè)需聚焦技術(shù)革新，確保高性能同時實現(xiàn)磁性元件的小型集成。同時，需平衡供應(yīng)鏈成熟度、工藝復(fù)雜度與開發(fā)周期，加強產(chǎn)學(xué)研合作，將研究成果轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用，以滿足AI、高性能計算等領(lǐng)域?qū)﹄娫聪到y(tǒng)的更高需求。

未來，電源技術(shù)將持續(xù)創(chuàng)新，磁性元件技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化與應(yīng)用將為科技發(fā)展注入新動力。

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審核編輯 黃宇