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(diǎn)？王寧寧教授在學(xué)術(shù)年會(huì)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(huì)上，中國(guó)電源學(xué)會(huì)磁技術(shù)專業(yè)委員會(huì)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(huì)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(jià)值，更對(duì)磁性元件產(chǎn)業(yè)實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。

會(huì)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(jìn)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(shì)，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(zhǎng)的供電需求。

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

當(dāng)前，供電系統(tǒng)仍以板級(jí)供電為主，其中電源傳導(dǎo)路徑對(duì)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(wèn)題。

技術(shù)演進(jìn)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(guò)低壓總線為數(shù)字芯片供電，為實(shí)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(shì)。

首先，利用微納加工工藝或封裝工藝，將磁性元件、電容等無(wú)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(fù)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(gè)電源可分解為數(shù)十甚至上百個(gè)獨(dú)立控制的小電源，每個(gè)小電源均可進(jìn)行獨(dú)立電壓控制，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的電壓管理；

再者，動(dòng)態(tài)響應(yīng)的增強(qiáng)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(jì)面臨的主要挑戰(zhàn)。如何在保持高性能的同時(shí)，實(shí)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(diǎn)。

磁性元件領(lǐng)域的新進(jìn)展：封裝基板磁集成技術(shù)

在傳統(tǒng)板級(jí)電源設(shè)計(jì)中，常見(jiàn)的是獨(dú)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(jìn)步，大約在十幾年前，市場(chǎng)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(shì)并未止步，近年來(lái)，我們見(jiàn)證了磁性元件與電容同時(shí)被集成到封裝中的技術(shù)突破，進(jìn)一步推動(dòng)了電源面積的縮減。

最終，一個(gè)理想化的愿景正逐步實(shí)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(jìn)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(jiàn)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

與此同時(shí)，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(guò)將磁性元件、電容等無(wú)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(shí)現(xiàn)所有無(wú)源器件與控制芯片的單芯片集成，這無(wú)疑是對(duì)當(dāng)前技術(shù)的極大挑戰(zhàn)。

在封裝集成電源的實(shí)踐探索中，多種集成方式和形態(tài)應(yīng)運(yùn)而生，它們?cè)陬l率響應(yīng)、工藝復(fù)雜度、供應(yīng)鏈成熟度以及開(kāi)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(jiǎn)單、供應(yīng)鏈成熟、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)勢(shì)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(huì)上演講

在業(yè)界實(shí)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(dá)100MHz至140MHz的工作頻率，實(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)了垂直供電方式。

盡管這種結(jié)構(gòu)在電感量上相對(duì)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(kāi)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(duì)較厚，且填充體在壓合過(guò)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(jì)依賴于高度來(lái)實(shí)現(xiàn)足夠電感量時(shí)。因此，在現(xiàn)有的方案中，PCB板的尺寸普遍超過(guò)1.0毫米。

王寧寧教授團(tuán)隊(duì)：探索封裝基板磁集成的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新

針對(duì)上述問(wèn)題，王寧寧教授及其團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(guò)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(guò)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(guò)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(dá)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(duì)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(gè)厚度不到0.4毫米。

研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)一步縮小預(yù)留的安全距離，并通過(guò)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(jìn)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(dá)20左右，且q值發(fā)生的頻率提高到15兆赫茲。

研究團(tuán)隊(duì)將柔性板或超薄PCB板與之前的工作進(jìn)行了對(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(tuán)隊(duì)還探索了挖孔用于高頻信號(hào)下的阻抗測(cè)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(cè)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(lái)測(cè)試薄膜磁芯的損耗。

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

王寧寧認(rèn)為，在未來(lái)發(fā)展和挑戰(zhàn)方面，高頻超低損耗薄膜/粉芯研究和規(guī)模化制備，薄膜軟磁材料的高頻損耗測(cè)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(wèn)題也亟待解決。

專訪亮點(diǎn)：封裝基板磁集成產(chǎn)業(yè)化的未來(lái)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(jìn)展，并對(duì)硅上磁集成器件的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，給在場(chǎng)的磁性元件企業(yè)帶來(lái)了諸多深刻見(jiàn)解和靈感。

磁性元件企業(yè)對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)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(wèn)，《磁性元件與電源》記者特別邀請(qǐng)王教授接受專訪，針對(duì)磁性元件企業(yè)的關(guān)注點(diǎn)，王教授一一作了詳盡解答。

記者：針對(duì)磁性元件的未來(lái)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(duì)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(wú)源器件與連接線、結(jié)構(gòu)件等集成在一起，形成一個(gè)整體的封裝集成解決方案。

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

記者：您如何看待空氣電感作為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的觀點(diǎn)？

王寧寧：我認(rèn)為空氣電感在某些場(chǎng)景下確實(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)，比如實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易、產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)齊全等。但作為電源設(shè)計(jì)方或應(yīng)用方來(lái)說(shuō)，我們還是會(huì)根據(jù)具體的需求來(lái)選擇最合適的電感方案。

空氣電感可能在某些性能上會(huì)有所損失，所以磁性元件企業(yè)需要權(quán)衡利弊來(lái)做出決策。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，未來(lái)可能會(huì)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(lái)能在哪些方面應(yīng)用？

王寧寧：我們目前并沒(méi)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(lái)看，這個(gè)技術(shù)是可行的。如果未來(lái)真的要將這個(gè)方案落地，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)規(guī)?；?，那么這個(gè)封裝基板方案的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)說(shuō)會(huì)相對(duì)更加完整。

而且，從整個(gè)開(kāi)發(fā)流程來(lái)看，如果未來(lái)的磁性元件供應(yīng)鏈齊全，那么磁性元件企業(yè)的開(kāi)發(fā)周期會(huì)相對(duì)短一些。

雖然我們現(xiàn)在還沒(méi)有具體的產(chǎn)品，但我可以說(shuō)，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(lái)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(jìn)的過(guò)程中，您認(rèn)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(jué)得對(duì)于磁性元件企業(yè)來(lái)說(shuō)，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(lái)很有前景，但目前還沒(méi)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(qiáng)大的研發(fā)能力和資源整合能力，來(lái)推動(dòng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用。同時(shí)，國(guó)內(nèi)磁性元件企業(yè)普遍對(duì)新技術(shù)持謹(jǐn)慎態(tài)度，不太愿意做第一個(gè)吃螃蟹的。

記者：聽(tīng)說(shuō)您所在的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與企業(yè)展開(kāi)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(tuán)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(shí)際應(yīng)用，同時(shí)也為企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供了有力支持，在此也對(duì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)片上集成電源提供解決方案。

結(jié)語(yǔ)

王寧寧教授及其研究團(tuán)隊(duì)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(lái)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(lái)了諸多深刻見(jiàn)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(shí)實(shí)現(xiàn)磁性元件的小型集成。同時(shí)，需平衡供應(yīng)鏈成熟度、工藝復(fù)雜度與開(kāi)發(fā)周期，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，將研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，以滿足AI、高性能計(jì)算等領(lǐng)域?qū)﹄娫聪到y(tǒng)的更高需求。

未來(lái)，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(dòng)力。

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審核編輯 黃宇