集成無(wú)源元件的電源管理集成電路

自TechInsights于2021年底推出電源管理集成電路（PMIC）工藝分析頻道以來(lái)，已分析了多種器件。內(nèi)容囊括高壓柵極驅(qū)動(dòng)器和汽車級(jí)電源轉(zhuǎn)換IC，乃至移動(dòng)電源管理集成電路。據(jù)觀察，越來(lái)越多的制造商嘗試以共同封裝配置或與硅IC本身“全集成”的方式將無(wú)源元件集成至電源管理集成電路產(chǎn)品。

與所有電力電子產(chǎn)品一樣，尺寸、重量和功率（SWaP）均為關(guān)鍵的性能指標(biāo)。為提高系統(tǒng)效率，我們需要更小巧輕便且功率密度更高的系統(tǒng)。在電源管理集成電路運(yùn)行功率水平相對(duì)較低的情況下，集成是非常理想的方式，并且具備理論可行性。

一種“集成穩(wěn)壓器”（IVR）受到了特別關(guān)注。鑒于相對(duì)較小的變化也可能損壞CPU等精密部件中的精密晶體管，所以需使用穩(wěn)壓器電路提供穩(wěn)定的恒電壓。

許多消費(fèi)類電子產(chǎn)品的輸入電壓為12 V（最新的服務(wù)器架構(gòu)為48 V）。產(chǎn)品內(nèi)部的最終“負(fù)載點(diǎn)”（PoL）的降壓轉(zhuǎn)換過(guò)程為CPU、GPU和其他內(nèi)部元件提供其所需的電壓（通常<2 V）。隨著架構(gòu)復(fù)雜化，需輸入不同電壓，因而需采用多個(gè)穩(wěn)壓器電路提供不同的電壓，而它們會(huì)占用寶貴的電路板空間。集成此項(xiàng)功能將帶來(lái)明顯收益。

“全集成”穩(wěn)壓器的早期嘗試

迄今為止，英特爾公司對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的嘗試或許最為矚目。英特爾嘗試在第4代和第5代核心微處理器（Haswell和Broadwell）上采用所謂的“全集成穩(wěn)壓器”（FIVR）解決方案。在2014年亞太經(jīng)合組織會(huì)議上提交的一篇論文展示了這種方法——將非磁性電感集成至柵格陣列（LGA）封裝。一篇在2016年提交的研究論文顯示了研討中的不同電感的更多詳情，包括非耦合螺線管、交錯(cuò)螺線管、屏蔽電鍍通孔（PTH）環(huán)和3DL。該論文得出結(jié)論，未來(lái)可能必須使用磁性材料以滿足電流密度需求。2011年的早期演示展示了對(duì)片上電感的研究，包括磁性CoZrTa包絡(luò)。

從第六代產(chǎn)品開(kāi)始，英特爾放棄了全集成穩(wěn)壓器方案，原因之一似乎是這種方法會(huì)使CPU附近產(chǎn)生額外熱量。傳聞這項(xiàng)技術(shù)將被再次引入，正如在VLSI 2022上的演示所證明的那樣，英特爾仍在以某種形式研究這一概念。

蘋果APL1028集成穩(wěn)壓器

我們的拆解頻道詳細(xì)報(bào)道了已發(fā)布的最重要的消費(fèi)類電子產(chǎn)品。根據(jù)對(duì)采用M1處理器的2021款MacBook Pro（16英寸）的分析，我們發(fā)現(xiàn)蘋果APL1028芯片被設(shè)置在M1處理器區(qū)域散熱外殼內(nèi)的PCB背面。此后，我們編寫了一份有關(guān)該器件的電源管理集成電路工藝分析報(bào)告，并在最近的電源管理集成電路簡(jiǎn)報(bào)中重點(diǎn)介紹了集成電感技術(shù)。

如圖1所示，APL1028采用倒裝芯片球柵陣列（FCBGA）封裝。

圖1 倒裝芯片球柵陣列封裝的蘋果APL1028集成穩(wěn)壓器：a）俯視圖b）仰視圖c）突出顯示芯片的側(cè)視x光片

當(dāng)使用酸解封工藝取出封裝中的芯片后，獲得集成電路，分析表明這很可能采用了臺(tái)積電的12 FF工藝。注意，這并非BCD電源管理集成電路，傳統(tǒng)雙極器件或DMOS功率晶體管與鰭式場(chǎng)效晶體管（FinFETs）的集成需要使用大量昂貴的光刻掩模。假設(shè)這些部件在相對(duì)較低的功率水平下運(yùn)行，則僅使用鰭式場(chǎng)效晶體管即可。我們迄今發(fā)現(xiàn)的最小的“傳統(tǒng)”電源管理集成電路邏輯節(jié)點(diǎn)約為55 nm，同樣來(lái)自去年報(bào)道的蘋果產(chǎn)品。

隨著封裝的去除，將逐漸展現(xiàn)真正的創(chuàng)新。圖2顯示了采用拋光和O2蝕刻工藝后的封裝。圖中顯示了三排耦合電感（共28個(gè)）。

圖2 拋光封裝（顯示片上電感區(qū)域）

如圖3所示，每個(gè)耦合電感均設(shè)置在器件的RDL區(qū)，兩個(gè)銅條外部包繞磁性材料制成的包絡(luò)。各銅條的一端通過(guò)過(guò)孔與芯片相連，而另一端向外連接至封裝。

圖3 APL1028芯片的掃描電鏡剖面圖（顯示帶磁性包絡(luò)的耦合電感）

這與2011年的英特爾研究論文中提出的概念相似，甚至電感包絡(luò)中似乎使用了相同的CoZrTa磁性材料疊層。蘋果已將這一概念應(yīng)用于生產(chǎn)器件。

來(lái)自安普沃爾半導(dǎo)體（Empower Semiconductor）的另一集成穩(wěn)壓器示例

我們最近發(fā)布了一份關(guān)于安普沃爾EP7037C三路輸出集成穩(wěn)壓器的電源管理集成電路工藝分析報(bào)告。該產(chǎn)品允許通過(guò)多個(gè)不同的穩(wěn)壓為器件的不同部件供電。安普沃爾甚至更進(jìn)一步，于最近發(fā)布了四路輸出器件——EP71xxx系列。安普沃爾聲稱其集成穩(wěn)壓器技術(shù)可將體積縮小10倍，同時(shí)將運(yùn)行速度提高1000倍。產(chǎn)生這種改進(jìn)的原因在于傳統(tǒng)的穩(wěn)壓器需要較大的輸出電容來(lái)充分過(guò)濾瞬態(tài)響應(yīng)。安普沃爾聲稱其解決方案允許處理器電源狀態(tài)發(fā)生納秒級(jí)變化。

圖4顯示了翻轉(zhuǎn)芯片球形柵格陣列封裝和x光片，其中顯示了“TRIO-C”IC芯片以及另外四個(gè)硅深溝槽電容器芯片的位置。

圖4 安普沃爾EP7037C集成穩(wěn)壓器a）翻轉(zhuǎn)芯片球形柵格陣列封裝b）封裝的x光片

該產(chǎn)品與這篇博客前文討論的蘋果APL1028集成穩(wěn)壓器有部分相似之處。與APL1028相似，我們認(rèn)為圖中的“TRIO-C”芯片很可能基于臺(tái)積電的12 FF工藝制程。但其集成方法不同，圖中沒(méi)有采用片上電感。相對(duì)地，安普沃爾提供了兩種解決方案：

●   定制服務(wù)，安普沃爾將協(xié)助設(shè)計(jì)待集成PCB的專用電感走線。

●   安普沃爾還提供EP7037B，其中包含一個(gè)由翻轉(zhuǎn)芯片球形柵格陣列封裝纏繞的電感器。

采用另外四個(gè)硅深溝槽電容器芯片是減少額外的無(wú)源元件和縮小電路板空間的另一種方法。圖5顯示了此類芯片之一的掃描電鏡剖面。采用硅化鎢觸點(diǎn)的雙金屬鋁工藝與填充多晶硅并形成電容器的深溝槽相連。

圖5 硅深溝槽電容的硅掃描電鏡剖面圖

英飛凌集成負(fù)載點(diǎn)電源（IPOL）降壓調(diào)節(jié)器

拆去集成穩(wěn)壓器后，我們可以發(fā)現(xiàn)，它不僅僅是一個(gè)用于集成無(wú)源元件的小眾應(yīng)用。英飛凌最近發(fā)布了配備“全集成”4 A降壓轉(zhuǎn)換器的TDM3885集成負(fù)載點(diǎn)電源模塊。圖6中的各圖像詳細(xì)描述了PG-LGA-15封裝的內(nèi)部，有關(guān)更多詳情，可參見(jiàn)我們關(guān)于該器件的功率封裝報(bào)告。

圖6 英飛凌TDM3885 IPOL a）標(biāo)識(shí)芯片位置的封裝側(cè)視圖X光片b）顯示電感線圈的封裝噴射蝕刻俯視圖c）TC180008_R8B芯片和電感線圈的封裝電鏡剖面圖

圖7所示的TC180008_R8B芯片不含日期標(biāo)記，但因其具有國(guó)際整流器標(biāo)志（見(jiàn)右下角），所以可合理假設(shè)其并非英飛凌的新IC設(shè)計(jì)。該部件的創(chuàng)新之處在于電感集成，這與集成穩(wěn)壓器非常相似，可以節(jié)省寶貴的電路板空間。該部件設(shè)計(jì)用于電信和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用的負(fù)載點(diǎn)電源（PoL）轉(zhuǎn)換，英飛凌指出，它適合用于“空間和散熱受限的應(yīng)用”。英飛凌聲稱，因該部件能降低寄生效應(yīng)，所以不但能減少80%的電路板面積，還能提高性能。

圖7 TC180008_R8B芯片圖

總結(jié)

將無(wú)源元件集成至功率芯片具有明顯優(yōu)勢(shì)。這樣能提高功率密度，盡可能減小電路板空間以及縮短物料清單（BoM），這些都極具吸引力。但這樣也會(huì)帶來(lái)各種缺陷，并且先前對(duì)該技術(shù)的嘗試也很快停止了。

我們可以觀察蘋果是否將該理念延續(xù)至M2 Pro和Max MacBooks，以及他們?cè)谏峁芾矸矫嫒绾芜M(jìn)行權(quán)衡。

集成穩(wěn)壓器（IVR）絕不是唯一能通過(guò)這種方法受益的電源管理集成電路技術(shù)。討論任何功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品時(shí)均需重視系統(tǒng)級(jí)性能，在較高的功率下更是如此，即使效率稍有提高也將變得非常重要。當(dāng)討論碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）晶體管等新的寬禁帶產(chǎn)品，需重視這一點(diǎn)。分立式晶體管自身可能比硅晶體管更昂貴，但它們不僅能提高晶體管性能，無(wú)疑還能為更大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)省成本。他們通過(guò)更高的切換頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，從而允許減小電容并提供更便宜輕便且功率密度更高的解決方案。在觀察高功率模塊時(shí)，我們逐漸覺(jué)察到模塊化布局和短距互連對(duì)降低電感的重要性。

完全去除封裝接線的新型封裝技術(shù)示例也在不斷涌現(xiàn)，參見(jiàn)我們關(guān)于安世半導(dǎo)體“銅夾”技術(shù)的功率封裝報(bào)告，該技術(shù)去除了低壓硅產(chǎn)品PSMN3R9 100 V金氧半場(chǎng)效晶體管的封裝接線。

對(duì)于頻譜的低功率端和電源管理集成電路，我們可以進(jìn)一步將無(wú)源器件集成到分立式封裝中，對(duì)于蘋果APL1028而言，實(shí)際集成至半導(dǎo)體芯片。我們期待在未來(lái)數(shù)年看到相關(guān)方面出現(xiàn)突破性進(jìn)展，并且很高興能繼續(xù)與大家分享我們的發(fā)現(xiàn)！