整合被動元件的電源管理整合電路
作者 : TechInsights
「整合穩壓器(IVR)」受到了特別關注。鑒於相對較小的變化也可能損壞CPU等精密元件中的精密電晶體，所以需使用穩壓器電路提供穩定的恆定電壓。
自TechInsights於2021年底推出電源管理IC(PMIC)工藝分析頻道以來，已分析了多種元件。據觀察，越來越多的製造商嘗試以共同封裝配置或與矽基IC本身「全整合」的方式，將被動元件整合至電源管理IC中。
與所有電力電子產品一樣，尺寸、重量和功率(SWaP)均為關鍵的性能指標。為提高系統效率，我們需要更小巧輕便且功率密度更高的系統。在電源管理IC運行功率水準相對較低的情況下，整合是非常理想的方式，並且具備理論可行性。
「整合穩壓器(IVR)」受到了特別關注。鑒於相對較小的變化也可能損壞CPU等精密元件中的精密電晶體，所以需使用穩壓器電路提供穩定的恆定電壓。
許多消費類電子產品的輸入電壓為12 V(最新的伺服器架構為48 V)。產品內部的最終「負載點(PoL)」的降壓轉換過程，為CPU、GPU和其他內部元件提供其所需的電壓(通常<2 V)。隨著架構複雜化，需輸入不同電壓，因而需採用多個穩壓器電路提供不同的電壓，而它們會占用寶貴的電路板空間。整合此項功能將帶來明顯收益。
「全整合」穩壓器的早期嘗試
迄今為止，英特爾(Intel)公司對這項技術的嘗試或許最為矚目，他們嘗試在第四代和第五代核心微處理器(Haswell和Broadwell)上採用所謂的「全整合穩壓器(FIVR)」解決方案。在展示了將非磁性電感整合至柵格陣列(LGA)封裝，一篇在2016年提交的研究論文，該論文得出結論，未來可能必須使用磁性材料以滿足電流密度需求，同時展示對片上電感的研究，包括磁性CoZrTa包絡。
從第六代產品開始，英特爾放棄了全整合穩壓器方案，原因之一似乎是這種方法會使CPU附近產生額外熱量。傳聞這項技術將被再次引入，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整合穩壓器
我們的拆解頻道詳細報導了已發佈的最重要的消費類電子產品。根據對採用M1處理器的2021款16吋MacBook Pro的分析，我們發現蘋果APL1028晶片被設置在M1處理器區域散熱外殼內的PCB背面，並撰寫有關該元件的電源管理IC工藝分析報告，在最近的電源管理IC簡報中，重點介紹了整合電感技術。如圖1所示，APL1028採用倒裝晶片球柵陣列(FCBGA)封裝。
圖1：倒裝晶片球柵陣列封裝的APL1027整合穩壓器： a) 俯視圖 b) 仰視圖 c)突出顯示晶片的側視X光片
當使用酸解封工藝取出封裝中的晶片後，獲得IC，分析表明這很可能採用了台積電的12 FF工藝。注意，這並非BCD電源管理IC，傳統雙極元件或DMOS功率電晶體與鰭式場效電晶體(FinFETs)的整合，需要使用大量昂貴的光刻光罩。假設這些元件在相對較低的功率水準下運行，則僅使用鰭式場效電晶體即可。
我們迄今發現的最小的傳統電源管理IC邏輯節點約為55 nm，同樣來自去年報導的蘋果產品。隨著封裝的去除，將逐漸展現真正的創新。圖2顯示了採用拋光和O2蝕刻工藝後的封裝。圖中顯示了三排耦合電感(共28個)。
圖2：拋光封裝 (顯示片上電感區域)
如圖3所示，每個耦合電感均設置在元件的RDL區，兩個銅條外部包繞磁性材料製成的包絡。各銅條的一端通過過孔與晶片相連，而另一端向外連接至封裝。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用於生產元件。
圖3：APL1027晶片的電子顯微鏡掃描剖面圖 (顯示帶磁性包絡的耦合電感)。
來自安普沃爾半導體(Empower Semiconductor)的另一整合穩壓器示例
我們最近發佈了一份關於安普沃爾EP7037C三路輸出整合穩壓器的電源管理IC工藝分析報告。該產品允許通過多個不同的穩壓為元件的不同元件供電。安普沃爾甚至更進一步，於最近發佈了。安普沃爾聲稱其整合穩壓器技術可將體積縮小10倍，同時將運行速度提高1000倍。
產生這種改進的原因在於傳統的穩壓器需要較大的輸出電容來充分過濾瞬態回應。安普沃爾聲稱其解決方案允許處理器電源狀態發生納秒級變化。圖4顯示了翻轉晶片球形柵格陣列封裝和x光片，其中顯示了TRIO-C IC晶片以及另外四個矽深溝槽電容器晶片的位置。
圖4：EP7037C整合穩壓器 a) 翻轉晶片球形柵格陣列封裝 b) 封裝的X光片。
該產品與這篇部落格前文討論的蘋果APL1028整合穩壓器有部分相似之處。與APL1028相似，我們認為圖中的TRIO-C IC很可能基於台積電的12 FF工藝制程。但其整合方法不同，圖中沒有採用片上電感。相對地，安普沃爾提供了兩種解決方案：
定制服務，安普沃爾將協助設計待整合PCB的專用電感走線。
安普沃爾還提供EP7037B，其中包含一個由翻轉晶片球形柵格陣列封裝纏繞的電感器。採用另外四個矽深溝槽電容器晶片是減少額外的被動元件和縮小電路板空間的另一種方法。圖5顯示了此類晶片之一的掃描電鏡剖面。採用矽化鎢觸點的雙金屬鋁工藝與填充多晶矽並形成電容器的深溝槽相連。
圖5：矽深溝槽電容的矽掃描電子顯微鏡剖面圖。
英飛淩整合負載點電源(IPOL)降壓調節器
拆去整合穩壓器後，我們可以發現，它不僅僅是一個用於整合被動元件的小眾應用。英飛淩最近發佈了配備全整合4 A降壓轉換器的TDM3885整合負載點電源模組。圖6中的各圖像詳細描述了PG-LGA-15封裝的內部，有關更多詳情，可參見我們關於該元件的功率封裝報告。
圖6：英飛凌TDM3885 IPOL a) 標示晶片位置的封裝側視圖X光片 b) 顯示電感線圈的封裝噴射蝕刻俯視圖 c) TC180008_R8B晶片和電感線圈的封裝電子顯微鏡剖面圖。
圖7所示的TC180008_R8B晶片不含日期標記，但因其具有國際整流器標誌(見右下角)，所以可合理假設其並非英飛淩的新IC設計。該元件的創新之處在於電感整合，這與整合穩壓器非常相似，可以節省電路板空間，並可用於電信和資料中心等應用的負載點電源(PoL)轉換。英飛淩指出，它適合空間和散熱受限的應用，並聲稱因該元件能降低寄生效應，所以能減少80%的電路板面積，以及提高性能。
圖7：tc180008_R8B晶片圖。
總結
將被動元件整合至功率晶片具有明顯優勢。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。但這樣也會帶來各種缺陷，並且先前對該技術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至M2 Pro和Max MacBooks，以及他們在散熱管理方面如何進行權衡。
IVR絕不是唯一能通過這種方法受益的電源管理IC技術。討論任何功率轉換產品時均需重視系統級性能，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。當討論碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)電晶體等新的寬能隙半導體產品，需重視這一點。
分離式電晶體自身可能比矽電晶體更昂貴，但它們不僅能提高電晶體性能，還能為更大的系統設計節省成本。他們透過更高的切換頻率來實現這一點，從而允許減小電容並提供更便宜輕便且功率密度更高的解決方案。在觀察高功率模組時，我們逐漸察覺到模組化佈局和短距互連對降低電感的重要性。
完全去除封裝接線的新型封裝技術範例也在不斷湧現，參見我們關於安世半導體銅夾技術的功率封裝報告，該技術去除了低壓矽產品PSMN3R9 100 V金氧半場效電晶體的封裝接線。
對於頻譜的低功率端和電源管理IC，我們可以進一步將被動元件整合到分離式封裝中，對於蘋果APL1028而言，實際整合至半導體晶片。我們期待在未來數年看到相關方面出現突破性進展，並且很高興能繼續與大家分享我們的發現！
本文原刊登於EDN China網站
加入LINE@，最新消息一手掌握！
