電源系統正經歷轉型，磁性元件磁集成技術成關鍵突破點？王寧寧教授在學術年會上分享的新型封裝基板集成技術，將如何引領電源技術革新？

在2024年第11屆功率變換器磁性元件聯合學術年會上，中國電源學會磁技術專業委員會副主任委員、杭州電子科技大學王寧寧教授發表了題為《新型封裝基板集成技術》的精彩演講。

王寧寧教授在第11屆功率變換器磁性元件聯合學術年會上演講

隨著數字處理芯片如CPU、GPU、FPGA的快速發展，電源系統正經歷著前所未有的轉型。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，更對磁性元件產業實踐具有指導意義。

會后，王教授接受了《磁性元件與電源》記者的專訪，就磁性元件產品的發展、技術應用及磁性元件企業將面臨的產業化挑戰等話題進行了深入探討。

電源系統轉型：為何磁性元件磁集成技術成為關鍵？

隨著垂直供電的發展趨勢，傳統電源系統正逐步向小型化、輕薄化、高頻化和集成化方向轉型，以適應CPU、GPU、FPGA等數字處理芯片日益增長的供電需求。

這些數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，延長續航時間或降低功耗。

當前，供電系統仍以板級供電為主，其中電源傳導路徑對電源效率和性能至關重要，特別是在電流變化率（DI/DT）和輸出電壓穩定性方面。因此，減小電源分配網絡（PDN）路徑的損耗和自身阻抗，成為電源領域亟待解決的關鍵問題。

技術演進促使電源架構發生了深刻變革，從傳統的12V到1-5V的低壓供電模式，逐步轉向48V到1.55-3.3V的低壓總線架構。這種架構通過低壓總線為數字芯片供電，為實現片上電源（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，實現更精細的電壓管理；

再者，動態響應的增強和PDN導通損耗的降低，顯著提高了電源系統效率。

然而，高頻化、高效化以及磁性元件產品集成化和小型化仍是當前電源設計面臨的主要挑戰。如何在保持高性能的同時，實現磁性元件產品的小型化和集成化，成為磁性元件企業關注的焦點。

磁性元件領域的新進展：封裝基板磁集成技術

在傳統板級電源設計中，常見的是獨立的磁性元件、電容和控制器等元件。

然而，隨著技術的不斷進步，大約在十幾年前，市場上出現了革命性的變化——磁性元件（電感）被巧妙地嵌入到芯片的封裝內部，這一創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：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”。

盡管這一技術前景廣闊，但其發展進程依然面臨諸多挑戰，需要更多的創新與突破。

在磁性元件磁集成技術領域，我們同樣見證了磁性元件企業的產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。這一系列的發展不僅提高了磁性元件產品的性能，也為電源系統的集成化提供了堅實的基礎。

與此同時，封裝集成技術中的嵌入式封裝基板以及與之結合的磁集成技術，展現出了卓越的應用潛力。

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，極大地縮減了電源系統的占用空間。

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

在封裝集成電源的實踐探索中，多種集成方式和形態應運而生，它們在頻率響應、工藝復雜度、供應鏈成熟度以及開發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，但相應的設備要求和工藝復雜度也較高；而PCB集成電源則以其工藝簡單、供應鏈成熟、開發周期短等優勢受到青睞，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合學術年會上演講

在業界實踐中，如英特爾等科技巨頭也在積極探索不同的技術路徑。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，實現了全集成電源的高效、高頻化應用。

另一種方案則是結合磁芯結構與PCB技術，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）結構，有效實現了垂直供電方式。

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

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

此外，由于工藝限制，制作出的磁性元件產品高度難以降低，尤其是當設計依賴于高度來實現足夠電感量時。因此，在現有的方案中，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與創新

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留的安全距離，并通過PCB正常工藝制作導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，發現在10MHz至20MHz的工作區間內，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。

他們發現傳統的圓環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確地測試10MHz至60MHz區間內薄膜磁芯的損耗。

王寧寧認為，在未來發展和挑戰方面，高頻超低損耗薄膜/粉芯研究和規模化制備，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，高頻磁性元件的精確數學模型，電源系統整體封裝技術的挑戰性問題也亟待解決。

專訪亮點：封裝基板磁集成產業化的未來展望

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

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

記者：針對磁性元件的未來發展目前在做哪方面的技術研究？

王寧寧：我們目前針對磁性元件研究的兩種類型技術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、結構件等集成在一起，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線、磁芯材料絕緣層等直接生長在控制芯片的上面，實現片上電源的集成。

記者：您如何看待空氣電感作為未來發展趨勢的觀點？

王寧寧：我認為空氣電感在某些場景下確實具有一定的優勢，比如實現起來比較容易、產業鏈相對齊全等。但作為電源設計方或應用方來說，我們還是會根據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，所以磁性元件企業需要權衡利弊來做出決策。同時，隨著技術的不斷進步和產業鏈的成熟，未來可能會有更多更好的電感方案出現。

記者：您分享的磁性元件技術方案，未來能在哪些方面應用？

王寧寧：我們目前并沒有真正投入到產品制作中，只是在做這方面的技術探討。從目前的研究來看，這個技術是可行的。如果未來真的要將這個方案落地，實現量產規模化，那么這個封裝基板方案的整個產業鏈來說會相對更加完整。

而且，從整個開發流程來看，如果未來的磁性元件供應鏈齊全，那么磁性元件企業的開發周期會相對短一些。

雖然我們現在還沒有具體的產品，但我可以說，這種技術是可以為AI芯片供電，或者為CPU、GPU以及其它數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。這類產品都可以使用我們的技術。

記者：在產業化推進的過程中，您認為磁性元件企業面臨的主要技術挑戰是什么？

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

這就需要磁性元件企業具備強大的研發能力和資源整合能力，來推動技術的產業化和應用。同時，國內磁性元件企業普遍對新技術持謹慎態度，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與企業展開了合作，能透露一下合作的企業有哪些嗎？

王寧寧：當然可以。我們與OPPO、中電集團等企業都有合作。這些合作讓我們能夠更好地將研究成果轉化為實際應用，同時也為企業的創新發展提供了有力支持，在此也對這些企業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嗎？

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

結語

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的創新提供了有力支持，也為未來高性能芯片的供電需求提供了可行的解決方案，給磁性元件企業帶來了諸多深刻見解和靈感。

磁性元件企業需聚焦技術革新，確保高性能同時實現磁性元件的小型集成。同時，需平衡供應鏈成熟度、工藝復雜度與開發周期，加強產學研合作，將研究成果轉化為實際應用，以滿足AI、高性能計算等領域對電源系統的更高需求。

未來，電源技術將持續創新，磁性元件技術的產業化與應用將為科技發展注入新動力。

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審核編輯 黃宇