集成无源元件的电源管理集成电路

自TechInsights于2021年底推出电源管理集成电路（PMIC）工艺分析频道以来，已分析了多种器件。内容囊括高压栅极驱动器和汽车级电源转换IC，乃至移动电源管理集成电路。据观察，越来越多的制造商尝试以共同封装配置或与硅IC本身“全集成”的方式将无源元件集成至电源管理集成电路产品。

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与所有电力电子产品一样，尺寸、重量和功率（SWaP）均为关键的性能指标。为提高系统效率，我们需要更小巧轻便且功率密度更高的系统。在电源管理集成电路运行功率水平相对较低的情况下，集成是非常理想的方式，并且具备理论可行性。

一种“集成稳压器”（IVR）受到了特别关注。鉴于相对较小的变化也可能损坏CPU等精密部件中的精密晶体管，所以需使用稳压器电路提供稳定的恒电压。

许多消费类电子产品的输入电压为12 V（最新的服务器架构为48 V）。产品内部的最终“负载点”（PoL）的降压转换过程为CPU、GPU和其他内部元件提供其所需的电压（通常<2 V）。随着架构复杂化，需输入不同电压，因而需采用多个稳压器电路提供不同的电压，而它们会占用宝贵的电路板空间。集成此项功能将带来明显收益。

“全集成”稳压器的早期尝试

迄今为止，英特尔公司对这项技术的尝试或许最为瞩目。英特尔尝试在第4代和第5代核心微处理器（Haswell和Broadwell）上采用所谓的“全集成稳压器”（FIVR）解决方案。在2014年亚太经合组织会议上提交的一篇论文展示了这种方法——将非磁性电感集成至栅格阵列（LGA）封装。一篇在2016年提交的研究论文显示了研讨中的不同电感的更多详情，包括非耦合螺线管、交错螺线管、屏蔽电镀通孔（PTH）环和3DL。该论文得出结论，未来可能必须使用磁性材料以满足电流密度需求。2011年的早期演示展示了对片上电感的研究，包括磁性CoZrTa包络。

从第六代产品开始，英特尔放弃了全集成稳压器方案，原因之一似乎是这种方法会使CPU附近产生额外热量。传闻这项技术将被再次引入，正如在VLSI 2022上的演示所证明的那样，英特尔仍在以某种形式研究这一概念。

苹果APL1028集成稳压器

我们的拆解频道详细报道了已发布的最重要的消费类电子产品。根据对采用M1处理器的2021款MacBook Pro（16英寸）的分析，我们发现苹果APL1028芯片被设置在M1处理器区域散热外壳内的PCB背面。此后，我们编写了一份有关该器件的电源管理集成电路工艺分析报告，并在最近的电源管理集成电路简报中重点介绍了集成电感技术。

如图1所示，APL1028采用倒装芯片球栅阵列（FCBGA）封装。

图1 倒装芯片球栅阵列封装的苹果APL1028集成稳压器：a）俯视图b）仰视图c）突出显示芯片的侧视x光片

当使用酸解封工艺取出封装中的芯片后，获得集成电路，分析表明这很可能采用了台积电的12 FF工艺。注意，这并非BCD电源管理集成电路，传统双极器件或DMOS功率晶体管与鳍式场效晶体管（FinFETs）的集成需要使用大量昂贵的光刻掩模。假设这些部件在相对较低的功率水平下运行，则仅使用鳍式场效晶体管即可。我们迄今发现的最小的“传统”电源管理集成电路逻辑节点约为55 nm，同样来自去年报道的苹果产品。

随着封装的去除，将逐渐展现真正的创新。图2显示了采用抛光和O2蚀刻工艺后的封装。图中显示了三排耦合电感（共28个）。

图2 抛光封装（显示片上电感区域）

如图3所示，每个耦合电感均设置在器件的RDL区，两个铜条外部包绕磁性材料制成的包络。各铜条的一端通过过孔与芯片相连，而另一端向外连接至封装。

图3 APL1028芯片的扫描电镜剖面图（显示带磁性包络的耦合电感）

这与2011年的英特尔研究论文中提出的概念相似，甚至电感包络中似乎使用了相同的CoZrTa磁性材料叠层。苹果已将这一概念应用于生产器件。

来自安普沃尔半导体（Empower Semiconductor）的另一集成稳压器示例

我们最近发布了一份关于安普沃尔EP7037C三路输出集成稳压器的电源管理集成电路工艺分析报告。该产品允许通过多个不同的稳压为器件的不同部件供电。安普沃尔甚至更进一步，于最近发布了四路输出器件——EP71xxx系列。安普沃尔声称其集成稳压器技术可将体积缩小10倍，同时将运行速度提高1000倍。产生这种改进的原因在于传统的稳压器需要较大的输出电容来充分过滤瞬态响应。安普沃尔声称其解决方案允许处理器电源状态发生纳秒级变化。

图4显示了翻转芯片球形栅格阵列封装和x光片，其中显示了“TRIO-C”IC芯片以及另外四个硅深沟槽电容器芯片的位置。

图4 安普沃尔EP7037C集成稳压器a）翻转芯片球形栅格阵列封装b）封装的x光片

该产品与这篇博客前文讨论的苹果APL1028集成稳压器有部分相似之处。与APL1028相似，我们认为图中的“TRIO-C”芯片很可能基于台积电的12 FF工艺制程。但其集成方法不同，图中没有采用片上电感。相对地，安普沃尔提供了两种解决方案：

●   定制服务，安普沃尔将协助设计待集成PCB的专用电感走线。

●   安普沃尔还提供EP7037B，其中包含一个由翻转芯片球形栅格阵列封装缠绕的电感器。

采用另外四个硅深沟槽电容器芯片是减少额外的无源元件和缩小电路板空间的另一种方法。图5显示了此类芯片之一的扫描电镜剖面。采用硅化钨触点的双金属铝工艺与填充多晶硅并形成电容器的深沟槽相连。

图5 硅深沟槽电容的硅扫描电镜剖面图

英飞凌集成负载点电源（IPOL）降压调节器

拆去集成稳压器后，我们可以发现，它不仅仅是一个用于集成无源元件的小众应用。英飞凌最近发布了配备“全集成”4 A降压转换器的TDM3885集成负载点电源模块。图6中的各图像详细描述了PG-LGA-15封装的内部，有关更多详情，可参见我们关于该器件的功率封装报告。

图6 英飞凌TDM3885 IPOL a）标识芯片位置的封装侧视图X光片b）显示电感线圈的封装喷射蚀刻俯视图c）TC180008_R8B芯片和电感线圈的封装电镜剖面图

图7所示的TC180008_R8B芯片不含日期标记，但因其具有国际整流器标志（见右下角），所以可合理假设其并非英飞凌的新IC设计。该部件的创新之处在于电感集成，这与集成稳压器非常相似，可以节省宝贵的电路板空间。该部件设计用于电信和数据中心等应用的负载点电源（PoL）转换，英飞凌指出，它适合用于“空间和散热受限的应用”。英飞凌声称，因该部件能降低寄生效应，所以不但能减少80%的电路板面积，还能提高性能。

图7 TC180008_R8B芯片图

总结

将无源元件集成至功率芯片具有明显优势。这样能提高功率密度，尽可能减小电路板空间以及缩短物料清单（BoM），这些都极具吸引力。但这样也会带来各种缺陷，并且先前对该技术的尝试也很快停止了。

我们可以观察苹果是否将该理念延续至M2 Pro和Max MacBooks，以及他们在散热管理方面如何进行权衡。

集成稳压器（IVR）绝不是唯一能通过这种方法受益的电源管理集成电路技术。讨论任何功率转换产品时均需重视系统级性能，在较高的功率下更是如此，即使效率稍有提高也将变得非常重要。当讨论碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）晶体管等新的宽禁带产品，需重视这一点。分立式晶体管自身可能比硅晶体管更昂贵，但它们不仅能提高晶体管性能，无疑还能为更大的系统设计节省成本。他们通过更高的切换频率来实现这一点，从而允许减小电容并提供更便宜轻便且功率密度更高的解决方案。在观察高功率模块时，我们逐渐觉察到模块化布局和短距互连对降低电感的重要性。

完全去除封装接线的新型封装技术示例也在不断涌现，参见我们关于安世半导体“铜夹”技术的功率封装报告，该技术去除了低压硅产品PSMN3R9 100 V金氧半场效晶体管的封装接线。

对于频谱的低功率端和电源管理集成电路，我们可以进一步将无源器件集成到分立式封装中，对于苹果APL1028而言，实际集成至半导体芯片。我们期待在未来数年看到相关方面出现突破性进展，并且很高兴能继续与大家分享我们的发现！