產(chǎn)業(yè)丨電源模塊封裝技術(shù)，大勢(shì)來(lái)襲！

作者 | 方文三

近期，隨著人工智能大模型和汽車(chē)行業(yè)的高速發(fā)展，算力需求急劇上升。在此背景下，每提升一點(diǎn)算力，都需要相應(yīng)增加電源設(shè)施的配備，這使得電源模塊在數(shù)據(jù)中心和車(chē)載領(lǐng)域成為了不可或缺的核心組件。

這一趨勢(shì)促使了模擬廠商們紛紛加大投入，競(jìng)相研發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，以滿足市場(chǎng)需求。其中，一些全新的封裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，展現(xiàn)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的顯著成果。

封裝技術(shù)對(duì)成本的影響與市場(chǎng)趨勢(shì)

根據(jù)Yole Intelligence的報(bào)告，用于電源模塊封裝的材料成本在模塊總成本中占比約為30%。

這表明封裝材料的選擇對(duì)電源模塊的成本有著顯著影響。

隨著封裝技術(shù)的不斷創(chuàng)新，雖然提高了性能和可靠性，但同時(shí)也可能帶來(lái)更高的研發(fā)和生產(chǎn)成本。

電源模塊市場(chǎng)的增長(zhǎng)，特別是AI大模型和汽車(chē)領(lǐng)域的需求激增，推動(dòng)了封裝技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)也可能導(dǎo)致封裝材料和制造成本的上升。

追求更高的功率密度和效率通常需要更復(fù)雜的封裝技術(shù)，這可能會(huì)增加成本。

然而，長(zhǎng)期來(lái)看，高性能封裝技術(shù)可以提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，從而可能帶來(lái)更高的市場(chǎng)回報(bào)。

在選擇封裝技術(shù)時(shí)，工程師需要綜合考慮性能、可靠性和成本效益。

雖然某些高性能封裝技術(shù)初期投資可能較高，但通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高生產(chǎn)效率，可以在長(zhǎng)期內(nèi)實(shí)現(xiàn)成本效益。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將直接影響電源模塊的成本結(jié)構(gòu)。

電源模塊封裝技術(shù)對(duì)于電源模塊的性能、可靠性和成本有著決定性的影響。

封裝技術(shù)的進(jìn)步不僅可以提高電源模塊的功率密度和效率，還能有效減少電磁干擾（EMI），提升產(chǎn)品的整體性能。

電源模塊封裝技術(shù)正成為推動(dòng)電源行業(yè)創(chuàng)新的重要力量，其市場(chǎng)增長(zhǎng)和技術(shù)創(chuàng)新預(yù)示著電源模塊封裝技術(shù)將迎來(lái)更加廣闊的發(fā)展前景。

據(jù)Yole發(fā)布的權(quán)威數(shù)據(jù)，電源模塊市場(chǎng)展現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭，預(yù)計(jì)從2023年的80億美元基數(shù)上，將實(shí)現(xiàn)顯著擴(kuò)張，至2029年達(dá)到160億美元，其間年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)12.1%。

值得注意的是，電源模塊的封裝成本結(jié)構(gòu)深受封裝材料（涵蓋芯片貼裝及陶瓷襯底等關(guān)鍵材料）及封裝尺寸的影響。

展望未來(lái)，該市場(chǎng)將延續(xù)其穩(wěn)健增長(zhǎng)軌跡，預(yù)計(jì)2023年至2029年間將以11%的年復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)攀升，最終于2029年達(dá)到43億美元的市場(chǎng)規(guī)模。

德州儀器推出MagPack封裝技術(shù)

德州儀器（TI）近期推出的MagPack?磁性封裝技術(shù)，作為其在電源模塊技術(shù)領(lǐng)域的重大創(chuàng)新，展現(xiàn)出了高度的代表性。

據(jù)德州儀器升壓—升降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品線經(jīng)理姚韻若所述，MagPack?技術(shù)的引入使得TI的電源模塊在體積縮減的同時(shí)，能夠輸出更大的功率，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功率密度的顯著提升。

具體而言，MagPack?封裝技術(shù)具備四大顯著優(yōu)勢(shì)：

①其小型化設(shè)計(jì)與高功率密度的結(jié)合，為電源模塊帶來(lái)了前所未有的性能提升；

②高效率與優(yōu)異的散熱性能確保了模塊的穩(wěn)定運(yùn)行；

③易于使用的特性有助于縮短產(chǎn)品上市周期，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；

④該技術(shù)還顯著降低了電磁干擾，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

在實(shí)際應(yīng)用中，基于MagPack?封裝技術(shù)的德州儀器TPSM82866A、TPSM82866C和TPSM82816等電源模塊，其體積相較于市場(chǎng)上同類(lèi)6A電源模塊縮小了23%；

相較于TI前代產(chǎn)品更是縮小了50%，展現(xiàn)了卓越的小型化能力。

在2.3mm×3mm的緊湊尺寸下，這些模塊能夠?qū)崿F(xiàn)每平方毫米1A的電流輸出，功率密度極高。

MagPack?封裝技術(shù)通過(guò)集成電感器并優(yōu)化電感器與電源IC的匹配，有效減少了直流和交流損耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低溫升和優(yōu)異的散熱性能。

該技術(shù)采用全屏蔽封裝設(shè)計(jì)，不僅屏蔽了電感器，還對(duì)電感器、電源IC和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了全面屏蔽。

此外，通過(guò)優(yōu)化封裝內(nèi)的系統(tǒng)布線，該技術(shù)進(jìn)一步降低了系統(tǒng)內(nèi)的噪聲水平。

與前代產(chǎn)品相比，采用MagPack?封裝技術(shù)的電源模塊可將電磁干擾（EMI）輻射降低8dB。

基于MagPack?封裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，德州儀器于7月推出了六款新型電源模塊。

其中TPSM82866A、TPSM82866C和TPSM82816作為超小型6A電源模塊的代表，將為市場(chǎng)帶來(lái)更加高效、可靠的電源解決方案。

飛凌推出Easy模塊系列封裝

為積極響應(yīng)全球零碳化目標(biāo)的迫切需求及市場(chǎng)對(duì)Easy模塊需求的快速增長(zhǎng)，英飛凌創(chuàng)新性地推出了全球化生產(chǎn)基地拓展戰(zhàn)略“Easy Modules for the world”。

通過(guò)在全球各地構(gòu)建貼近當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)需求的后道工廠產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了本地化生產(chǎn)，有效提升了交付的安全性與穩(wěn)定性。

這一戰(zhàn)略的實(shí)施，不僅增強(qiáng)了英飛凌在全球市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，更為向各類(lèi)應(yīng)用提供更加優(yōu)質(zhì)、豐富的Easy碳化硅模塊奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

碳化硅Easy模塊，依據(jù)客戶差異化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與芯片組合需求，實(shí)現(xiàn)了定制化設(shè)計(jì)，以全面滿足各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景。

該系列產(chǎn)品的Rds(on)值精準(zhǔn)定位于55毫歐至2毫歐之間，并提供了多樣化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選項(xiàng)，從而確保了產(chǎn)品的廣泛適用性與市場(chǎng)需求的持續(xù)響應(yīng)。

總結(jié)而言，Easy碳化硅模塊在性價(jià)比、熱管理、封裝設(shè)計(jì)以及應(yīng)用廣泛性等方面均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

①無(wú)銅底板設(shè)計(jì)為用戶提供了更具成本效益的解決方案；

②氮化鋁基板的應(yīng)用有效降低了熱阻并減少了散熱成本；

③靈活出PIN封裝則優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)回路與功率回路的布局；

④PressFit Pin功能則進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的安裝流程。

⑤適用于光伏、電動(dòng)汽車(chē)充電樁、ESS等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化與定制化解決方案中。

英飛凌率先在規(guī)格書(shū)中明確了碳化硅的短路能力標(biāo)準(zhǔn)，為客戶提供了兩種選擇：

一是通過(guò)選用18V Vgs以降低Rds(on)值；二是采用15V Vgs以獲得更強(qiáng)的短路承受能力。

英飛凌Easy模塊以其卓越的可擴(kuò)展性與靈活性著稱。

自Easy 1B和2B模塊上市以來(lái)，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。為了滿足市場(chǎng)對(duì)更高功率系統(tǒng)的需求，進(jìn)一步研發(fā)了Easy 3B和4B模塊。

這兩款封裝產(chǎn)品不僅具備更高的功率密度與更大的電流承載能力，還采用了1200V CoolSiC? MOSFET芯片技術(shù)，以更好地滿足新興應(yīng)用對(duì)于高效、可靠性能的追求。

目前，1200V CoolSiC? MOSFET M1H Easy模塊已擁有豐富的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選項(xiàng)，包括半橋、全橋、三相橋、三電平以及boost等，充分滿足了不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

其中，半橋Easy3B模塊的Rds(on)值更是低至2mΩ，展現(xiàn)了其卓越的性能優(yōu)勢(shì)。

值得一提的是，DF4-19MR20W3M1HF_B11作為首個(gè)采用EasyPACK? 3B封裝的2000V CoolSiC? MOSFET功率模塊產(chǎn)品，專(zhuān)為1500V光伏系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。

其出色的性能表現(xiàn)不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)解決方案的復(fù)雜度并減少了器件數(shù)量，還顯著提升了功率密度并降低了1500VDC應(yīng)用的總系統(tǒng)成本。

意法半導(dǎo)體推出ACEPack封裝技術(shù)

ACEPack封裝技術(shù)，作為ST（意法半導(dǎo)體）的標(biāo)志性成果，歷經(jīng)長(zhǎng)期驗(yàn)證，展現(xiàn)出其穩(wěn)健可靠的特性，涵蓋了硅IGBT及SiC MOSFET電源模塊。

尤其值得一提的是，去年推出的ACEPack SMIT封裝功率半導(dǎo)體器件，專(zhuān)為多種常用橋式拓?fù)湓O(shè)計(jì)，進(jìn)一步鞏固了ST在封裝技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

相較于傳統(tǒng)的TO型封裝，ST的ACEPack SMIT封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了組裝流程的簡(jiǎn)化與模塊功率密度的顯著提升。

其獨(dú)特的貼裝封裝設(shè)計(jì)，結(jié)合頂部絕緣散熱與直接鍵合銅（DBC）貼片技術(shù)，確保了高效的封裝頂部冷卻性能。

近期，ST更是推出了ACEPack DMT-32系列碳化硅（SiC）電源模塊，該系列采用便捷的32引腳、雙列直插、模制通孔封裝，專(zhuān)為電動(dòng)汽車(chē)（BEV/HEV）及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域精心打造。

憑借ST最先進(jìn)的SiC技術(shù)與豐富的產(chǎn)品線，ACEPack DMT-32系列覆蓋了車(chē)載充電器（OBC）、DC/DC轉(zhuǎn)換器、流體泵、空調(diào)等眾多電源與應(yīng)用領(lǐng)域。

該系列功率模塊采用SiC功率MOSFET技術(shù)，展現(xiàn)了卓越的電氣與熱性能，確保了低RDS(on)值與有限的開(kāi)關(guān)能量。

同時(shí)，基于氮化鋁的直接鍵合銅（DBC）封裝設(shè)計(jì)，賦予了模塊更高的導(dǎo)熱性能、極低的熱阻以及高電絕緣性。

其工作結(jié)溫可高達(dá)175°C，能夠輕松應(yīng)對(duì)高功率需求。

此外，特殊設(shè)計(jì)的模制凹槽確保了較大的爬電距離，進(jìn)一步提升了模塊的安全性能。

ACEPack DMT-32系列被設(shè)計(jì)為一站式解決方案，能夠構(gòu)建包括六組、四組及圖騰柱配置在內(nèi)的復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而滿足高功率密度與高效率的嚴(yán)苛要求，有效縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。

目前，該系列已提供1200V額定電壓的產(chǎn)品，650V級(jí)別的產(chǎn)品亦即將問(wèn)世，并均配備了嵌入式NTC熱敏電阻以實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)。

其高性能氮化鋁（AlN）絕緣基板確保了出色的熱性能，而集成的NTC傳感器則提供了實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)控功能。

在量產(chǎn)方面，M1F45M12W2-1LA自2023年第4季度起已開(kāi)始批量生產(chǎn)。

同時(shí)，后續(xù)型號(hào)如M1F80M12W2-1LA、M1TP80M12W2-2LA、M1P45M12W2-1LA、M1P80M12W2-1LA及M1P30M12W3-1LA等均已提供樣品，并將于2024年第一季度正式進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。

MPS推出Mesh Connect倒裝封裝

截至目前，MPS已壯大為一家半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，旗下?lián)碛?4條產(chǎn)品線，涵蓋超過(guò)4000種產(chǎn)品。

MPS鄭重聲明，其產(chǎn)品在技術(shù)層面展現(xiàn)出顯著的半導(dǎo)體工藝制程優(yōu)勢(shì)與封裝技術(shù)特長(zhǎng)。

MPS專(zhuān)注于模擬與數(shù)字模擬混合信號(hào)產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)，此類(lèi)產(chǎn)品所采用的制程技術(shù)非同凡響。

它摒棄了純數(shù)字制程常用的CMOS工藝，轉(zhuǎn)而采用由公司創(chuàng)始人Michael Hsing獨(dú)創(chuàng)的BCD工藝。

在封裝領(lǐng)域，MPS同樣引領(lǐng)潮流。面對(duì)傳統(tǒng)打線封裝技術(shù)存在的導(dǎo)通電阻、寄生電感等問(wèn)題，MPS創(chuàng)新性地引入了“Mesh Connect?”倒裝封裝技術(shù)。

該技術(shù)摒棄了接合線的使用，轉(zhuǎn)而利用銅凸點(diǎn)和焊料直接將芯片與金屬引線緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了熱量從芯片至PCB的高效傳導(dǎo)。

通過(guò)優(yōu)化引線布局，確保電源、接地及輸出引腳均有效連接至大面積銅區(qū)域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了熱性能的顯著提升。

根據(jù)MPS官方網(wǎng)站的介紹，相較于分立方案，MPS的模塊在電路板空間占用上展現(xiàn)出驚人的優(yōu)勢(shì)，最高可節(jié)省70%的空間。

此外，晶圓球焊接技術(shù)的應(yīng)用不僅降低了成本，還徹底消除了導(dǎo)通電阻的存在，有效規(guī)避了寄生電感對(duì)開(kāi)關(guān)速度的不利影響。

Vicor面向AI推出ChiP封裝

電源模塊封裝技術(shù)，作為Vicor的核心競(jìng)爭(zhēng)力，自公司創(chuàng)立之初便成為其獨(dú)特差異化標(biāo)志。

1984年，Vicor推出了以封裝命名的模塊化磚型DC-DC轉(zhuǎn)換器組件，該組件融合了分布式電源架構(gòu)與高效準(zhǔn)諧振正激轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋬纱髣?chuàng)新特性。

時(shí)至2015年，隨著控制系統(tǒng)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、組件及材料的全面升級(jí)，VI Chip?封裝迎來(lái)了重新設(shè)計(jì)。

此次設(shè)計(jì)充分利用了功耗的顯著降低、控制系統(tǒng)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高頻化優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)了功率密度與電流密度的雙重提升。

這一創(chuàng)新成果被命名為轉(zhuǎn)換器級(jí)封裝（ChiP?），其獨(dú)特的構(gòu)造與制造方法為Vicor及整個(gè)電源模塊制造行業(yè)開(kāi)辟了全新的發(fā)展路徑。

ChiP封裝以其雙面組件裝配及從固定尺寸面板切割的獨(dú)特方式而著稱，這一過(guò)程與晶圓片制造中切割硅芯片的工藝頗為相似。

新架構(gòu)結(jié)合高頻開(kāi)關(guān)拓?fù)浼翱刂葡到y(tǒng)中的ZVS與ZCS優(yōu)化，不僅進(jìn)一步降低了功耗，還實(shí)現(xiàn)了電源模塊集成度的顯著提升，這正是推動(dòng)VI Chip封裝不斷革新的核心動(dòng)力。

ChiP封裝在AI等高增長(zhǎng)應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大潛力。

特別是在處理器電流強(qiáng)度已突破1000A的應(yīng)用場(chǎng)景中，PCB銅箔電源層的配電損耗已成為制約性能的關(guān)鍵因素。

Vicor通過(guò)采用ChiP多層堆棧技術(shù)構(gòu)建垂直供電結(jié)構(gòu)，有效縮小了電路板尺寸并降低了基板功耗，進(jìn)而提升了處理器的整體性能。

ChiP封裝方法的核心理念在于最大限度地精簡(jiǎn)構(gòu)成模塊的各個(gè)組件與元件。

隨著Vicor在性能提升方面的不斷探索與突破，ChiP封裝技術(shù)將繼續(xù)刷新行業(yè)創(chuàng)新記錄。

電源模塊封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著電子器件技術(shù)的不斷進(jìn)步，電源模塊的性能得到了顯著提升，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率、更低的能耗和更長(zhǎng)的使用壽命。

同時(shí)，隨著智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電源模塊正逐漸實(shí)現(xiàn)智能化控制和管理，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

隨著全球環(huán)保意識(shí)的不斷提高，電源模塊產(chǎn)品將更加注重環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。

采用環(huán)保材料和生產(chǎn)工藝，降低能耗和減少?gòu)U棄物排放，將成為電源模塊封裝行業(yè)的重要發(fā)展方向。

隨著全球產(chǎn)業(yè)分工的不斷深化和產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善，電源模塊封裝企業(yè)將與上下游企業(yè)實(shí)現(xiàn)更加緊密的合作和協(xié)同。

通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化和整合，實(shí)現(xiàn)資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和降低成本，提高整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新能力。

結(jié)尾：

電源模塊封裝技術(shù)的發(fā)展不僅提高了電源模塊的性能和可靠性，也為電源模塊在數(shù)據(jù)中心、新能源汽車(chē)等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支持。

電源模塊封裝技術(shù)，作為電源模塊設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，正迎來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，電源模塊封裝技術(shù)正成為推動(dòng)電源行業(yè)創(chuàng)新的重要力量。

電源模塊封裝技術(shù)對(duì)成本的影響主要體現(xiàn)在封裝材料的選擇和封裝尺寸的設(shè)計(jì)上，這些因素共同決定了電源模塊的總成本。

部分資料參考：電子工程世界：《電源模塊封裝技術(shù)，太熱了》，德州儀器：《德州儀器推出電源模塊全新磁性封裝技術(shù)》，Vicor：《創(chuàng)新電源模塊封裝》，電子發(fā)燒友網(wǎng)：《讓電源模塊尺寸降50%，解讀TI磁性封裝技術(shù)MagPack?四大優(yōu)勢(shì)》，英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體：《一文講透英飛凌碳化硅Easy模塊》