【導讀】自TechInsights於2021年底推出電源管理集成電路（PMIC）工藝分析頻道以來，已分析了多種器件。內容囊括高壓柵極驅動器和汽車級電源轉換IC，乃至移動電源管理集成電路。據觀察
，越來越多的製造商嚐試以共同封裝配置或與矽IC本身“全集成”的方式將無源元件集成至電源管理集成電路產品。

自TechInsights於2021年底推出電源管理集成電路（PMIC）工藝分析頻道以來，已分析了多種器件。內容囊括高壓柵極驅動器和汽車級電源轉換IC


，乃至移動電源管理集成電路。據觀察，越來越多的製造商嚐試以共同封裝配置或與矽IC本身“全集成”的方式將無源元件集成至電源管理集成電路產品。

與所有電力電子產品一樣
，尺寸、重量和功率（SWaP）junweiguanjiandexingnengzhibiao。weitigaoxitongxiaolv，womenxuyaogengxiaoqiaoqingbianqiegonglvmidugenggaodexitong。zaidianyuanguanlijichengdianluyunxinggonglvshuipingxiangduijiaodideqingkuangxia，jichengshifeichanglixiangdefangshi
，bingqiejubeililunkexingxing。

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

許多消費類電子產品的輸入電壓為12 V（最新的服務器架構為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sui著zhe架jia構gou複fu雜za化hua，需xu輸shu入ru不bu同tong電dian壓ya，因yin而er需xu采cai用yong多duo個ge穩wen壓ya器qi電dian路lu提ti供gong不bu同tong的de電dian壓ya，而er它ta們men會hui占zhan用yong寶bao貴gui的de電dian路lu板ban空kong間jian。集ji成cheng此ci項xiang功gong能neng將jiang帶dai來lai明ming顯xian收shou益yi。

“全集成”穩壓器的早期嚐試

迄今為止
，英特爾公司對這項技術的嚐試或許最為矚目。英特爾嚐試在第4代和第5代核心微處理器（Haswell和Broadwell）上采用所謂的“全集成穩壓器”（FIVR）解決方案。在2014年亞太經合組織會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

、交錯螺線管
、屏蔽電鍍通孔（PTH）環和3DL。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。2011年的早期演示展示了對片上電感的研究，包括磁性CoZrTa包絡。

從第六代產品開始，英特爾放棄了全集成穩壓器方案，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集成穩壓器

我們的拆解頻道詳細報道了已發布的最重要的消費類電子產品。根據對采用M1處理器的2021款MacBook Pro（16英寸）的分析，我們發現蘋果APL1028芯片被設置在M1處理器區域散熱外殼內的PCB背(bei)麵(mian)。此(ci)後(hou)，我(wo)們(men)編(bian)寫(xie)了(le)一(yi)份(fen)有(you)關(guan)該(gai)器(qi)件(jian)的(de)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)工(gong)藝(yi)分(fen)析(xi)報(bao)告(gao)，並(bing)在(zai)最(zui)近(jin)的(de)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)簡(jian)報(bao)中(zhong)重(zhong)點(dian)介(jie)紹(shao)了(le)集(ji)成(cheng)電(dian)感(gan)技(ji)術(shu)。

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集成穩壓器：a）俯視圖b）仰視圖c）突出顯示芯片的側視x光片

當使用酸解封工藝取出封裝中的芯片後，獲得集成電路，分析表明這很可能采用了台積電的12 FF工藝。注意，這並非BCD電源管理集成電路，傳統雙極器件或DMOS功率晶體管與鰭式場效晶體管（FinFETs）dejichengxuyaoshiyongdaliangangguideguangkeyanmo。jiashezhexiebujianzaixiangduijiaodidegonglvshuipingxiayunxing，zejinshiyongqishichangxiaojingtiguanjike。womenqijinfaxiandezuixiaode“傳統”電源管理集成電路邏輯節點約為55 nm，同樣來自去年報道的蘋果產品。

隨著封裝的去除
，將逐漸展現真正的創新。圖2顯示了采用拋光和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器件的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芯片的掃描電鏡剖麵圖（顯示帶磁性包絡的耦合電感）

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器件。

來自安普沃爾半導體（Empower Semiconductor）的另一集成穩壓器示例

我們最近發布了一份關於安普沃爾EP7037Csanlushuchujichengwenyaqidedianyuanguanlijichengdianlugongyifenxibaogao。gaichanpinyunxutongguoduogebutongdewenyaweiqijiandebutongbujiangongdian。anpuwoershenzhigengjinyibu，yuzuijinfabulesilushuchuqijian——EP71xxx係列。安普沃爾聲稱其集成穩壓器技術可將體積縮小10倍

，同時將運行速度提高1000倍(bei)。產(chan)生(sheng)這(zhe)種(zhong)改(gai)進(jin)的(de)原(yuan)因(yin)在(zai)於(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)穩(wen)壓(ya)器(qi)需(xu)要(yao)較(jiao)大(da)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)來(lai)充(chong)分(fen)過(guo)濾(lv)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)。安(an)普(pu)沃(wo)爾(er)聲(sheng)稱(cheng)其(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)允(yun)許(xu)處(chu)理(li)器(qi)電(dian)源(yuan)狀(zhuang)態(tai)發(fa)生(sheng)納(na)秒(miao)級(ji)變(bian)化(hua)。

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

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

該產品與這篇博客前文討論的蘋果APL1028集成穩壓器有部分相似之處。與APL1028相似，我們認為圖中的“TRIO-C”芯片很可能基於台積電的12 FF工藝製程。但其集成方法不同
，圖中沒有采用片上電感。相對地，安普沃爾提供了兩種解決方案：

• 定製服務，安普沃爾將協助設計待集成PCB的專用電感走線。

• 安普沃爾還提供EP7037B

，其中包含一個由翻轉芯片球形柵格陣列封裝纏繞的電感器。

采用另外四個矽深溝槽電容器芯片是減少額外的無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麵。采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鏡剖麵圖

英飛淩集成負載點電源（IPOL）降壓調節器

拆去集成穩壓器後
，我們可以發現
，它不僅僅是一個用於集成無源元件的小眾應用。英飛淩最近發布了配備“全集成”4 A降壓轉換器的TDM3885集成負載點電源模塊。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，可參見我們關於該器件的功率封裝報告。

圖6：英飛淩TDM3885 IPOL a）標識芯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芯片和電感線圈的封裝電鏡剖麵圖

圖7所示的TC180008_R8B芯片不含日期標記
，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(she)計(ji)。該(gai)部(bu)件(jian)的(de)創(chuang)新(xin)之(zhi)處(chu)在(zai)於(yu)電(dian)感(gan)集(ji)成(cheng)，這(zhe)與(yu)集(ji)成(cheng)穩(wen)壓(ya)器(qi)非(fei)常(chang)相(xiang)似(si)
，可(ke)以(yi)節(jie)省(sheng)寶(bao)貴(gui)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)空(kong)間(jian)。該(gai)部(bu)件(jian)設(she)計(ji)用(yong)於(yu)電(dian)信(xin)和(he)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)等(deng)應(ying)用(yong)的(de)負(fu)載(zai)點(dian)電(dian)源(yuan)（PoL）轉換，英飛淩指出
，它適合用於“空間和散熱受限的應用”。英飛淩聲稱
，因該部件能降低寄生效應，所以不但能減少80%的電路板麵積
，還能提高性能。

圖7：TC180008_R8B芯片圖

總結

將無源元件集成至功率芯片具有明顯優勢。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嚐試也很快停止了

。

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麵如何進行權衡。

集成穩壓器（IVR）juebushiweiyinengtongguozhezhongfangfashouyidedianyuanguanlijichengdianlujishu。taolunrenhegonglvzhuanhuanchanpinshijunxuzhongshixitongjixingneng，zaijiaogaodegonglvxiagengshiruci
，jishixiaolvshaoyoutigaoyejiangbiandefeichangzhongyao。dangtaoluntanhuagui（SiC）和氮化镓（GaN）晶jing體ti管guan等deng新xin的de寬kuan禁jin帶dai產chan品pin
，需xu重zhong視shi這zhe一yi點dian。分fen立li式shi晶jing體ti管guan自zi身shen可ke能neng比bi矽gui晶jing體ti管guan更geng昂ang貴gui

，但dan它ta們men不bu僅jin能neng提ti高gao晶jing體ti管guan性xing能neng，無wu疑yi還hai能neng為wei更geng大da的de係xi統tong設she計ji節jie省sheng成cheng本ben。他ta們men通tong過guo更geng高gao的de切qie換huan頻pin率lv來lai實shi現xian這zhe一yi點dian，從cong而er允yun許xu減jian小xiao電dian容rong並bing提ti供gong更geng便bian宜yi輕qing便bian且qie功gong率lv密mi度du更geng高gao的de解jie決jue方fang案an。在zai觀guan察cha高gao功gong率lv模mo塊kuai時shi，我wo們men逐zhu漸jian覺jiao察cha到dao模mo塊kuai化hua布bu局ju和he短duan距ju互hu連lian對dui降jiang低di電dian感gan的de重zhong要yao性xing。

完全去除封裝接線的新型封裝技術示例也在不斷湧現，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金氧半場效晶體管的封裝接線。

對於頻譜的低功率端和電源管理集成電路，我們可以進一步將無源器件集成到分立式封裝中，對於蘋果APL1028而言，實際集成至半導體芯片。我們期待在未來數年看到相關方麵出現突破性進展，並且很高興能繼續與大家分享我們的發現！

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