芝能智芯出品
随着电子系统的复杂性和能效需求不断提高，传统的集中式电源管理方法显得力不从心。
电力电子技术正在朝着将电源控制集成到芯片或异构封装中的方向发展，这种转变得益于宽带隙（WBG）材料、先进封装技术及创新设计方法的推动，这些技术显著提升了系统效率和小型化程度，但也面临诸多热管理、寄生效应及制造成本等挑战。
本文将从电源集成的技术路径和WBG材料的角色两方面分析这一变革的技术背景、优势与挑战，并探讨其未来发展方向。
Part 1
电力转向集成：
技术驱动与挑战
随着电子系统复杂度和能耗的不断攀升，传统以集中式系统和外部组件为核心的电源管理模式逐渐捉襟见肘，将电源控制向芯片或异构封装靠近的趋势愈发明显，这一转变是由各类应用对效率、可扩展性和集成度的迫切追求所驱动。
从智能手机、物联网设备，到电动汽车和大型数据中心，都需要在有限空间内，用更多晶体管快速处理海量数据，稳定且充足的电力供应至关重要。
实现这一变革的关键技术之一是混合键合，能集成多个芯片，实现极高的互连密度，在封装内为电源和数据构建无缝传输路径。
以直接铜对铜连接替代微凸块键合，显著降低电阻和电感，特别适用于高功率应用，还能实现更细间距的互连，提升带宽和信号完整性。
晶圆减薄技术同样不可或缺。通过减小半导体晶圆厚度，可降低热阻，提高散热效率，缩短电信号传输距离，减少寄生效应，提升信号完整性。亚 10µm 减薄技术与先进背面金属化相结合，不断突破功率集成的边界。
● 将电源管理功能集成到芯片或封装内，带来诸多显著优势。
◎ 能量损失大幅减少，缩短的电力传输路径降低了互连中的电阻和电感损失；
◎ 可靠性显著提高，封装内集成电源组件减少了外部连接，降低潜在故障点；
◎ 性能得以提升，更短的传输路径实现更快响应时间和更好的瞬态性能；
◎ 小型化程度进一步提高，设备体积更小、重量更轻，系统复杂性和成本也因功能整合而降低。
这对于电动汽车、工业自动化和数据中心等对效率、可靠性和保护要求极高的应用领域，意义重大。
制造 SiC 和 GaN 器件需要先进技术来解决缺陷密度、栅极氧化物可靠性以及精确掺杂分布等问题。
块体材料的高缺陷率增加了成本，沉积和蚀刻工艺的复杂性要求严格的工艺控制以确保结果的可重复性。不过，随着晶体生长、衬底制备和外延生长技术等制造工艺的不断成熟，WBG 材料的成本正在逐渐降低。
此外，其卓越性能在许多对效率和可靠性要求极高的应用场景中，足以抵消较高的成本，具有很高的投资价值。
随着现代半导体器件功率密度不断提高，热管理成为维持器件可靠性和性能的关键挑战之一。
即使 SiC 和 GaN 的工作温度能力高于硅，但如果热量管理不善，仍会严重影响器件寿命和效率。温度每升高 10°C，设备寿命就会减半，热问题还可能导致互连出现翘曲、分层和故障等情况。
为应对这些问题，采用了热界面材料（TIM）、先进涂层、高导性基板等多种热管理解决方案，甚至在一些对可靠性要求极高的应用中，微流体冷却系统等创新方案也开始受到关注。
宽带隙材料更快的开关速度和更高的功率密度带来了新的挑战，包括电磁干扰（EMI）、电压过冲和寄生效应等。寄生电感和电容在高速开关环境中会导致功率损耗增加、信号失真和过热。
为解决这些问题，需要优化 PCB 布局、最小化环路电感、采用靠近器件的去耦电容器，以及使用先进的材料和屏蔽技术，如 EMI 滤波器和屏蔽、优化的缓冲电路和适当的接地等。
此外，先进的仿真平台结合寄生参数提取、高频建模和 EMI 分析，在设计过程早期预测和解决这些问题。
Part 2
宽带隙材料：
从性能到普及
宽带隙材料（如SiC和GaN）的引入，为电力电子系统的小型化和高效化提供了全新可能。与传统硅相比，这些材料在更高电压、频率和温度下具有显著的性能优势，使其成为高效片上电源管理的理想选择。
● SiC和GaN在不同功率范围内展现出各自的优势。
◎ SiC广泛应用于电动汽车逆变器中，其高功率密度和低热量生成特性显著提高了续航能力。
◎ 而GaN则以其快速开关性能在低功率场景（如快速充电器）中脱颖而出。
这些材料的独特性能使得更小的电力模块能够承载更高的能量密度，特别是在汽车和航空航天领域的应用中，其轻量化和高效率特性尤为突出。
例如，采用先进沟槽MOSFET设计的SiC器件，通过减小器件尺寸，提高了性能和散热效率，这种设计对材料特性提出了更高要求，包括光学控制和平面化等关键性能指标。
● 宽带隙材料的优势显著，但其制造过程的高复杂性仍然是大规模普及的障碍。
高缺陷率的SiC和GaN晶体增长需要精密的掺杂分布和可靠的工艺控制，而这一过程的高成本限制了这些材料的市场渗透率，随着晶体生长和外延技术的逐步成熟，WBG材料的成本正逐步下降。
设计中的高温稳定性和抗蚀刻性能是当前技术优化的关键方向，通过供应链协作和技术整合，有望进一步降低WBG器件的制造成本，并提高其可靠性和一致性。
● 向片上电源管理过渡以及在先进封装中集成 WBG 材料，不仅是技术难题，还涉及生态系统挑战。
◎ 没有一家公司能够独自应对基板设计、材料选择、组装、封装和测试等多方面的复杂问题。
◎ 跨学科协作和开放式沟通至关重要，但合作面临技术和材料多样性带来的挑战，包括沟通障碍、技术不匹配和文化差异等。
◎ 此外，数据工程是协作成功的关键因素，精心准备、支持 AI 的数据是实现有意义协作和可靠分析的基础。
小结
电力电子的未来正向集成化和高效化快速迈进，而宽带隙材料与先进封装技术成为这一变革的核心驱动力。尽管当前仍面临热管理和制造成本等多重挑战，但随着技术的持续突破，SiC和GaN等材料的普及将进一步加速功率集成的演进。
