王宁宁解读：封装基板集成技术如何重塑电源产业

2024年12月12日

在2024年第11届功率变换器磁性元器件联合学术年会上，中国电源学会磁技术专业委员会副主任委员、杭州电子科技大学王宁宁教授发表了题为《新型封装基板集成技术》的精彩演讲。

王宁宁教授

随着数字处理芯片如CPU、GPU、FPGA的快速发展，电源系统正经历着前所未有的转型。在此背景下，王宁宁教授的演讲和随后的专访不仅具有理论价值，更对产业实践具有指导意义。
会后，王教授接受了电子变压器与电感网记者的专访，就电感的未来发展、技术应用及产业化挑战等话题进行了深入探讨。

电源系统转型：为何磁集成技术成为关键？

随着垂直供电的发展趋势，传统电源系统正逐步向小型化、轻薄化、高频化和集成化方向转型，以适应CPU、GPU、FPGA等数字处理芯片日益增长的供电需求。

这些数字处理芯片的多核化趋势不仅提升了运算能力，也对电源管理提出了更精细化的要求，旨在提高能源管理效率，延长续航时间或降低功耗。

当前，供电系统仍以板级供电为主，其中电源传导路径对电源效率和性能至关重要，特别是在电流变化率（DI/DT）和输出电压稳定性方面。因此，减小电源分配网络（PDN）路径的损耗和自身阻抗，成为电源领域亟待解决的关键问题。

技术演进促使电源架构发生了深刻变革，从传统的12V到1-5V的低压供电模式，逐步转向48V到1.55-3.3V的低压总线架构。这种架构通过低压总线为数字芯片供电，为实现片上电源（IVR）或全集成电源（FIVR）提供了可能。

电源架构示意

首先，利用微纳加工工艺或封装工艺，将电感、电容等无源器件集成为单芯片，极大减小了电源面积和高度，可置于负载封装内部或其背板上，从而显著缩短PDN路径。

其次，电源颗粒度的提升使得单个电源可分解为数十甚至上百个独立控制的小电源，每个小电源均可进行独立电压控制，实现了更精细的电压管理。

再者，动态响应的增强和PDN导通损耗的降低，显著提高了系统效率。

然而，高频化、高效化以及磁元件的集成化和小型化仍是当前电源设计面临的主要挑战。如何在保持高性能的同时，实现磁元件的小型化和集成化，成为业界关注的焦点。

在传统板级电源设计中，常见的是独立的电感、电容和控制器等元件。

大约十几年前，电感被巧妙地嵌入芯片封装内部，这一创新显著地减小了电路板面积。近年来，技术进一步发展，电感与电容同时被集成到封装中，推动了电源面积的进一步缩减。

最终，一个理想化的目标正逐步实现：将电源控制电路、功率器件、磁性元件和电容全部集成在同一硅片上，形成所谓的“片上集成电源”。

在磁元件磁集成技术领域，技术经历了绕线式磁元件 → 平板式磁元件 → PCB集成磁元件 → 硅上集成磁元件的演变，为电源系统的集成化提供了坚实基础。

封装集成技术中的嵌入式封装基板与磁集成技术结合，展现了卓越的应用潜力。封装集成电源通过将电感、电容等无源器件与控制芯片整合在同一封装内，极大缩减电源系统占用空间；而片上集成电源则要求在更高频率下实现所有无源器件与控制芯片的单芯片集成。

多种集成方式各具特色：

学术年会演讲现场

在业界实践中，如英特尔等公司采用空气芯电感或结合磁芯结构与PCB技术，实现高频高效的全集成电源。

王教授团队在PCB中制作中间通孔，结合不同磁性材料，如铁硅铝粉芯和镍铁薄膜：

采用6微米镍铁合金材料、柔性板或超薄PCB板后，整体厚度不到0.4毫米，显著降低了传统钻孔PCB的厚度。

研究团队还探索了挖孔用于高频信号阻抗测试，并提出基于PCB的新型薄膜磁芯损耗测试方法，目前可准确测试10MHz至60MHz区间薄膜磁芯的损耗。

磁集成器件

王教授表示，目前研究的两类技术为封装集成电感和硅基片上电感。封装集成电感可形成整体封装解决方案；硅基片上电感通过薄膜微纳工艺直接集成于芯片上，实现片上电源。

空气电感在某些场景下易实现、产业链齐全，但性能存在折中。未来技术进步可能带来更多优质电感方案。

该技术可应用于AI芯片、CPU、GPU及高功率密度芯片的供电，并为垂直供电和模块电源提供技术支撑。产业化挑战主要在技术成熟度与产业链整合能力。王教授团队已与OPPO、中电集团等企业开展合作。

王宁宁教授及团队在封装集成电感和硅基片上电感方面取得显著成果，为电源技术创新和高性能芯片供电提供可行方案。

企业需聚焦技术革新，实现磁元件小型集成，同时平衡供应链成熟度、工艺复杂度与开发周期，加强产学研合作，将研究成果转化为实际应用，以满足AI和高性能计算对电源系统的高需求。

未来，磁元件技术的产业化与应用将为科技发展注入新动力。