把封装“搬进”硅片，安森美EPP重塑电源系统设计方式

随着AI数据中心与智能电动汽车对功率密度的追求持续攀升，传统将芯片设计与后道封装相互独立的模式，已难以适应新的需求。传统的电源模块设计面临着需要在电学性能、散热与空间尺寸三者间进行综合权衡的挑战。为了追求信号传输速率并减少延迟，工程师希望尽可能缩短互连路径；但从散热角度看，为了避免热量堆积，发热源又必须尽可能分散。

同时，传统封装属于后道组装工艺，晶圆切割后需要贴装到陶瓷基板上，表面通过打bonding线实现电气互联，采用塑封进行绝缘和固定。这些外部连接走线带来了较大的寄生电感，据吴桐博士在交流会上的举例，市面传统模块普遍在5-10nH左右，在高速开关时易引发强烈的电磁噪音、振荡甚至器件失效。此外，以往功率电子、机械设计和热设计分阶段优化的相对独立流程，容易造成后期设计反复，导致开发周期冗长。

在此背景下，安森美（onsemi）最新推出了嵌入式电源平台（Embedded Power Platform, EPP）。该技术平台将不同功能的芯片集成到同一个硅基平台中，把传统模块装配中的部分关键集成与互连工序，迁移至更可控的晶圆级制造环境中完成，在电学、热学及机械结构上实现了多方位的协同优化。

图 | 安森美嵌入式电源平台芯片；来源：安森美

根据安森美中国区汽车市场技术负责人吴桐博士的介绍，EPP平台采用标准的12英寸硅晶圆作为中介层（Interposer）基底，工程师在数百微米厚的硅衬底上形成用于嵌入器件的槽体，将功率器件、驱动器和控制器等不同的裸片直接塞入槽内，使芯片与硅基之间实现电气连接。在EPP内部，传统模块中部分依赖键合线实现的互连，可由晶圆级多层金属互连结构取代。利用光刻胶掩蔽、曝光与蚀刻，在芯片表面一层一层地长出多层互连金属层，将外部后道连接最小化，从而在有限的空间内实现电路设计优化。

图 | 安森美嵌入式电源平台芯片内部构造示意图

相较于行业目前主流探讨的PCB嵌入式方案，EPP选择“硅基底”带来了一些物理优越性。在散热性能上，硅片的导热能力仅次于金属，远优于传统的氧化铝陶瓷基板和玻璃基板，更显著领先于PCB材料，有助于缓解热管理对功率密度提升形成的限制，完美契合了电力电子领域“功率极限本质上是热极限”的规律。在绝缘层面，PCB嵌入式方案在高压下极易被击穿，而利用成熟的半导体的掺杂和沉积工艺，可以在硅基底内部构建极佳的绝缘层，通过配置不同的器件、互连结构和拓扑，EPP平台可面向从0.7V直流供电到高达3.8kV的固态变压器（SST）等不同电压等级的应用。

图 | 安森美嵌入式电源平台晶圆；来源：安森美

吴桐博士指出，这种从后道向前道工艺的转变，可为系统带来全方位的性能突围与经济效益。在功率密度方面，EPP方案能将系统空间明显缩减，将功率密度直接提升至传统方案的3-5倍。在电学指标上，通过晶圆级互连，在当前概念评估平台中，安森美的 EPP 平台寄生电感可以从传统模块的5-10nH，降至0.5nH左右，这不仅有助于减少电磁杂音与震荡问题，还能让系统在维持整体方案不变的情况下额外多输出约10%的电流。

在近日召开的媒体交流会中，与非网记者针对该技术的行业现状、未来产品形态以及高集成度下的失效问题进行了深度提问，吴桐博士对此作出了关键解答。

针对与非网记者关注的行业技术路线差异，吴桐博士明确指出，整个半导体行业向嵌入式方向演进是大势所趋，不论是高端AI计算的GPU还是通用功率器件都在往不同的嵌入式形式走。然而，目前功率行业的主流多采用PCB嵌入，在材料、制程及高压大电流应用上仍面临技术挑战。安森美作为拥有强大芯片设计与流片经验、且封测能力完备的IDM（垂直整合制造）厂商，能依托其12英寸晶圆厂，将制造与设计无缝融合成一个高壁垒的护城河，这是一般仅做芯片设计或缺乏封测经验的芯片公司难以做到的。

对于记者关于未来走定制化还是通用化路线的疑问，吴桐博士表示，EPP平台在初期主要是在硅片内集成多个同类型的功率芯片。随着系统痛点被逐步解决，未来的演进方向是在硅衬底内建立硅片级互连，将控制芯片、驱动芯片，甚至感知芯片与MCU逐步纳入其中，形成合封的子系统。在产品形态上，通用标准品与定制化将并存。随着技术平台逐渐成熟，满足客户的定制化需求通常只需要改动一层流片工艺或光刻掩膜（Mask），便能快速完成迭代支持。

对于高集成度系统的可靠性，吴桐博士表示，EPP从设计之初便将器件、互连、工艺与系统级可靠性纳入整体考量。依托晶圆级制造的高精度与一致性，EPP可减少传统后道组装中的部分互连环节及相关潜在失效点，并通过器件级与系统级的严格可靠性测试，对各组成部分及集成后的完整系统进行全面验证。结合安森美在汽车和工业应用领域长期积累的质量管理与低PPM经验，EPP旨在进一步降低失效率和系统级失效风险，为高集成度电源系统提供更稳定、更可靠的技术基础。

吴桐博士进一步提到，目前这一新技术已在AI基础设施与电动汽车（EV）两大核心应用场景展现出较大潜力。在AI领域，随着机架功率密度呈指数级增长，供电与保护系统占用了宝贵的机柜空间和冷却资源。在早期基于EPP设计的固态断路器中，该方案相比现有设计尺寸缩小约50%，同时利用整个硅占位面积进行高效导热，使运行温度降低约20%。同时，EPP通过较低的寄生损耗显著提升整体能效，每提升1%的效率，就能为消耗巨额电力的AI数据中心带来显著的经济收益。

在电动汽车领域，牵引逆变器（主驱）一直受制于效率损耗、热限制与体积。相较于传统逆变器，EPP方案可将功率密度最高提升4倍，功率损耗降低15%，使主驱逆变器更小、更轻。目前，斯巴鲁（Subaru）作为首批早期合作伙伴之一，已与安森美展开战略技术合作，评估该平台在未来电动汽车架构中的潜力。

据悉，利用EPP基于数字孪生仿真系统的可扩展性，新产品的开发周期被压缩至最快四个月，汽车制造商可以用单一逆变器平台覆盖从入门级到高端车型的多种需求，在多个车型间复用通用设计，大幅降低研发和重新认证的成本。