对话王宁宁：探索磁性元件封装基板集成技术
电源系统正经历转型，磁性元件磁集成技术成关键突破点？王宁宁教授在学术年会上分享的新型封装基板集成技术，将如何引领电源技术革新？
在2024年第11届功率变换器磁性元件联合学术年会上，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。
王宁宁教授在第11届功率变换器磁性元件联合学术年会上演讲
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，更对磁性元件产业实践具有指导意义。
会后，王教授接受了《磁性元件与电源》记者的专访，就磁性元件产品的发展、技术应用及磁性元件企业将面临的产业化挑战等话题进行了深入探讨。
电源系统转型：为何磁性元件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。
全集成电源具有显著优势。
首先，利用微纳加工工艺或封装工艺，将磁性元件、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，显著提高了电源系统效率。
然而，高频化、高效化以及磁性元件产品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，实现磁性元件产品的小型化和集成化，成为磁性元件企业关注的焦点。
磁性元件领域的新进展：封装基板磁集成技术
在传统板级电源设计中，常见的是独立的磁性元件、电容和控制器等元件。
然而，随着技术的不断进步，大约在十几年前，市场上出现了革命性的变化——磁性元件（电感）被巧妙地嵌入到芯片的封装内部，这一创新显著地减小了电路板的面积。
这一趋势并未止步，近年来，我们见证了磁性元件与电容同时被集成到封装中的技术突破，进一步推动了电源面积的缩减。
最终，一个理想化的愿景正逐步实现：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”。
尽管这一技术前景广阔，但其发展进程依然面临诸多挑战，需要更多的创新与突破。
在磁性元件磁集成技术领域，我们同样见证了磁性元件企业的产品从绕线式磁性元件、平板式磁性元件，到PCB集成磁性元件，乃至硅上集成磁性元件的演变。这一系列的发展不仅提高了磁性元件产品的性能，也为电源系统的集成化提供了坚实的基础。
与此同时，封装集成技术中的嵌入式封装基板以及与之结合的磁集成技术，展现出了卓越的应用潜力。
封装集成电源通过将磁性元件、电容等无源器件与控制芯片整合在同一封装内，极大地缩减了电源系统的占用空间。
而片上集成电源，作为电源技术的终极目标，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，这无疑是对当前技术的极大挑战。
在封装集成电源的实践探索中，多种集成方式和形态应运而生，它们在频率响应、工艺复杂度、供应链成熟度以及开发周期等方面各具特色。
例如，硅基集成电源以其高精度和灵活性著称，但相应的设备要求和工艺复杂度也较高；而PCB集成电源则以其工艺简单、供应链成熟、开发周期短等优势受到青睐，然而其集成度和精度方面存在一定的限制。
王宁宁教授在第11届功率变换器磁性元件联合学术年会上演讲
在业界实践中，如英特尔等科技巨头也在积极探索不同的技术路径。一种方案是采用空气芯电感，凭借其较小的电感量和高达100MHz至140MHz的工作频率，实现了全集成电源的高效、高频化应用。
另一种方案则是结合磁芯结构与PCB技术，通过在PCB基板中打孔并填入磁粉芯，形成单匝磁性元件（电感）结构，有效实现了垂直供电方式。
尽管这种结构在电感量上相对较低，且受工艺和材料限制，磁芯磁导率仅为8.5，但其仍然适用于较高频率的开关电源，如90MHz至100MHz。
然而，这种技术也面临着一些挑战。PCB板的厚度相对较厚，且填充体在压合过程中容易发生破裂，影响了磁性元件产品的可靠性。
此外，由于工艺限制，制作出的磁性元件产品高度难以降低，尤其是当设计依赖于高度来实现足够电感量时。因此，在现有的方案中，PCB板的尺寸普遍超过1.0毫米。
王宁宁教授团队：探索封装基板磁集成的挑战与创新
针对上述问题，王宁宁教授及其团队进行了诸多探索性工作。他们尝试在PCB中制作中间通孔，上下导线仍通过PCB制作，但中间挖孔以便放入不同的磁性材料，如薄膜材料或粉芯材料。
研究者制作了两种磁芯：铁硅铝粉芯和镍铁薄膜。
铁硅铝粉芯通过表面处理包裹绝缘层后热压制成块状，然后切割成薄片放入PCB孔中；镍铁薄膜则通过电镀方法在PI基板上制作，多层压合切割后填入孔中。
这两种磁性元件表现出不同特性：
铁硅铝粉芯的高频特性好，q值可达36，适用于50MHz至100MHz的频率区间；而镍铁薄膜的电感量较高，但高频下涡流较高，q值相对较低，约为16。
为了降低PCB厚度，他们采用更薄的工艺，使用6微米的镍铁合金材料，粘合热压成多层膜后切割成小块，放入PCB孔中。
这种方法制作的磁性元件与之前的薄膜磁性元件特性相近，磁性元件电感量在20至30纳升之间，q值在十几左右，厚度明显比之前的钻孔方法要薄得多，整个厚度不到0.4毫米。
研究团队还尝试将磁膜做成片状后与PCB工艺融合。他们先将磁膜叠压后做图形化，然后在挖出的孔中填胶。这种方法可以进一步缩小预留的安全距离，并通过PCB正常工艺制作导线形成较薄的柔性板集成的电感。
他们使用PI膜并正反面电镀，厚度控制在2微米左右，以进一步提高高频性能。
结果显示，在几十兆赫兹的情况下，磁性元件电感量降低且q值明显提高，可达20左右，且q值发生的频率提高到15兆赫兹。
研究团队将柔性板或超薄PCB板与之前的工作进行了对比，发现在10MHz至20MHz的工作区间内，q值仍具有一定的竞争性。
然而，由于未采用高精度的封装基板工艺，磁性元件密度相对较低。如果采用更精准的封装基板工艺，面积可以极大缩小，磁性元件密度可以更高。
磁集成磁性元件：（a）封装基板集成电感（b）硅基集成电感
此外，研究团队还探索了挖孔用于高频信号下的阻抗测试，并尝试提取磁芯的损耗。
他们发现传统的圆环形样品测试方法不适用于具有形状各异性的薄膜材料，因此基于PCB的方法提供了一种新思路来测试薄膜磁芯的损耗。
目前，王宁宁教授及其研究团队已能比较准确地测试10MHz至60MHz区间内薄膜磁芯的损耗。
王宁宁认为，在未来发展和挑战方面，高频超低损耗薄膜/粉芯研究和规模化制备，薄膜软磁材料的高频损耗测试，高效磁性元件集成工艺技术，高频磁性元件的精确数学模型，电源系统整体封装技术的挑战性问题也亟待解决。
专访亮点：封装基板磁集成产业化的未来展望
王教授在演讲中，用通俗易懂的方式深刻剖析了电源系统转型与全集成电源所面临的挑战，介绍了嵌入式封装基板磁集成技术的最新进展，并对硅上磁集成器件的未来发展趋势进行了展望，给在场的磁性元件企业带来了诸多深刻见解和灵感。
磁性元件企业对于这项技术的未来应用场景及产业化道路上可能遇到的难题，表现出了极大的热情与好奇。为了解决磁性元件企业的疑问，《磁性元件与电源》记者特别邀请王教授接受专访，针对磁性元件企业的关注点，王教授一一作了详尽解答。
记者：针对磁性元件的未来发展目前在做哪方面的技术研究？
王宁宁：我们目前针对磁性元件研究的两种类型技术分别是封装集成电感和硅基片上电感。封装集成电感是将电感等无源器件与连接线、结构件等集成在一起，形成一个整体的封装集成解决方案。
而硅基片上电感则是通过薄膜生长等微纳工艺将导线、磁芯材料绝缘层等直接生长在控制芯片的上面，实现片上电源的集成。
记者：您如何看待空气电感作为未来发展趋势的观点？
王宁宁：我认为空气电感在某些场景下确实具有一定的优势，比如实现起来比较容易、产业链相对齐全等。但作为电源设计方或应用方来说，我们还是会根据具体的需求来选择最合适的电感方案。
空气电感可能在某些性能上会有所损失，所以磁性元件企业需要权衡利弊来做出决策。同时，随着技术的不断进步和产业链的成熟，未来可能会有更多更好的电感方案出现。
记者：您分享的磁性元件技术方案，未来能在哪些方面应用？
王宁宁：我们目前并没有真正投入到产品制作中，只是在做这方面的技术探讨。从目前的研究来看，这个技术是可行的。如果未来真的要将这个方案落地，实现量产规模化，那么这个封装基板方案的整个产业链来说会相对更加完整。
而且，从整个开发流程来看，如果未来的磁性元件供应链齐全，那么磁性元件企业的开发周期会相对短一些。
虽然我们现在还没有具体的产品，但我可以说，这种技术是可以为AI芯片供电，或者为CPU、GPU以及其它数字处理芯片等未来所有需要高功率密度、高效率且有电源空间限制的芯片供电。这类产品都可以使用我们的技术。
记者：在产业化推进的过程中，您认为磁性元件企业面临的主要技术挑战是什么？
王宁宁：我觉得对于磁性元件企业来说，最主要的挑战在于技术的成熟度和产业链的整合能力。虽然有些技术看起来很有前景，但目前还没有形成成熟的产业链和解决方案。
这就需要磁性元件企业具备强大的研发能力和资源整合能力，来推动技术的产业化和应用。同时，国内磁性元件企业普遍对新技术持谨慎态度，不太愿意做第一个吃螃蟹的。
记者：听说您所在的研究团队已经与企业展开了合作，能透露一下合作的企业有哪些吗？
王宁宁：当然可以。我们与OPPO、中电集团等企业都有合作。这些合作让我们能够更好地将研究成果转化为实际应用，同时也为企业的创新发展提供了有力支持，在此也对这些企业的大力支持表示衷心感谢。
记者：能透露一下下一步的研究方向或核心目标吗？
王宁宁：我们目前的研究方向是两条腿走路：一方面继续推进封装集成电感的研究和应用，为垂直供电和模块电源的电感集成化提供技术支撑；另一方面也在积极探索硅基片上电感，为最终实现片上集成电源提供解决方案。
结语
王宁宁教授及其研究团队在封装集成电感和硅基片上电感方面取得了显著的研究成果，这些成果不仅为电源技术的创新提供了有力支持，也为未来高性能芯片的供电需求提供了可行的解决方案，给磁性元件企业带来了诸多深刻见解和灵感。
磁性元件企业需聚焦技术革新，确保高性能同时实现磁性元件的小型集成。同时，需平衡供应链成熟度、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、高性能计算等领域对电源系统的更高需求。
未来，电源技术将持续创新，磁性元件技术的产业化与应用将为科技发展注入新动力。
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