权力的博客
PMICs集成无源元件
由:斯蒂芬·罗素
问世以来TechInsights的电源管理集成电路(PMIC)过程分析通道在2021年底,我们已经分析了各种各样的设备。从高电压门司机来汽车合格的转换器来移动PMICs。我们发现越来越多的制造商试图将被动组件合并到PMIC产品,在co-packaged配置或“完全整合”与硅集成电路本身。
正如所有电力电子,尺寸、重量和功率(SWaP)是关键性能指标。更高效的系统我们渴望更小、更轻、更密集的系统。集成是非常可取的和理论上在相对较低的功率PMICs操作。
一种类型的设备得到特别关注的是“集成稳压器”(IVR)。电压调节器电路行为提供恒定电压稳定的组件(如CPU,即使一个相对较小的变化可能破坏脆弱的晶体管。
许多消费电子产品的输入电压12 V(最近的服务器架构或48 V)。最后一个“荷载点”(PoL)降压转换过程在产品本身供应< 2 V通常所需的CPU、GPU和其他内部组件。架构越来越复杂需要多个输入,有几个电压调节器电路提供不同电压,所有这些占用宝贵的空间。将这个功能的重大利益。
早期的尝试在“基础”电压调节器
也许最引人注目的尝试这项技术迄今为止一直在英特尔。在他们任期的基础调压器(FIVR)解决方案的第四和第五代核心处理器(Haswell和Broadwell)。一个论文发表在2014年的亚太经合组织会议显示了方法——整合成一个非磁性感应到LGA包中。一个研究论文从2016年显示更多细节与不同的电感讨论包括非耦合电磁、交叉电磁屏蔽,镀通孔(素循环和3 dl。本文得出结论,在未来磁性材料可能需要跟上电流密度。一个表示从2011年早些时候的研究显示为片上电感器包括一个磁CoZrTa信封。
英特尔离开FIVR想法从他们的第六代在其产品中,似乎是一个因素所产生的额外热量从这种方法如此接近CPU。有传言说重新引入这项技术以来,就是明证在VLSI 2022他们仍然在某种形式的概念。
苹果APL1028 IVR
我们拆卸频道封面中最重要的消费电子产品发布细节。我们的分析发现的2021 MacBook Pro 16寸M1处理器苹果APL1028芯片,位于臀部的PCB热圈地为M1处理器内的地区。我们已经产生了PMIC过程分析报告这个设备和集成电感技术出现在我们的最近的PMIC简报。
APL1028进来一个倒装芯片球栅阵列(FCBGA)包,如图1所示。
图1苹果APL1028 IVR FCBGA包)上b)下c)侧视x射线与死高亮显示
当删除死于包使用酸腐蚀过程的结果是一个集成电路,我们的分析表明有可能12 FF从台积电过程。注意这不是一个BCD PMIC,传统双设备或DMOS结构功率晶体管的集成与FinFETs将需要一个非常大的和昂贵的光刻面具。鉴于这些部分以相对较低的功率运行水平的使用FinFET晶体管单独是充分的。最小的“传统”PMIC逻辑节点我们发现日期~ 55纳米也来自苹果的产品了去年。
真正的创新逐渐去除包装时可以看到。图2显示了包后抛光和随后的O2腐蚀过程。三排的耦合电感器显示在总(28)。
图2抛光包12片上电感的地区
每个耦合线圈形成RDL地区的设备,两个铜条包围一个信封的磁性材料,如图3中所示。每个铜条连接的一端通过通过死亡,而其他的连接方案。
图3扫描电镜截面APL1028死揭示耦合线圈的磁信封
提出的概念类似于2011年英特尔研究论文,甚至利用看似相同的堆栈CoZrTa磁性材料的电感信封。苹果已经成功将这个概念,把它融入生产设备。
另一个集成稳压器使半导体的例子
我们最近出版了一本PMIC过程分析报告在授权EP7037C这套三输出。本产品允许多个不同的调节电压电力设备的不同部分。进一步增强了,最近发布了一份四输出deivce EP71xxx系列。授权声称他们的IVR技术允许减少10倍大小,操作快1000倍。这种改善是由于传统的电压调节器需要巨大的输出电容可以过滤瞬态加。授权声明他们的解决方案允许处理器能力在纳秒状态改变。
图4显示了FCBGA包与x射线显示‘TRIO-C IC模的位置以及另外四Si-deep沟电容器死去。
图4赋予EP7037C IVR) FCBGA包b)包x射线
本产品与苹果APL1028 IVR讨论一些共同之处见过在这个博客。像APL1028我们相信“TRIO-C”死看到可能是基于12 FF从台积电过程。然而不同的集成方法,这里没有片上电感。而不是授权提供了两种解决方案:
包含四个额外的Si深沟电容器死是另一种方法来减少额外被动元件和董事会的空间。图5显示了扫描电子显微镜(SEM)的其中一个死去。两个金属铝过程与硅化钨接触连接到多晶硅深沟形成电容器。
图5如果扫描电镜截面的Si深沟电容器
英飞凌集成荷载点(IPOL)巴克调节器
远离广度、我们可以看到的不仅仅是一个利基应用程序的集成无源元件的好处。英飞凌最近发布了TDM3885集成点的负载功率模块完全集成的4 a buck变换器。图6显示了各种图像详细PG-LGA-15包的内部更多的细节在我们可用这个设备包装报告。
图6英飞凌TDM3885 IPOL) x射线侧视包死的位置确定b)包飞机腐蚀顶视图电感线圈显示c)扫描电镜截面包显示TC180008_R8B死和电感线圈
TC180008_R8B死如图7所示不包含日期标记的死,但是鉴于它功能国际整流器标志(右下角)公平地认为这不是一个新的由英飞凌集成电路设计。这部分是电感集成创新,这就像使用广度、可以节省宝贵的空间。这部分是为最终设计荷载点(PoL)转换应用,如电信和数据中心内,英飞凌指定它是适合的空间和热限制应用程序。他们声称它提供板面积减少80%,由于较低的寄生表现有所改善。
图7 TC180008_R8B死亡形象
总结
集成无源元件在电源芯片的优势是显而易见的。板的功率密度的提高,最小化空间和节省材料清单(BoM)是有吸引力的。他们并非没有挑战然而,之前尝试这项技术很快被停止。
这将是有趣的,看看苹果进行这一概念到M2 Pro和马克斯macbook和权衡用热管理。
集成稳压器(IVR)绝不是唯一PMIC技术,可以受益于这种方法。很重要当讨论任何权力转换的产品,如果有任何的系统级性能,更重要的是在更高权力的分数百分之一效率储蓄变得重要。这是很重要的在讨论新的宽禁带等产品碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)晶体管。离散晶体管本身可能比硅更昂贵,但它们不仅提供改进的性能在晶体管级,毫无疑问他们也允许在一个更大的系统设计成本节约。他们实现这一目标通过支持更高频率切换,继而使较小的电容和更便宜,更轻,更大的权力密集的解决方案。当我们看高功率模块,我们越来越多地看到模块布局的重要性和短互联降低电感。
也有越来越多的新型包装技术的例子完全移除bondwires,看到我们权力包装报告Nexperia的“copper-clip”技术,去除bondwires低压Si产品,PSMN3R9 100 V MOSFET。
结束时较低的功率谱和PMICs我们可以进一步通过整合被动者到离散包本身实际上对于苹果APL1028半导体死。我们希望看到显著的创新在这方面在接下来的几年里,我们继续与你们分享我们的发现感到兴奋!
引用
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- 完全集成稳压器与Package-Embedded电感异构3 d-tsv-stacked System-in-Package与22纳米硅CMOS有源插入器Self-Trimmed、数控准时不连续导电模式(DCM)操作IEEE…
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- psmn3r9 - 100 ysf NextPower 100 V, 4.3莫姆,120 A, n沟道MOSFET在LFPAK56E包(Nexperia网站)2022
