SysPro電力電子技術(shù)-技術(shù)前瞻
SysPro電力電子技術(shù) | 參考來源：Kyushu Institute of Technology
這篇我們聚焦于：功率芯片Chiplet封裝技術(shù)。
這份內(nèi)容值得單獨(dú)拿出來看，是因?yàn)樗鼪]有把功率密度提升簡(jiǎn)單歸因于寬禁帶器件，而是提出一個(gè)更底層的判斷：功率電子也需要從單顆大芯片和傳統(tǒng)模塊，走向可組合、可嵌入、可系統(tǒng)協(xié)同的功率芯粒平臺(tái)。
我更愿意把PowerChiplet理解成一個(gè)“功率系統(tǒng)小型化的組織方式”，而不是一個(gè)單獨(dú)封裝名詞。它背后要解決的，是大芯片良率、熱擴(kuò)散、門極驅(qū)動(dòng)寄生、爬電/電氣間隙和外圍電路復(fù)雜度同時(shí)上升的問題。
這份材料的核心主線來自Kyushu Institute of Technology的Ichiro Omura教授，去年在PCIM會(huì)議上的演講，有幸現(xiàn)場(chǎng)聆聽，下面一起來學(xué)習(xí)下這背后的思考。
一、為什么功率電子也需要“Chiplet化”？
先看清楚背景：AI訓(xùn)練算力、數(shù)據(jù)中心負(fù)載、電驅(qū)功率密度和OBC體積約束都在同時(shí)推高功率電子的密度要求。如果只沿著單顆芯片尺寸和傳統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)繼續(xù)推進(jìn)，成本、良率和熱阻會(huì)很快互相牽制。
這里的類比來自高性能計(jì)算。計(jì)算芯片之所以走向chiplet，不只是為了把芯片做小，而是為了在良率、工藝節(jié)點(diǎn)、開發(fā)周期和系統(tǒng)擴(kuò)展之間找到新的平衡。功率電子現(xiàn)在遇到的矛盾很像：器件越快、功率越高，傳統(tǒng)模塊越容易被封裝和互連限制。
圖片來源：Kyushu Institute of Technology | 高性能計(jì)算chiplet給出的啟示：把大系統(tǒng)拆成小芯片，再用封裝互連恢復(fù)系統(tǒng)能力
AI算力需求的上升，會(huì)反過來壓迫供電和功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。訓(xùn)練計(jì)算量、數(shù)據(jù)中心峰值負(fù)載和能源基礎(chǔ)設(shè)施一起上移時(shí)，功率電子不能只做器件替換，而要把平臺(tái)結(jié)構(gòu)一起升級(jí)。
圖片來源：Kyushu Institute of Technology | AI計(jì)算能耗和數(shù)據(jù)中心峰值負(fù)載上升，解釋了為什么供電平臺(tái)不能停留在傳統(tǒng)模塊思維
Chiplet真正打動(dòng)功率電子的地方，是它把大芯片變成多個(gè)小芯片后，良率和開發(fā)周期都有機(jī)會(huì)改善。功率芯片同樣受缺陷密度和面積約束影響，尤其在新材料和新工藝早期，這個(gè)邏輯更重要。
圖片來源：Kyushu Institute of Technology | 小芯片策略的第一層收益：降低單顆面積后，良率和開發(fā)周期同時(shí)改善
因此，PowerChiplet不是借一個(gè)流行詞，而是借一套組織方式：把功率芯片、驅(qū)動(dòng)、傳感、保護(hù)和系統(tǒng)基板拆成可組合單元，再通過封裝和PCB互連重新形成系統(tǒng)。
二、寬禁帶器件越快，傳統(tǒng)功率模塊越容易暴露邊界
下面看功率電子自己的路線。
SiC、GaN和垂直器件持續(xù)提高開關(guān)速度、降低導(dǎo)通損耗，但這并不自動(dòng)帶來系統(tǒng)級(jí)功率密度提升。器件越強(qiáng)，封裝寄生、熱阻和連接距離越容易成為新的主限制。
圖片來源：Kyushu Institute of Technology | 功率電子功率密度趨勢(shì)繼續(xù)上移，目標(biāo)已經(jīng)逼近kW/cc級(jí)別的長(zhǎng)期路線
寬禁帶器件可以用更小芯片實(shí)現(xiàn)更高速度和更低損耗，但小芯片也意味著電流密度、熱通量和互連要求更苛刻。也就是說，器件縮小后，系統(tǒng)不能繼續(xù)沿用大芯片、大模塊、大回路的老方法。
圖片來源：Kyushu Institute of Technology | 寬禁帶功率器件帶來更高開關(guān)速度和更低導(dǎo)通損耗，也把封裝寄生推到前臺(tái)
這也解釋了為什么報(bào)告特別強(qiáng)調(diào)Power on/in PCB。
PCB不再只是驅(qū)動(dòng)板或連接板，而可能成為承載功率芯片、驅(qū)動(dòng)布線和系統(tǒng)互連的平臺(tái)。功率模塊的小型化，開始從芯片參數(shù)轉(zhuǎn)移到PCB工藝和封裝結(jié)構(gòu)。
三、芯片級(jí)收益：小芯片不是降規(guī)格，而是重新分配良率和熱阻
這里最容易誤解：PowerChiplet其實(shí)并不是把一顆大功率芯片隨便拆成很多小芯片，而是利用缺陷密度、有效面積和熱擴(kuò)散之間的關(guān)系，把系統(tǒng)可制造性拉回來。
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圖片來源：Kyushu Institute of Technology | 有效有源面積模型說明：缺陷密度存在時(shí)，大芯片的良率損失會(huì)被面積放大
四、驅(qū)動(dòng)與寄生：PowerChiplet真正難在高速開關(guān)不振蕩
接下來才進(jìn)入功率電子自己的核心問題：門極回路、功率回路和感測(cè)回路。當(dāng)器件速度提升后，低自感、低互感和可控回路布局會(huì)比單個(gè)芯片參數(shù)更決定系統(tǒng)能不能穩(wěn)定工作。
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圖片來源：Kyushu Institute of Technology | 低電感PCB門極布線可以改善多芯片并聯(lián)的關(guān)斷穩(wěn)定性，避免電流振蕩和不均衡
五、系統(tǒng)級(jí)落點(diǎn)：PCB嵌入把爬電、驅(qū)動(dòng)和外圍電路一起收進(jìn)平臺(tái)
最后回到工程開發(fā)。
PowerChiplet真正落地，不是只做芯片陣列，而是把芯片、驅(qū)動(dòng)、絕緣、控制和散熱路徑放進(jìn)同一個(gè)系統(tǒng)基板里。
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圖片來源：Kyushu Institute of Technology | 把芯片與功率電路連接放進(jìn)PCB內(nèi)部，可以縮短外部連接并壓縮爬電/電氣間隙帶來的體積
六、給我們的啟示：PowerChiplet真正改變的是功率系統(tǒng)的組織方式
從工程角度看，PowerChiplet最值得借鑒的地方，是它把“功率芯片面積”從一個(gè)器件參數(shù)，變成了系統(tǒng)架構(gòu)參數(shù)：
過去我們習(xí)慣用更大芯片、更低導(dǎo)通電阻去提高電流能力，但當(dāng)缺陷密度、熱擴(kuò)散和開關(guān)速度同時(shí)進(jìn)入約束，單顆大芯片反而可能讓良率、熱阻和封裝互連一起變差。
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圖片來源：Kyushu Institute of Technology | 傳統(tǒng)功率模塊、傳遞模塑模塊和芯片嵌入PCB的流程差異，決定了下一代平臺(tái)的制造路線
?? 小編總結(jié)
九州大學(xué)這條PowerChiplet路線真正值得記住的，不是“把功率芯片做成chiplet”這個(gè)概念，而是它把功率電子的良率、熱阻、寄生電感、爬電距離和外圍電路復(fù)雜度放在同一個(gè)平臺(tái)里重構(gòu)。
未來高功率密度系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)，會(huì)從單顆器件參數(shù)轉(zhuǎn)向芯片陣列、PCB嵌入、驅(qū)動(dòng)互連和系統(tǒng)級(jí)封裝協(xié)同。
?? 本文關(guān)鍵參數(shù)速查[知識(shí)星球發(fā)布]
?? 延伸閱讀與參考說明
本篇為主題AI近端供電與先進(jìn)封裝_PowerChiplet功率芯粒平臺(tái)學(xué)習(xí)總結(jié)，完整資料、拓展閱讀已整理在「SysPro電力電子技術(shù)」知識(shí)星球中。
本文聚焦PowerChiplet、功率芯粒、芯片嵌入PCB、低寄生電感、小芯片陣列、門極驅(qū)動(dòng)、熱阻優(yōu)化、寬禁帶器件，用于幫助工程團(tuán)隊(duì)快速理解報(bào)告中的架構(gòu)邏輯、關(guān)鍵拓?fù)浜凸こ碳s束。
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SysPro電力電子技術(shù)-前瞻洞察 · 16個(gè)系列
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