安森美推全新封装技术：将SiC嵌入12英寸硅晶圆

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今天，安森美半导体推出了其嵌入式功率平台（EPP）。与传统的塑料或陶瓷封装不同，EPP 将功率晶体管封装到 12 英寸硅晶圆制造环境中，直接利用硅晶圆本身作为封装基础。

随着高密度人工智能数据中心机架、电动汽车动力系统和工业自动化系统在日益紧凑的空间内对更高功率的需求不断增长，传统的电力电子封装正接近其物理极限。几十年来，电力系统一直依赖于一种循序渐进的开发模式：半导体芯片被制造出来，安装到绝缘基板上，进行引线键合，最后封装在模塑化合物中。

电气、热力和机械系统分别进行优化，迫使工程师在设计后期做出权衡取舍，从而增加系统体积、提高寄生损耗并延长开发周期。新平台旨在克服这些挑战。

为了了解更多相关信息，我们很高兴与Onsemi 公司企业战略与高级项目战略项目负责人Allyson Fairchild进行了交谈。

“为了打造高功率密度系统，并努力解决当前传统架构中存在的一些权衡取舍，我们需要一种新的方法，”费尔柴尔德说道。“更高的功率密度要求这些系统协同优化。我们需要避免目前顺序开发中出现的一些复杂性和后期设计变更。”

重新思考封装：晶圆即架构

EPP技术将封装从被动式外壳转变为主动式性能增强器。通过在受控的半导体制造厂内直接执行关键的组装步骤，安森美半导体将洁净室的制造精度应用于电源系统集成。

嵌入式电源平台并非通过冗长的感应式键合线传输电源，而是 将异构电源芯片直接嵌入到12英寸硅晶圆的空腔中。嵌入式器件通过精确图案化的晶圆级铜重分布层（RDL）和垂直通孔互连。

“真正有趣的是，我们作为一家半导体公司，将我们赖以生存的根本，也是我们每天最擅长的——硅晶圆制造——运用到高功率领域，”费尔柴尔德说。“这样一来，封装就成为了性能的关键因素。”

该平台的关键结构特征包括：

• 异质材料兼容性：支持在单个晶圆结构中将硅 (Si)、碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 芯片与低压硅控制器、栅极驱动器和微控制器组合在一起。

• 消除引线键合：精密铜 RDL 取代引线键合互连，大幅降低寄生电感和电气路径长度。

• 可配置拓扑：支持并行芯片布局以降低导通电阻 RDSon ，以及在一个模块内集成半桥拓扑、栅极环路和功率级。

协同优化电气和热性能

通过将互连工艺转移到晶圆级工艺，EPP 技术实现了功率晶体管与其驱动电路之间更紧密的电耦合。这种短而可控的电路径对于 GaN 等快速开关宽带隙材料尤为有利，因为寄生栅极电感通常会阻碍其高频工作。更紧密的栅极回路可以实现更高的开关频率、更精确的控制和更低的开关损耗。

在散热方面，EPP封装利用了硅的固有特性。传统的环氧树脂封装材料是隔热材料，而硅则具有很高的导热性。嵌入式芯片产生的热量可以通过整个硅封装直接传导至外部冷板或液冷系统。

此外，高压介质隔离层在制造过程中直接集成到硅结构中。这用致密、无孔的隔离层取代了厚重、热阻大的直接键合铜（DBC）或活性金属钎焊（AMB）基板，从而在不牺牲散热性能的前提下保持了高击穿电压。

“我们正在做的是将功率芯片嵌入硅晶圆中，”费尔柴尔德说道。“我们支持目前所有的功率技术：硅、碳化硅、氮化镓。但我们秉持技术中立的原则，因此我们也会在时机成熟时考虑未来的技术。我们正在实现可配置的功率器件组合。因此，在一个模块中，我们可以考虑诸如多个芯片并联以降低导通电阻RDSon类的方案。我们可以将其配置为半桥，还可以添加控制器或栅极驱动器。”

“我们能够真正适应不同的应用。我们可以改变功率芯片的类型，以适应不同的功率水平。”

系统级影响：人工智能数据中心与电气化

通过对电气、热学和机械特性进行协同优化，可在目标市场中实现可衡量的空间和效率提升：

人工智能数据中心基础设施：在高密度服务器机架中，电源模块与计算硬件争夺空间，EPP电源设计相比现有方案，占地面积最多可减少30%，同时有效导热面积也得以提升。在固态断路器原型中，EPP使系统整体体积减少了约50%，运行温度降低了20%。

电动汽车 (EV)：应用于牵引逆变器时，EPP 封装的功率密度比传统封装高出 4 倍，功率损耗降低高达 15%。单一的、可扩展的 EPP 功率级架构可覆盖多个车辆功率等级，使汽车制造商能够在低端和高端车型系列中重复使用统一的设计。

开发速度：通过将晶圆厂级制造精度与多物理场数字孪生仿真相结合，工程团队可以在软件中同时仿真电气、热学和机械参数。这减少了物理硬件迭代的需求，将开发周期缩短至最短四个月。

汽车制造商斯巴鲁已签约成为EPP的早期合作伙伴，与安森美半导体合作评估该平台在下一代电动汽车动力总成方面的应用。早期合作伙伴将获得工程样品、仿真模型和技术支持，以探索未来电动汽车平台在效率和空间方面的改进。

Onsemi表示，计划于2026年开始向汽车和人工智能生态系统战略合作伙伴交付早期EPP工程样品。

（来源：编译自allaboutcircuit）

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