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日月光採用Ansys軟體開發創新的內埋式功率電感技術

  • 劉中興台北

日月光利用Ansys分析軟體進行內埋式功率電感技術研發之建模、模擬與驗證工作。日月光半導體

AI高效能運算時代的來臨,已對資料中心電源系統設計帶來新的挑戰,如何提升功率效率以及縮小板卡面積,是業界亟需積極解決的問題。對此,日月光投入於創新的封裝技術研發,透過把電感埋入具磁性材料的有機基板中,對於提高電源供應模組的整合度、縮減面積與損耗可得到明顯效益。

而在技術開發過程中,日月光利用Ansys的Maxwell、HFSS及Twin Builder分析軟體來進行建模、模擬與驗證工作。此研究成果,「在具創新磁性環氧樹脂材料的有機基板中埋入功率電感(Embedded Power Inductor in Organic Substrate with Novel Magnetic Epoxy)」,預計於今年5月在IEEE ECTC(電子元件及技術研討會)上正式發表。

因應異質整合趨勢,構思創新封裝技術

日月光集團研發中心微型化產品副總經理張欣晴博士表示,異質整合是現今半導體產業的重要趨勢,透過把不同材質、製程及元件整合在單一封裝內,能以更小尺寸實現更豐富的功能。但於此同時,由於異質元件越來越多,設計考量也日趨複雜。

以這次日月光開發的內埋式功率電感技術為例,它的概念是把高感值的磁性材料放到封裝中,用來縮小電源供應模組的尺寸,並因此能縮短與處理器間的距離,降低功率耗損。

「針對資料中心的主板設計,我們目前已經看到許多利用2.5D或3D封裝技術把處理器和記憶體整合在一起的方案。隨著此技術的成熟應用,為了進一步朝微型化發展,業界開始思索,還有哪些部分是可以進一步整合的,除了光通訊之外,就是電源供應了。」張欣晴解釋說。

「透過把電感、電容埋入基板,封裝表面留給電源IC或CPU等主動晶片,與現有的設計方式相比,能夠顯著縮小面積。更重要的是,由於能減少繞線損耗,可對節電永續帶來非常顯著的效益。」

開發此技術的主要挑戰在於,電感繞線是用基板走線的方式實現。由於資料中心48V電源供應所採用的是低頻、高感值的電感設計,與其他RF前端封裝模組採用的高頻、低電感值技術相比,困難度更高。

「我們過去曾建立如aEASI等內埋技術,因此具備了在基板內製作空腔的純熟技術,以此為基礎,這次試圖把磁性材料內埋到基板中,以探索更多的技術與應用可能性。」

張欣晴強調,站在封裝業者的立場,我們努力構思有哪些元件是可以整合到封裝之中,並為客戶帶來價值的。針對資料中心的主板設計,目前是採用48V到12V、3V、1V的多級降壓設計,若要達到從48V直接降壓到1V給晶片供電,不管在系統設計、晶片、元件都有許多需要優化的地方。而日月光將藉由此技術的開發,根據客戶需求,提供高度整合的客製化設計,以協助客戶達成設計目標。

多重物理模擬助力,確保設計結果品質

利用內埋磁性材料來實現高感值電感器,而不實際埋入電感元件,是一項創新技術。由於業界也都仍在摸索階段,因此在開發過程中,並沒有既有的設計規則可參考,材料選擇、製程條件也都尚未建立。

在研發的最初階段,利用模擬分析軟體來預測設計結果與量測效能,就是此時最佳的解決辦法。

張欣晴表示,「磁性元件、基板、導體的特性均不相同,而且在單一封裝中,除了電磁特性外,還需考慮結構等各種分析,需要採用多物理(multiphysics)分析,進行更完整的模擬與串聯。」

日月光與工程分析軟體業者Ansys已有長期的合作經驗,而此次是利用Maxwell、HFSS及Twin Builder分析軟體來進行開發工作。

「Ansys是多物理模擬分析的領先業者。利用模擬以及協同設計方式,無須耗費成本與時間來建立實體模型。我們的做法是,先利用軟體把各個建構模塊(building block)的特性找出來,再透過多物理分析把結果串聯起來,借此可大幅減少重新設計次數,縮短開發時程,效果非常顯著。」

除了針對產品效能的分析之外,利用Ansys軟體推算製程後的特性變化,也是新技術開發非常重要的一環。張欣晴解釋說,「針對我們選用的磁性材料,雖然材料商會提供導磁性等基本資料。但事實上,在經過不同的製程條件以及層壓、清洗等步驟後,材料特性一定會產生變異。我們會利用分析軟體,來推算驗證製程後的材料特性,才能把正確的資料提供給客戶進行後續的設計,這也是封裝業者的重要價值。」

他強調,在異質整合以及系統設計複雜度日益提升的趨勢下,利用多物理模擬分析軟體進行先進技術開發已是必須。日月光亦將持續強化與Ansys等業者的合作,建構更完善的系統設計與分析能力,開發創新封裝技術,以推動新一代多樣化應用的實現。

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