日月光采用Ansys软件开发创新的内埋式功率电感技术

日月光利用Ansys分析软件进行内埋式功率电感技术研发之建模、模拟与验证工作。日月光半导体

AI高效能运算时代的来临，已对数据中心电源系统设计带来新的挑战，如何提升功率效率以及缩小板卡面积，是业界亟需积极解决的问题。对此，日月光投入于创新的封装技术研发，透过把电感埋入具磁性材料的有机基板中，对于提高电源供应模块的整合度、缩减面积与损耗可得到明显效益。

而在技术开发过程中，日月光利用Ansys的Maxwell、HFSS及Twin Builder分析软件来进行建模、模拟与验证工作。此研究成果，「在具创新磁性环氧树脂材料的有机基板中埋入功率电感(Embedded Power Inductor in Organic Substrate with Novel Magnetic Epoxy)」，预计于今年5月在IEEE ECTC(电子元件及技术研讨会)上正式发表。

因应异质整合趋势，构思创新封装技术

日月光集团研发中心微型化产品副总经理张欣晴博士表示，异质整合是现今半导体产业的重要趋势，透过把不同材质、制程及元件整合在单一封装内，能以更小尺寸实现更丰富的功能。但于此同时，由于异质元件越来越多，设计考量也日趋复杂。

以这次日月光开发的内埋式功率电感技术为例，它的概念是把高感值的磁性材料放到封装中，用来缩小电源供应模块的尺寸，并因此能缩短与处理器间的距离，降低功率耗损。

「针对数据中心的主板设计，我们目前已经看到许多利用2.5D或3D封装技术把处理器和存储器整合在一起的方案。随着此技术的成熟应用，为了进一步朝微型化发展，业界开始思索，还有哪些部分是可以进一步整合的，除了光通讯之外，就是电源供应了。」张欣晴解释说。

「透过把电感、电容埋入基板，封装表面留给电源IC或CPU等主动芯片，与现有的设计方式相比，能够显着缩小面积。更重要的是，由于能减少绕线损耗，可对节电永续带来非常显着的效益。」

开发此技术的主要挑战在于，电感绕线是用基板走线的方式实现。由于数据中心48V电源供应所采用的是低频、高感值的电感设计，与其他RF前端封装模块采用的高频、低电感值技术相比，困难度更高。

「我们过去曾建立如aEASI等内埋技术，因此具备了在基板内制作空腔的纯熟技术，以此为基础，这次试图把磁性材料内埋到基板中，以探索更多的技术与应用可能性。」

张欣晴强调，站在封装业者的立场，我们努力构思有哪些元件是可以整合到封装之中，并为客户带来价值的。针对数据中心的主板设计，目前是采用48V到12V、3V、1V的多级降压设计，若要达到从48V直接降压到1V给芯片供电，不管在系统设计、芯片、元件都有许多需要优化的地方。而日月光将藉由此技术的开发，根据客户需求，提供高度整合的定制化设计，以协助客户达成设计目标。

多重物理模拟助力，确保设计结果品质

利用内埋磁性材料来实现高感值电感器，而不实际埋入电感元件，是一项创新技术。由于业界也都仍在摸索阶段，因此在开发过程中，并没有既有的设计规则可参考，材料选择、制程条件也都尚未建立。

在研发的最初阶段，利用模拟分析软件来预测设计结果与量测效能，就是此时最佳的解决办法。

张欣晴表示，「磁性元件、基板、导体的特性均不相同，而且在单一封装中，除了电磁特性外，还需考虑结构等各种分析，需要采用多物理(multiphysics)分析，进行更完整的模拟与串联。」

日月光与工程分析软件业者Ansys已有长期的合作经验，而此次是利用Maxwell、HFSS及Twin Builder分析软件来进行开发工作。

「Ansys是多物理模拟分析的领先业者。利用模拟以及协同设计方式，无须耗费成本与时间来建立实体模型。我们的做法是，先利用软件把各个建构模块(building block)的特性找出来，再透过多物理分析把结果串联起来，借此可大幅减少重新设计次数，缩短开发时程，效果非常显着。」

除了针对产品效能的分析之外，利用Ansys软件推算制程后的特性变化，也是新技术开发非常重要的一环。张欣晴解释说，「针对我们选用的磁性材料，虽然材料商会提供导磁性等基本数据。但事实上，在经过不同的制程条件以及层压、清洗等步骤后，材料特性一定会产生变异。我们会利用分析软件，来推算验证制程后的材料特性，才能把正确的数据提供给客户进行后续的设计，这也是封装业者的重要价值。」

他强调，在异质整合以及系统设计复杂度日益提升的趋势下，利用多物理模拟分析软件进行先进技术开发已是必须。日月光亦将持续强化与Ansys等业者的合作，建构更完善的系统设计与分析能力，开发创新封装技术，以推动新一代多样化应用的实现。

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