安森美发布EPP功率半导体技术 硅晶圆封装 斯巴鲁评估

要点：

• 安森美发布以硅晶圆作为封装基板的新型功率半导体集成技术“EPP”（Embedded Power Platform，嵌入式功率平台）。
• 将异质裸片嵌入晶圆内，通过电气、热、机械设计的协同优化，实现最高3～5倍的功率密度。
• 面向AI基础设施、EV和工业领域，SUBARU（斯巴鲁）已开始评估其用于下一代EV的可能性。

安森美（onsemi）于9月16日（美国时间）发布新型功率半导体集成技术“嵌入式功率平台”（Embedded Power Platform，EPP），其特点是将硅晶圆本身用作封装基板。该技术在12英寸（300mm）硅晶圆内嵌入功率器件、栅极驱动器、控制器等异质半导体芯片，并通过晶圆级再布线层（RDL）连接。与过去电气、热、机械设计分别推进的方式不同，EPP从开发初期便进行协同设计，可根据应用实现最高3～5倍的功率密度。

目标市场包括AI数据中心、电动汽车（EV）、工业设备、快速充电器、储能系统（ESS）等。安森美已开始向战略客户和生态系统合作伙伴提供样品。在日本，SUBARU（斯巴鲁）表示将评估该技术用于未来电动车型动力系统的可能性。

图：使用安森美EPP制造的功率半导体模块。功率器件、栅极驱动器、控制器等嵌入硅晶圆内，通过晶圆级再布线层连接。（图片来源：安森美）

电力密度成为AI和电动化的新制约

在AI数据中心、EV和工业设备中，有限空间内需要转换和供应比以往更多的电力。

AI数据中心方面，GPU和AI加速器的运算性能与功耗增加，负责供电、转换和保护的设备开始占用基板与机架空间。即便能增加逻辑半导体，也就是以GPU为主的运算芯片数量，如果无法提供所需电力并处理产生的热量，系统整体运算密度仍难以提高。

EV方面，需要在提升续航和充电性能的同时，让牵引逆变器更小、更轻。随着将多种功能集中到电驱动桥（eAxle）周边的“X-in-1”方案推进，功率电子对更高功率密度的需求将进一步增强。

另一方面，一般功率系统开发中，电气、热、机械设计往往由不同负责人和工序分别优化。为提高电气性能而做的改动可能影响冷却结构和尺寸，各领域设计之间形成权衡，进而导致开发后期设计变更、成本增加和开发周期延长。

安森美认为，仅靠提升功率半导体单体性能，已难以解决此类系统级制约。因此，该公司没有把半导体与封装视为彼此分离的技术，而是开发了让封装本身积极贡献系统电气与热性能的EPP。

以硅晶圆作为封装

EPP的最大特征，是将硅晶圆本身用作封装基板。

图：EPP基本概念。异质半导体芯片嵌入硅内，通过晶圆级再布线层连接，并从开发初期就集成电气、机械、热要求进行设计。该结构具有可扩展性，可支持不同半导体材料和广泛功率水平。（图片来源：安森美）

普通功率模块通常将功率器件、栅极驱动器等安装在印刷基板上，再通过引线键合（wire bonding）或夹片键合（clip bonding）连接。EPP则是在硅晶圆内嵌入多个裸片，并用半导体制造工艺形成的RDL连接。

在晶圆上形成多个EPP后，再切割成所需大小并组装到功率模块中。按照设想，封装上表面会引出外部连接用电极和端子，下表面则连接到基板（base plate）或水冷用冷却套（cooling jacket）等结构进行散热。

EPP的尺寸并非固定，而是在12英寸晶圆范围内，根据所需输出和搭载的功率器件数量改变。处理较大功率的用途可增加功率器件数量和封装面积，处理较低功率的用途则可缩小构成。

图：在12英寸硅晶圆上形成的安森美EPP。可根据用途和输出改变功率器件数量与封装尺寸。（图片来源：安森美）

RDL降低寄生电感

功率器件高速开关时，布线中的寄生电感会产生浪涌电压和噪声。浪涌电压较大时，为防止器件损坏或误动作，必须抑制开关速度。

EPP将功率器件、栅极驱动器和控制器就近配置，并用短而精密形成的RDL连接。与采用引线键合等的传统结构相比，这种结构可缩短电气路径，从而降低寄生电感。

图：EPP截面结构与主要技术要素。以晶圆级再布线层替代引线键合，并将Si、SiC、GaN等功率器件与驱动器、控制器集成到硅基封装中，有助于降低寄生电感、提高散热性能并简化系统设计。（图片来源：安森美）

抑制寄生电感后，浪涌电压和噪声减少，功率器件也更容易稳定控制。若能提高开关速度和频率，不仅可以减少电力转换时的损耗，还可使周边电感、电容等元件小型化。

将栅极驱动器和控制器嵌入功率器件附近，还能把供电功能与控制功能集成到单一平台，简化外部连接和电路设计。

安森美未公开RDL层数、线宽与线距等细节，但电极采用表面露出以连接外部的结构。该技术不仅可嵌入功率器件和控制器，从技术上讲也可以嵌入被动元件。

利用封装全面散热

EPP追求高功率密度，热性能与电气性能同等重要。

功率模块小型化并提高功率密度后，发热会集中在有限面积内。如果无法充分散出半导体器件产生的热量，器件工作温度将上升，并可能影响性能、寿命和可靠性。

EPP利用硅基封装和覆盖封装全面的热传导结构，将功率器件产生的热量传递到下方冷却机构。它不仅依靠局部接合部，而是把大面积区域作为散热路径，从而降低热阻。

高电压绝缘层也形成在封装内部。利用半导体工艺形成薄绝缘结构，可减少对外部厚绝缘材料的依赖，在确保绝缘性的同时缩短热传递路径。

安森美还指出，利用晶圆厂使用的材料和制造工艺，更容易将材料特性反映到仿真模型中。通过数字孪生和多物理场仿真，从开发初期评估电气、热、机械特性，可减少试制次数和设计变更。据该公司介绍，根据应用不同，使用EPP有望将开发周期最短缩短至4个月。

图：EPP实现高功率密度化的思路。除硅基热传导结构、封装内部高电压绝缘、低寄生电感再布线层外，还利用数字孪生和多物理场分析，协同优化热、电、机械设计。（图片来源：安森美）

Si、SiC、GaN嵌入共通基板

EPP被设计为不固定内置功率半导体材料和种类的技术不可知平台。

该平台可按照用途和功率要求，组合硅MOSFET、IGBT，以及采用SiC、GaN的功率器件、栅极驱动器、控制器、绝缘功能等。安森美正在开发的垂直GaN，以及未来出现的新型功率半导体技术，也可纳入EPP。

EPP并不要求只使用单一半导体材料。例如，可将硅IGBT与SiC功率半导体组合成混合开关，在同一封装上使用不同器件。

通过改变功率器件种类和数量，EPP可在需要不同电压与输出的车辆上展开共通封装架构，覆盖混合动力车（HEV）到纯电动车（BEV）。这样无需为每个车型从零开发功率模块，而是通过改变内部构成来对应多车型和多功率等级，从而减少开发周期和认证成本。

安森美将EPP定位为不仅能容纳现有功率半导体的新容器，更是能在系统层面发挥功率器件性能、并适应半导体技术世代更替的共通平台。若将EPP用于EV牵引逆变器等场景，相比传统方式，有望实现最高4倍功率密度和低15%的电力损耗。

图：EPP设想的主要应用领域。在EV中支持小型、轻量、高效的牵引逆变器；在AI电源基础设施中，帮助机架和基板节省空间并提高热性能。该技术也设想用于快速充电器、储能系统、电网和工业自动化。（图片来源：安森美）

AI电力设备小型化、低温化

在AI基础设施中，随着单机架功耗增加，供电、转换和保护设备所占面积及发热成为课题。

如果电源设备占用过多基板和机架空间，可用于搭载GPU、加速器、内存等运算资源的空间就会减少。同时，冷却设备也会增加。因此，供电设备的小型化和热性能提升，直接影响AI系统的运算密度。

安森美试制的基于EPP的半导体断路器，与现有方式相比尺寸缩小约50%，动作温度降低约20%。通过缩短封装内部布线距离，并利用封装全面作为散热路径，抑制了基板占用面积和冷却负荷。

EPP不仅可用于半导体断路器，还设想在AI数据中心的“Grid-to-Core”场景中展开，也就是覆盖从电网到服务器机架、基板、AI处理器的各阶段电力转换和保护。

安森美认为，制约AI发展的因素不仅是运算性能，还在于能否在有限空间内高效供应所需电力。该公司计划将EPP作为AI基础设施供电架构的基础加以推广。

快充、ESS、工业自动化也有望展开

EPP的对象并不限于AI数据中心和EV。例如，EV快速充电器随着充电功率增加，要求电力转换电路具备更高效率和更小体积。太阳能发电逆变器和ESS中，则需要在可再生能源、蓄电池与电网之间双向转换大功率电力。

面向电网高度化而开发的固态变压器（SST）和半导体断路器也是目标应用。将传统机械式设备半导体化可实现高速控制，但处理功率和发热会增加，因此高功率密度封装技术至关重要。

在工业自动化和机器人领域，如果电机驱动电路和电源系统能够小型化，装置内空间便可转用于其他功能。安森美表示，EPP可通过改变内置半导体，扩展到广泛功率等级和用途。

SUBARU评估下一代EV适用性

安森美宣布，将SUBARU作为EPP战略技术合作伙伴之一展开协作。

SUBARU将早期获得安森美提供的EPP工程样品、仿真模型和相关专业技术，并评估其在未来电动车型架构中的应用可能性。

图：安森美与SUBARU的EPP战略技术合作概要。SUBARU获得工程样品、仿真模型和专业技术支持，评估效率提升、开发简化以及未来电动车型架构的适用性。（图片来源：安森美）

评估对象包括电力转换效率、热性能、封装自由度，以及车辆层面的性能优化、开发简化、系统成本降低和开发周期缩短等。

如果利用EPP提高功率密度并缩小功率模块，可能影响整车布局和冷却结构。SUBARU将结合以软件最大限度发挥硬件潜力的开发思想，探讨将其应用于未来车辆平台。

对安森美而言，从开发早期就与汽车厂商协调，有助于掌握EPP实际用于车载系统时的要求和课题，并反馈到平台改良中。

不过，SUBARU的评估并不意味着量产采用。具体搭载车型、量产时间以及其他评估企业均未公开。

从部件销售转向系统基础提供

EPP是安森美的一项举措：不仅单独销售其硅、SiC、GaN功率半导体，还向客户提供组合了驱动器、控制器、绝缘功能、封装和仿真的系统平台。

仅靠半导体微缩和器件单体性能提升，已难以实现AI和电动化所需的功率密度。安森美将部分封装工序引入半导体晶圆厂，把晶圆级制造精度和再现性扩展到功率系统，力图同时解决电气、热、机械方面的物理制约。

EPP计划在2026年内开始向汽车和AI相关领域的战略客户及生态系统合作伙伴提供样品。如果这些客户的评估推进并实际进入量产应用，功率模块可能从单纯控制半导体电力的部件，扩展为决定系统整体性能和架构的基础。