2025年的限制如何成为2026年电子系统设计的蓝图？
当电子行业回顾 2025 年时，一个明显的转变已然显现 —— 行业正向高效化、微型化方向发展，而最关键的是，材料选择变得更为审慎。2025 年是电子行业发展的关键阶段，这一年诞生的系统能够满足数据中心、先进传感平台、电气化系统和下一代半导体封装日益严苛的需求。2025 年，电子行业不再一味追求原始性能，而是被迫在抱负与现实之间寻求平衡，兼顾可持续发展目标、高性能需求以及日益加剧的地缘政治压力。
人工智能驱动的数据中心和电气化进程导致功率密度不断攀升，激进的微型化设计和更高的集成度使得散热空间持续缩小，再加上地缘政治因素以及后摩尔时代设计依赖性所引发的材料供应限制，这些因素共同成为了汽车、工业和基础设施电子系统架构的关键设计参数。
“如今，性能提升日益受到以材料为核心的先进封装技术的推动，” 应用材料公司印度区半导体产品部门负责人苏拉吉・伦加拉詹（Suraj Rengarajan）表示。随着新一年的到来，这些因素为我们审视 2025 年电子行业的设计选择和创新成果提供了清晰的视角。此外，为了更直观地展现电气设计在基础层面的变革，应用材料公司印度区的苏拉吉补充道，系统级的功率、性能、面积和成本（PPAC）如今通过协同优化键合界面、低介电常数（low-k）电介质、重分布层刻蚀、阻挡层 / 种子层、铜填充、化学机械抛光（CMP）以及热界面来确定，同时将互连电阻和热通量视为主要设计变量。
在本文将要探讨的各个方面，我们将试图揭示行业新动态如何影响设计工程师的偏好，以支撑数据中心、汽车和工业应用等领域的创新与应用发展。
随着电气化浪潮迅速蔓延，功率效能（而非功率容量）已成为首要限制因素。各行业需求的增长不仅大幅提升了能源消耗，同时也收紧了散热和可持续性方面的限制。这一认知使得电力电子领域成为电气设计工程师核心的架构考量因素。在这种情况下，行业开始着力大幅提高单位面积的功率处理能力 —— 即功率密度。
人工智能工作负载使得处理器电流从几百安培飙升至一千多安培，而电路板或封装尺寸却几乎没有变化，因此，功率效能成为维持计算能力提升的唯一可行路径。
这一趋势促使工程师们将注意力集中在电力电子更基础、更本质的效能层面，并在电子设计的各个环节追求效能优化。为了适应这一新动态，行业开始转向宽禁带（WBG）技术，包括碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。这些技术有助于工程师在遵守更严格的散热和封装限制的同时，减少开关损耗、导通损耗以及单位面积的发热量，同时还能显著提升电子产品的系统级效能。
随着功率密度的提高，散热变得愈发困难，形成了一个自我强化的循环：为了维持散热空间，就必须追求更高的效能，而非单纯提升性能。
在数据中心，不断提升的计算密度推动了对紧凑型、高效能电源解决方案的需求。氮化镓基电源供应器正逐渐获得市场认可，它能够提高效能、实现更高的开关频率、缩小无源元件尺寸并降低散热需求。在部分架构中，氮化镓还支持简化的单级功率转换，减少损耗和物料清单复杂度，同时支持在靠近负载端提供更高电压。
“在人工智能工作负载下，处理器电流已从几百安培增至一千多安培，而物理尺寸基本保持不变。这从根本上推动功率密度和效能成为系统设计的核心，” 班加罗尔印度科学研究所（IISC Bangalore）副教授考希克・巴苏（Dr Kaushik Basu）表示。
尽管功率效能的提升推动了功率密度的提高，但在绝对功率水平不断上升以及热源在更小尺寸内密集排列的双重驱动下，整体发热量仍在持续增加。在这种情况下，热量产生的速度超过了其扩散和消散的速度，导致温度梯度急剧增大，给材料、互连结构和界面带来了更大的压力。与此同时，随着电子产品向更微型化、高效化和高可靠性设计方向发展，日益先进的散热解决方案所伴随的成本、复杂度和可靠性风险也变得越来越难以承受。
“随着功率密度的提高，散热难度会不断增加。这就是为什么效能不再是可选项 —— 根本没有多余的散热空间来容纳损耗，” 巴苏博士说。到 2025 年，行业已明确认识到：散热复杂度无法无限提升以抵消不断增长的功率密度。这标志着设计理念的根本性转变，散热从下游的机械考量因素转变为设计初期就需要解决的核心架构限制。“设计师们正日益将材料视为首要设计参数。对于先进工艺节点而言，器件物理本质上就是材料物理，” 应用材料公司印度区的苏拉吉表示。
2.5D 和 3D 封装等先进封装方案的日益普及，既受到电气限制的驱动，也受到热限制的推动。随着电流增大，长距离供电路径由于导通损耗和局部发热问题变得越来越不可行。先进封装成为应对热应力的第一道防线，在保护硅器件的同时，支持更高水平的集成和系统效能。特别是在垂直堆叠的 3D 架构中，多个芯片通过硅通孔（TSVs）互连，由于散热路径有限且易形成局部热点，热挑战尤为严峻。
在这类结构中，传统的风冷、液冷方案或日益复杂的散热硬件往往被证明是不足、昂贵或不切实际的 —— 尤其是在对可靠性和使用寿命有严格要求的汽车、工业和基础设施应用中。尽管先进封装缩短了互连路径并降低了电阻损耗，但它也将发热量集中在更小的空间内，使得热限制更为突出，而非彻底消除。“如今，团队会在材料层面，结合逻辑和布局，协同模拟可变性、可靠性、电迁移、偏压温度不稳定性和时间相关介质击穿等问题，” 苏拉吉说。因此，热感知系统架构和封装设计已成为维持性能和可靠性不可或缺的环节。
“2.5D 和 3D 集成等先进封装方案在很大程度上是为了通过将功率转换环节靠近负载，最大限度地缩短电流路径并减少导通损耗。然而，这些方案并未消除热挑战，反而使其更为凸显，” 巴苏博士表示。最终，为了帮助工程师准确预测和管理发热量与散热过程（这对于防止元件故障、优化性能和确保安全至关重要），热建模和协同仿真已成为现代电子设计不可或缺的组成部分。
2025 年，电子领域中的材料不再是被动的技术规格，而是从一开始就成为塑造系统架构的硬性设计限制因素。持续脆弱的供应链、地缘政治不确定性、日益严格的环境法规，以及人工智能、高性能计算和电气化带来的不断增长的需求，这些因素共同迫使设计师将材料选择视为影响性能、可靠性和可制造性的主要限制因素。
2025 年年中，人工智能、高性能计算和电气化平台的激增给电子系统带来了前所未有的热应力和电应力。能够承受高功率密度、高温和长使用寿命的材料成为关键设计限制，影响着器件选择、电源架构和封装方案。随着先进工艺节点和 2.5D/3D 集成将微型化推向极限，热导率、机械强度和互连可靠性成为核心关注点。
到 2025 年末，法规压力进一步重塑了材料决策。更严格的可持续发展和环境合规要求（包括对《关于限制在电子电气设备中使用某些有害成分的指令》（RoHS）和《关于化学品注册、评估、授权和限制的法规》（REACH）等标准的严格执行），使得无铅、可回收和低排放材料从优先选择转变为强制性设计要求。尽管先进材料和人工智能驱动的材料信息学领域的突破提供了新的优化路径，但这也要求系统设计师具备更深入的材料知识。
“我们正逐渐意识到，仅靠巧妙的系统级设计已不足以应对当前的挑战。解决如今的功率和热问题，越来越需要在材料和器件层面进行改进，” 巴苏博士表示。
这些因素共同作用，使得 2025 年成为材料可用性、合规性和物理特性相互融合的一年，重新定义了电子设计在实际应用中的可行性边界。材料选择不再是下游的优化环节，而是成为决定效能、可扩展性和长期系统可用性的基础性变量。
功率密度、热限制和材料不再是相互独立的设计考量因素；在高性能系统中，每一项因素都定义着其他因素的运行边界。“未来几年，热管理和功率密度仍将是最严峻的挑战，而材料层面的改进尽管至关重要，但需要更长时间才能走向成熟，” 巴苏博士说。
2025 年带来的核心启示在于 电子系统设计 理念和工程方法的集体转变。随着功率效能取代原始性能、热限制取代激进散热方案、材料从被动支撑者转变为主动限制因素，电子设计进入了一个不再由抱负主导、而是更多受物理规律和系统现实约束的时代。“效能优化正从材料层面逐步向上推进，互连结构、电介质、电源供应、散热和封装被视为一个相互关联的系统，” 应用材料公司印度区的苏拉吉表示。
在数据中心、汽车平台和工业系统等各个领域，工程师们面临着热量、材料和长期可靠性的硬性限制，因此性能不再是需要最大化的目标，而是需要平衡的要素。电力电子成为系统架构的核心，封装成为关键的热优化和电优化层面，材料选择在架构设计阶段就开始影响整体方案。在这些限制下，创新并未放缓，反而变得更具规范性、集成性和系统意识。
展望未来，2025 年的启示清晰可见：未来属于那些并非在纸面上追求峰值性能，而是深刻理解效能、热现实和材料限制并以此为基础进行设计的系统 ——2025 年也因此成为 “在限制中设计” 真正成为工程优势的一年。在一个长期以来以持续规模化扩张为标志的行业中，2025 年将被铭记为 “在限制中设计” 成为终极工程优势的一年。