嵌入式PCB封装介绍

嵌入式 PCB 封装包括将器件整合到 PCB 的多层结构中。更小的外形尺寸、允许堆叠无源和有源元件的 3D 封装、更少的寄生效应和更好的热管理等优势推动了这一发展。将元件嵌入基板组件中的基本概念并不新鲜。

它在低功耗或逻辑器件封装中的应用已经达到了很高的成熟度。MicroSIP™ 封装（来自德州仪器和 AT&S）和英飞凌的 BLADE™ 封装是利用嵌入式 PCB 技术的大批量产品的例子。

图 1 显示了使用 IGBT 的 10kW 逆变器的简化横截面图。在本研究1中，100 微米铜 (Cu) 箔形成可连接散热器的底板。

层压电绝缘但导热性 (4.8 W/mK) 的预浸料层填充了 400 微米铜周围的垂直和水平间隙，铜充当引线框架，可在其上烧结连接芯片。芯片顶部有一层厚 (10-12 μm) 的铜层。

这是在传统铝 (Al) 顶部金属上所需的额外工艺步骤。用铜电镀填充激光钻孔。顶部的铜轨用于创建顶部布线和触点，并且可以放置其他组件（例如电容器或控制器），就像在常规 PCB 上一样。

如图 1 所示，可以使用厚铜轨和薄铜轨的组合以及可变的通孔尺寸来优化模块性能。

图 1：10 kW 嵌入式 PCB 逆变器横截面（来源：1）

PCB 嵌入式 WBG 器件

电力电子设备（尤其是WBG设备）的PCB嵌入带来了一些独特的挑战：

• 更高的功率密度需要高效的散热和传输。嵌入式方法的一个限制是用于 PCB 的传统 FR4 材料的低热导率（~ 0.3 W/mK）。精心设计的通孔布置可以弥补这一点。铜层压板和层的厚度起着关键作用。较厚的层可以承载更高的电流并更有效地散热，但横向热扩散较高，可能会影响相邻的嵌入式芯片。
• 
  
• 不同的热膨胀系数 (CTE) 会产生应力并导致故障。嵌入 AlN 等陶瓷基板（周围有 Cu 层）可以提供与SiC更好的 CTE 匹配，同时还能实现所需的隔离。使用对称的层压结构（从上到下）也可以改善应力，同时提供双面冷却的方法。
• 
  
• 由于 WBG 可实现高开关频率和转换速率，因此应优化布局以降低寄生电感。电源环路电感 L PL（包括共源电感）是开关损耗、电压过冲和传导电磁干扰 (EMI) 的主要因素。屏蔽外部 DC Cu 层之间的开关节点可以减少辐射 EMI。

带有 WBG 的嵌入式 PCB 示例

GaN Systems 与 AT&S 共同开发的GaNpx® 封装是一个低电感、小尺寸、低热阻 (R THjc ) 封装的示例，该封装使用 100V 和 650V 节点的 GaN 芯片，并可选择顶部或底部冷却。

三菱电机2的一个研究小组展示了一种基于 SiC 的开关单元的 3-D 集成组装。在这项工作中，作者将两个图腾柱 SiC MOSFET 以对称排列的方式纳入 PCB 中。一个新颖的特点是集成了平面输出电感器，使用低温环氧树脂封装在 PCB 绕组周围。

栅极驱动器也嵌入在开关附近。总共有四层厚 (400 μm) 和四层薄 (35 μm) Cu 层，分别用于驱动器的高电流/热量和细间距布线。与独立的 TO247 封装相比，嵌入式器件在整个温度范围内的导通电阻 (R DSON ) 方面表现出优异的性能，表明电气和热接触得到改善。在 600V 和 30A 下的开关测试显示在高达 58 kV/ns 的 dV/dt 速率下过冲非常小，证实了 3D 集成的低寄生电感优势。

集成栅极驱动 1200 V SiC MOSFET 嵌入式 PCB 电源转换器3由美国弗吉尼亚理工学院电力电子系统中心 (CPES) 和奥地利 AT&S 州立大学的合作团队开发。AT &S 基于嵌入式组件封装 (ECP ® )的 PCB 技术用于智能手机和医疗设备等各种产品。

CPES 使用 AT&S 的嵌入式 PCB 封装（四层铜层对称排列）基于半桥配置创建了降压、升压和 AC-DC 转换器。热阻测量显示漏极侧冷却 R THjc为 0.17 K/W，性能优异。模拟预测功率环路电感仅为 2.3 nH。如图 2 所示，准方波 (QSW) 降压 800V 至 400V、25A 转换器在 250 kHz 开关时，V DS过冲比 TO-247 封装的低 5.6 倍。

图 2：降压转换器开关波形比较（a）嵌入式 PCB 方法与（b）使用分立 TO-247 封装的 1200 V SiC MOSFET，Vin = 800V、Vout = 400V 和 25A 峰值电感电流（来源：3）

英飞凌和 Schweizer Electronic AG 在 PCIM, 2023 会议上展示了 1200 V CoolSiC™ 嵌入式 PCB 技术。这是基于 Schweizer 创新的p2PACK ®嵌入方法。

SiC MOSFET 在易于嵌入的标准单元 (S-cell) 中经过全面测试，该单元包括顶部 Cu 金属化。该方法已在 48V MOSFET 技术的批量生产中得到成功验证，性能提高了 35%。

如图 3 所示，在嵌入过程中，S-cell 被放置在 PCB 层压板内的切口中。顶部和底部 Cu 通孔连接和 Cu 框架提供低 L PL和低热阻抗。低热阻抗对于防止过流事件等故障期间出现大的温度过冲非常有帮助。

图 3：展示嵌入 Schweizer 嵌入式 PCB 封装的英飞凌 CoolSiC™ S 电池（来源：英飞凌科技）

1200 V、11 mΩ CoolSiC™ Gen2p S 电池的工程样品现已上市，同时还提供半桥配置的嵌入式评估套件，用于 V IN高达 900V 和 50 kW 容量，无需并联设备。低 L PL ≈ 2nH 可实现干净、快速的切换。

图 4 显示了使用 1200V、14 mΩ 嵌入式 CoolSiC™ S 电池的评估板的初步切换结果。开启期间的二极管过冲是指关断状态 MOSFET 的体二极管。dV/dt >90 V/ns 的结果显示过冲 <65 V。

图 4：采用英飞凌 1200 V CoolSiC™ S-cell 封装的芯片嵌入式评估板上的初步开关结果（VDS = 800V 和 ID ≈ 100A）（来源：英飞凌科技）

低电感封装的一个关键问题是短路事件期间可能出现较大的电流过冲。如图 5 所示，英飞凌已验证了在 800V 下小于 1μs 的快速短路检测，并使用各种 DESAT 电容器实现了良好的控制。

图 5：显示嵌入 Schweizer 嵌入式 PCB 封装的英飞凌 1200 V CoolSiC™ S 电池在 VDS = 800V 和各种 DESAT 电容器时的短路性能（来源：英飞凌科技）

电动汽车牵引逆变器等汽车应用可受益于这种方法带来的效率提升，因为这种方法可以改善开关和散热。其他潜在优势包括降低系统成本、轻松进行板级设计更改的灵活性、在空间受限的电动汽车中实现更小的外形尺寸以及通过可扩展的 PCB 嵌入方法更轻松地实现设备并联。

参考

1 T. Löher、S. Karaszkiewicz、L. Böttcher、A. Ostmann，“通过 PCB 嵌入技术实现的紧凑型电力电子模块”，2016 IEEE CPMT 研讨会。2
R. Mrad、J. Morand、R. Perrin、S. Mollov，“用于高功率密度转换器的 PCB 封装和 3D 组装”，2109 IEEE 国际集成功率封装研讨会 (IWIPP)。3
J. Knoll、G. Son、C. DiMarino、Q. Li、H. Stahr 和 M. Morianz，“用于 22 kW AC-DC 转换器的 PCB 嵌入 1.2 kV SiC MOSFET 半桥封装”，IEEE 电力电子学报，2022 年。

来源： 碳化硅芯观察

*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。