以下完整內(nèi)容發(fā)表在「SysPro電力電子技術(shù)」知識(shí)星球|SysPro備注：這篇我們聚焦于英飛凌S-Cell 功率芯片PCB封裝技術(shù)，把它背后的功率板邊界、PCB 工程約束、熱/電收益和技術(shù)經(jīng)濟(jì)賬做一次系統(tǒng)化拆解、盡可能講透。

核心目標(biāo)：把 S-cell、6 層 PCB、低寄生換流回路、半橋功率板組織方式、整開關(guān)熱耦合結(jié)果、系統(tǒng)輸出能力和導(dǎo)入門檻放回同一張系統(tǒng)地圖里，回答這條路線到底值不值得做、什么平臺(tái)該先做、什么平臺(tái)不能，如何判定是否可上車？

• 關(guān)于英飛凌 S-cell、SiC chip embedding、半橋功率板、低寄生電感與主逆變器導(dǎo)入策略的系統(tǒng)拆解
• 文字原創(chuàng)，素材來源：英飛凌
• 非授權(quán)不得轉(zhuǎn)載，或進(jìn)行散播
• 本篇為節(jié)選，完整內(nèi)容會(huì)在知識(shí)星球發(fā)布，詳細(xì)分布見目錄頁

導(dǎo)語

過去一段時(shí)間，我們已經(jīng)在知識(shí)星球里持續(xù)寫過不少與功率芯片嵌埋式 PCB 封裝技術(shù)相關(guān)的方案與系列解讀，包括板級(jí)功率集成、低寄生互連、功率器件與冷卻界面的重構(gòu)等。這些內(nèi)容把一個(gè)大的方向逐步鋪開了：當(dāng)功率密度、開關(guān)速度和系統(tǒng)集成繼續(xù)往前推時(shí)，傳統(tǒng)模塊邊界并不是永遠(yuǎn)不動(dòng)的。

今天，我們聚焦于英飛凌的S-Cell結(jié)構(gòu)的SiC 芯片嵌入式 PCB 方案。因?yàn)檫@套方案真正有價(jià)值的地方，不只是把 SiC 芯片埋進(jìn)板里，而是把原本分散在模塊、母排、驅(qū)動(dòng)接口、冷卻器和系統(tǒng)機(jī)械邊界里的若干問題，提前壓縮到一塊按系統(tǒng)任務(wù)定義的 power board 上來解決。

圖片來源：英飛凌 / S-cell 與嵌埋式 PCB 方案示意

這篇文章我們會(huì)分成三條主線展開：

第一條是結(jié)構(gòu)主線：S-cell 為什么不是裸芯片直接進(jìn)板，而是先變成一個(gè)可測(cè)試、可復(fù)用的標(biāo)準(zhǔn)單元？

第二條是性能主線：為什么單芯片熱阻不一定天然占優(yōu)，但一到整開關(guān)與熱耦合場(chǎng)景，結(jié)果反而開始逆轉(zhuǎn)？

第三條是系統(tǒng)主線：低寄生電感到底怎樣把 SiC 的高速開關(guān)能力真正兌換成輸出能力、輕載效率和平臺(tái)級(jí)設(shè)計(jì)自由度？

圖片來源：英飛凌

正篇文章的大致展開邏輯如下：

1）這篇文章開頭，我們先把設(shè)計(jì)邊界立住；

2）再看 S-cell 與 6 層 PCB 的結(jié)構(gòu)關(guān)系；

3）然后把熱、電、半橋功率板、系統(tǒng)輸出和技術(shù)經(jīng)濟(jì)賬一層層串起來。

下面，我們一起跟著這條主線，一起來聊聊：英飛凌S-Cell 功率芯片PCB封裝技術(shù)，是如何沿著對(duì)象定義 - PCB 工程 - 熱邊界 - 電邊界 - 系統(tǒng)輸出 - 技術(shù)經(jīng)濟(jì) - 平臺(tái)導(dǎo)入這條鏈路，實(shí)現(xiàn)主驅(qū)逆變器技術(shù)路線的？

目錄

01 為什么說這不是一次普通封裝升級(jí)

• 1.1 模塊邊界為什么會(huì)被改寫
• 1.2 為什么英飛凌這套方案值得單獨(dú)拎出來講

02 S-cell 與 6 層 PCB，真正要看哪三層關(guān)系★

• 2.1 單元、棧疊與冷卻接口為什么必須一起看
• 2.2 高壓隔離、厚銅、微孔與底部散熱其實(shí)是一套耦合設(shè)計(jì)

03 半橋功率板為什么會(huì)改寫開發(fā)組織方式★

04 熱設(shè)計(jì)為什么不能只看單顆芯片熱阻★

05 低寄生電感怎樣把 SiC 的速度變成系統(tǒng)收益★

06 系統(tǒng)輸出與輕載效率，到底兌現(xiàn)了什么★

07 技術(shù)經(jīng)濟(jì)賬該怎么算，賬面上真正貴的是什么★

08 什么平臺(tái)該先導(dǎo)入，什么平臺(tái)要先把驗(yàn)證打牢★

09 總結(jié)：這條路線真正值得重視的地方到底是什么★

注：以上完整內(nèi)容知識(shí)星球發(fā)布(點(diǎn)擊文末"閱讀原文"了解，★)

公開正文 01

01 為什么這不是一次普通封裝升級(jí)

1.1 功率模塊邊界的改寫

很多人第一次看到 chip embedding，會(huì)自然把它放到“先進(jìn)封裝”這個(gè)框里理解。這個(gè)入口當(dāng)然沒有錯(cuò)，但它很容易把后面真正關(guān)鍵的判斷都帶偏。因?yàn)檫@條路線如果只被理解成封裝升級(jí)，我們后面就會(huì)本能地去比較尺寸、熱阻和局部結(jié)構(gòu)，卻忽略了一件更本質(zhì)的事情：主逆變器里很多原本被默認(rèn)分開的對(duì)象，正在被重新組織到一塊 power board 上。

圖片來源：SysPro（示意）

換句話說，傳統(tǒng)主驅(qū)逆變器更多是“模塊 + 母排 + 驅(qū)動(dòng)板 + 冷卻器 + 機(jī)械支撐”幾個(gè)對(duì)象之間做協(xié)同；而在嵌埋式 PCB 路線里，器件、板級(jí)走線、局部直流鏈路、相點(diǎn)組織、冷卻界面和部分接口定義，會(huì)明顯更早地收斂。一旦對(duì)象的顆粒度變了，開發(fā)組織方式就會(huì)跟著變。這也是為什么我之前強(qiáng)調(diào)：這不是模塊替換件的思路，而是一次邊界重排。

圖片來源：SysPro（示意）

站在系統(tǒng)工程角度，這一章回答的是：我們到底在評(píng)審什么？

如果評(píng)審對(duì)象還是一個(gè)傳統(tǒng)模塊，那我們優(yōu)先問的是：模塊成熟不成熟？但如果評(píng)審對(duì)象已經(jīng)變成一塊面向系統(tǒng)任務(wù)定義的功率板，那我們首先要問的，就會(huì)變成：接口如何收斂、電熱路徑如何組織、以及驗(yàn)證邊界是否已經(jīng)重新定義？

所以，今天看這條路線，重點(diǎn)不是“有沒有把芯片埋進(jìn)去”，而是：有沒有借此把系統(tǒng)邊界收斂得更好。如果答案是肯定的，那它就不是一個(gè)局部?jī)?yōu)化，而是主逆變器對(duì)象定義方式正在變化的信號(hào)。

|SysPro備注：這里更適合帶著“邊界是不是被重寫了”去看，而不是只盯著封裝工藝四個(gè)字。如下面這張圖，是 "S-cell - 嵌埋式 PCB - 系統(tǒng)連接 - 冷卻界面"已經(jīng)被放到一條連續(xù)鏈路里。也就是說，它一開始就不是一個(gè)孤立元件，而是朝著系統(tǒng)對(duì)象在組織。圖片來源：英飛凌 / S-cell 與嵌埋式 PCB 方案示意

1.2為什么英飛凌這套方案值得單獨(dú)拎出來講

我們之前在知識(shí)星球持續(xù)寫過不少關(guān)于PCB 封裝方案，一直關(guān)注我們的讀者對(duì)這個(gè)方向并不陌生。今天，我不計(jì)劃把這個(gè)方向從頭介紹一遍，而是把鏡頭明確聚焦于：英飛凌基于 S-cell 的嵌埋式 PCB 路線上。

為什么值得單獨(dú)拎出來講？

因?yàn)檫@套方案：并不是裸芯片直接進(jìn)板，而是先把高壓 SiC 做成標(biāo)準(zhǔn)化、可測(cè)試、可復(fù)用的 S-cell；再進(jìn)一步地把標(biāo)準(zhǔn)單元、板級(jí)互連、底部散熱、半橋功率板與系統(tǒng)輸出能力串成了一條線。

一句話概括：它在裸芯片和系統(tǒng)功率板之間，主動(dòng)插入了一層更適合平臺(tái)化組織的中間顆粒度。

這一步的系統(tǒng)意義很大。因?yàn)橐坏?biāo)準(zhǔn)單元先成立，后面的并聯(lián)擴(kuò)展、板型復(fù)用、良率前移和驗(yàn)證分層就都有了抓手，這是一條真正具備系統(tǒng)工程全局思維的技術(shù)路線。

圖片來源：SysPro（示意）

公開正文 02

02 S-cell 與 6 層 PCB，真正要看哪三層關(guān)系

01中我們先把邊界問題先做了澄清。搞明白了問題是什么，后續(xù)我們才能從逆變器整個(gè)系統(tǒng)的視角，去看待這其中關(guān)于熱、電和系統(tǒng)收益的判斷。

英飛凌給出的這條路線真正重要的起點(diǎn)是：先把高壓 SiC 做成標(biāo)準(zhǔn)化、可測(cè)試的 S-cell，再由 PCB 工藝把這些單元組織成半橋功率板。

圖片來源：英飛凌

首先，從結(jié)構(gòu)上看：S-cell 是11 mm × 11 mm、厚約 1.27 mm的標(biāo)準(zhǔn)高壓?jiǎn)卧鴥?nèi)部對(duì)應(yīng)的是約5 mm × 5 mm的 SiC 芯片、厚銅頂部結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散焊等關(guān)鍵層。

上面我們也提過，這個(gè)動(dòng)作的工程意義在于：先做成標(biāo)準(zhǔn)單元，就意味著良率篩選、前置測(cè)試、后續(xù)復(fù)用和并聯(lián)擴(kuò)展，都不必等到整塊功率板做完才知道結(jié)果。

圖片來源：英飛凌 / S-cell 與 6 層 PCB 剖面示意

下面看板子。

從剖面示意能看出來，這種 6 層 PCB 不是普通邏輯板的思路，而是一種典型的功率板棧疊：1）頂部厚銅要為微孔和大電流路徑服務(wù)，2）中間絕緣層要承擔(dān)高壓隔離，3）底部銅和冷卻器之間的界面要承擔(dān)主熱流輸出。

圖片來源：SysPro（示意）

這里面，我們更應(yīng)該重點(diǎn)看三層關(guān)系：

第一層是單元層，也就是 S-cell 自身是否已經(jīng)把高壓?jiǎn)卧獦?biāo)準(zhǔn)化；

第二層是棧疊層，激光微孔、厚銅、絕緣層和底部銅板怎樣構(gòu)成安全可靠的主電流與主熱流通道；

第三層是接口層，也就是它如何與冷卻器、母排、門極驅(qū)動(dòng)和測(cè)溫點(diǎn)對(duì)接。

只有把這三層一起看，后面的熱和電結(jié)果才有意義。

SysPro備注：上面6 層 PCB 剖面示意圖，也能看出，SiC內(nèi)嵌PCB的封裝方案不是“板更復(fù)雜了”，而是“板本身已經(jīng)開始承擔(dān)封裝體的角色”。圖片來源：SysPro（示意）

2.1 單元、棧疊與冷卻接口為什么必須一起看

如果只看S-cell單元，我們能看到的是前置可測(cè)、可并聯(lián)、可復(fù)用；如果只看 PCB，我們能看到的是激光微孔、厚銅和絕緣層設(shè)計(jì)；但真正決定方案能不能成立的是：S-cell 與 PCB 棧疊、以及 PCB 與冷卻器接口能不能同時(shí)成立。

這背后的原因是兩點(diǎn)：

1）主熱流，最終不是停在板里，而是要盡快穿過底部界面進(jìn)入冷卻器；

2）主電流，也不是只在單元里閉合，而是要通過板內(nèi)結(jié)構(gòu)、母排連接和換流回路完成系統(tǒng)任務(wù)。

圖片來源：SysPro（示意）SysPro備注：以后再看類似路線時(shí)，一定要把“板級(jí)棧疊圖”和“系統(tǒng)接口圖”放在同一頁上看。只看其中任何一張，都會(huì)容易把真正決定成敗的那層關(guān)系漏掉

2.2 高壓隔離、厚銅、微孔與底部散熱其實(shí)是一套耦合設(shè)計(jì)

...

到這里為止，公開節(jié)選先把兩件事講清楚：

第一，這不是局部封裝升級(jí)，而是對(duì)象邊界被改寫;

第二，S-cell、6 層 PCB 與冷卻接口必須一起看。

后面的 03–08 章，我們會(huì)把熱、電、系統(tǒng)輸出、技術(shù)經(jīng)濟(jì)和平臺(tái)導(dǎo)入繼續(xù)展開。

圖片來源：英飛凌

以下內(nèi)容在知識(shí)星球中發(fā)布

完整版導(dǎo)航

后面的第 03–09 章，在知識(shí)星球完整版繼續(xù)展開

以上01~02章節(jié)為全文節(jié)選。后面的完整版，會(huì)繼續(xù)把半橋功率板組織方式、熱耦合結(jié)果、低寄生電感、系統(tǒng)輸出、技術(shù)經(jīng)濟(jì)賬與導(dǎo)入路徑層層展開。

• 03 半橋功率板為什么會(huì)改寫開發(fā)組織方式
• 04 熱設(shè)計(jì)為什么不能只看單顆芯片熱阻（熱邊界、熱耦合）
• 05 低寄生電感怎樣把 SiC 的速度變成系統(tǒng)收益
• 06 系統(tǒng)輸出能力與輕載效率，到底兌現(xiàn)了什么
• 07–09PCB封裝技術(shù)的經(jīng)濟(jì)賬、導(dǎo)入策略與結(jié)論建議

完整版章節(jié)概覽

公開節(jié)選｜主線

• 01 為什么說這不是一次普通封裝升級(jí)
• 02 S-cell 與 6 層 PCB，真正要看哪三層關(guān)系

03 半橋功率板為什么會(huì)改寫開發(fā)組織方式

• 3.1 六并聯(lián)意味著對(duì)象已經(jīng)按系統(tǒng)需求伸縮
• 3.2 接口內(nèi)生化之后，模塊、母排與驅(qū)動(dòng)板的邊界會(huì)怎樣變化

04 熱設(shè)計(jì)為什么不能只看單顆芯片熱阻

• 4.1 單顆不一定占優(yōu)，為什么整開關(guān)反而開始領(lǐng)先
• 4.2 真正需要盯住的是熱耦合，而不是孤立數(shù)字

05–06 低寄生電感、系統(tǒng)輸出與輕載效率

• 5.1/5.2 看 Rgon、Rgoff 與 Esw 怎么把器件速度變成系統(tǒng)收益
• 6.1/6.2 看輸出能力和輕載效率到底兌現(xiàn)了什么

07–08 技術(shù)經(jīng)濟(jì)賬與導(dǎo)入路徑

• 7.1/7.2 不能只看單板價(jià)格，還要把開發(fā)節(jié)拍、驗(yàn)證投入和組織成本算進(jìn)去
• 8.1/8.2 更適合優(yōu)先導(dǎo)入的平臺(tái)，以及更穩(wěn)妥的三層驗(yàn)證推進(jìn)方式

09 總結(jié)：這條路線真正值得重視的地方到底是什么

• 9.1/9.2 為什么這條路線最值得重視的，是重新獲得定義系統(tǒng)邊界的自由

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繼續(xù)查看第 03–09 章

這篇節(jié)選已經(jīng)把前兩章公開出來。后面的完整版，建議按“功率板對(duì)象 → 熱邊界 → 電邊界 → 輸出邊界 → 技術(shù)經(jīng)濟(jì) → 導(dǎo)入路徑”的順序繼續(xù)讀。

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優(yōu)先繼續(xù)閱讀第 03–10 章，重點(diǎn)看熱耦合、低寄生電感、系統(tǒng)輸出和導(dǎo)入策略章節(jié)。

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完整版繼續(xù)展開：半橋板、熱耦合、電性能、系統(tǒng)輸出、技術(shù)經(jīng)濟(jì)賬與導(dǎo)入策略。

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