嵌入式 PCB 封裝是將器件整合到 PCB 的多層結(jié)構(gòu)中。更小的外形尺寸、允許堆疊無(wú)源和有源元件的 3D 封裝、減少寄生效應(yīng)以及改進(jìn)熱管理的優(yōu)勢(shì)推動(dòng)了這一發(fā)展。將元件嵌入基板組件內(nèi)的基本概念并不新鮮。它在低功耗或邏輯器件封裝中的應(yīng)用已達(dá)到高度成熟。MicroSIP？ 封裝（來(lái)自 Texas Instruments 和 AT&S）和來(lái)自 Infineon 的 BLADE？ 封裝是利用嵌入式 PCB 技術(shù)的大批量產(chǎn)品的示例。

　　圖 1 顯示了使用 IGBT 的 10 kW 逆變器的簡(jiǎn)化橫截面圖。在本工作中1，100 um 銅 （Cu） 箔形成可連接散熱器的基板。電絕緣但導(dǎo)熱 （4.8 W/mK） 預(yù)浸料層的層壓層填充了 400 um Cu 周?chē)拇怪焙退介g隙，該 Cu 充當(dāng)可以燒結(jié)芯片的引線(xiàn)框架。芯片頂部有一層厚 （10-12 μm） 銅層。與傳統(tǒng)的鋁 （Al） 頂部金屬相比，這是一個(gè)額外的工藝步驟。電鍍銅填充激光鉆孔。頂部的 Cu 走線(xiàn)用于創(chuàng)建頂部布線(xiàn)和觸點(diǎn)，并且可以放置電容器或控制器等其他組件，就像在常規(guī) PCB 上一樣。如圖 1 所示，厚銅軌和薄銅軌以及可變通孔尺寸的組合可用于優(yōu)化模塊性能。

　　更高的功率密度需要高效的散熱和傳輸。嵌入式方法的一個(gè)限制是用于 PCB 的傳統(tǒng) FR4 材料的導(dǎo)熱率較低 （~ 0.3 W/mK）。精心設(shè)計(jì)的通孔排列可以彌補(bǔ)這一點(diǎn)。銅層壓板和層的厚度起著關(guān)鍵作用。較厚的層可以承載更高的電流并更有效地散熱，但具有較高的橫向熱擴(kuò)散的限制，可能會(huì)影響相鄰的嵌入式芯片。

　　不同的熱膨脹系數(shù) （CTE） 會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力并導(dǎo)致故障。嵌入到 AlN（周?chē)秀~層）等陶瓷基板上可以提供與SiC更好的 CTE 匹配，同時(shí)還可以創(chuàng)建所需的隔離。使用對(duì)稱(chēng)構(gòu)建的層壓結(jié)構(gòu)（從上到下）也可以改善應(yīng)力，同時(shí)提供雙面冷卻的方法。

　　由于 WBG 實(shí)現(xiàn)了高開(kāi)關(guān)頻率和轉(zhuǎn)換速率，因此應(yīng)優(yōu)化布局以降低寄生電感。電源環(huán)路電感L PL（包括共源電感）是開(kāi)關(guān)損耗的主要因素；電壓過(guò)沖和傳導(dǎo)電磁干擾 （EMI）。屏蔽外部 DC Cu 層之間的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以降低輻射 EMI。

　　帶 WBG 的嵌入式 PCB 示例

　　GaN Systems 與 AT&S 共同開(kāi)發(fā)的GaNpx？ 封裝是低電感、小外形尺寸、低熱阻 （R THjc ） 封裝的一個(gè)示例，該封裝在 100V 和 650V 節(jié)點(diǎn)下使用 GaN 芯片，并可選擇頂部或底部冷卻。

　　三菱電機(jī)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)演示了基于 SiC 的開(kāi)關(guān)單元的 3D 集成組件2。在這項(xiàng)工作中，作者將兩個(gè)圖騰柱 SiC MOSFET 以對(duì)稱(chēng)排列方式合并在 PCB 內(nèi)。一個(gè)新穎的功能是使用模制在 PCB 繞組周?chē)牡蜏丨h(huán)氧樹(shù)脂集成平面輸出電感器。開(kāi)關(guān)附近還嵌入了柵極驅(qū)動(dòng)器。總共四個(gè)厚 （400 μm） 和四個(gè)薄 （35 μm） 銅層分別用于驅(qū)動(dòng)器的高電流/熱和細(xì)間距布線(xiàn)。與獨(dú)立的 TO247 封裝相比，嵌入式器件在導(dǎo)通電阻（R DSON）在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，表明電接觸和熱接觸得到改善。600V 和 30A 的開(kāi)關(guān)測(cè)試顯示，在 dV/dt 速率高達(dá) 58 kV/ns 時(shí)，過(guò)沖非常小，證實(shí)了 3D 集成的低寄生電感優(yōu)勢(shì)。

　　基于集成柵極驅(qū)動(dòng) 1200 V SiC MOSFET 的嵌入式 PCB 電源轉(zhuǎn)換器3由來(lái)自美國(guó)弗吉尼亞理工學(xué)院電力電子系統(tǒng)中心 （CPES） 以及奧地利州立大學(xué)和 AT&S 的協(xié)作團(tuán)隊(duì)構(gòu)建。AT&S 基于嵌入式元件封裝 （ECP ？ ）的 PCB 技術(shù)應(yīng)用于多種產(chǎn)品，包括智能手機(jī)和醫(yī)療設(shè)備。CPES 使用 AT&S 的嵌入式 PCB 封裝（對(duì)稱(chēng)排列的四個(gè)銅層）創(chuàng)建了基于半橋配置的降壓、升壓和 AC-DC 轉(zhuǎn)換器。熱阻測(cè)量顯示出出色的漏極側(cè)冷卻 R THjc0.17 千瓦/瓦。仿真預(yù)測(cè)功率環(huán)路電感僅為 2.3 nH。如圖 2 所示，準(zhǔn)方波 （QSW） 降壓 800V 至 400V、25A 轉(zhuǎn)換器以 250 kHz 開(kāi)關(guān)，其 V DS過(guò)沖比 TO-247 封裝低 5.6 倍。

　　圖 2：降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)波形比較 （a） 嵌入式 PCB 方法與 （b） 在 Vin = 800V、Vout = 400V 和 25A 峰值電感器電流下使用分立 TO-247 封裝的 1200 V SiC MOSFET（3）。

　　圖 2：降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)波形比較 （a） 嵌入式 PCB 方法與 （b） 在 Vin = 800V、Vout = 400V 和 25A 峰值電感器電流下使用 1200 V SiC MOSFET 的分立 TO-247 封裝（3）

　　英飛凌和 Schweizer Electronic AG 在 PCIM， 2023 會(huì)議上展示了 1200 V CoolSiC？ 嵌入式 PCB 技術(shù)。這是基于Schweizer 的創(chuàng)新p2PACK ？嵌入方法。SiC MOSFET 在易于嵌入的標(biāo)準(zhǔn)單元（S 單元）中進(jìn)行了全面測(cè)試，其中包括頂部銅金屬化。該方法已在 48V MOSFET 技術(shù)的量產(chǎn)中成功得到驗(yàn)證，性能提高了 35%。如圖 3 所示，在嵌入過(guò)程中，S 單元被放置到 PCB 層壓板內(nèi)的切口中。頂部和底部銅通孔連接和銅框架提供低 L PL和低熱阻。低熱阻抗對(duì)于防止過(guò)流事件等故障期間出現(xiàn)大的溫度過(guò)沖非常有幫助。

　　圖 3：顯示嵌入 Schweizer 嵌入式 PCB 封裝中的英飛凌 CoolSiC？ S 單元（英飛凌科技）。

　　現(xiàn)已提供 1200 V、11 mΩ CoolSiC？ Gen2p S 電池的工程樣品，以及半橋配置中的嵌入評(píng)估套件，無(wú)需器件并聯(lián)即可實(shí)現(xiàn) V IN 高達(dá)900V和 50 kW 的能力。低 L PL ≈ 2nH 可實(shí)現(xiàn)干凈、快速的開(kāi)關(guān)。圖 4 顯示了使用 1200V、14 mΩ 嵌入式 CoolSiC？ S-Cell 的評(píng)估板的初步開(kāi)關(guān)結(jié)果。導(dǎo)通期間的二極管過(guò)沖是指關(guān)斷狀態(tài) MOSFET 的體二極管。dV/dt 》90 V/ns 時(shí)的結(jié)果顯示過(guò)沖 《65 V。

　　圖 4：使用英飛凌 1200 V CoolSiC？ S-cell 封裝的芯片嵌入式評(píng)估板在 VDS = 800V 和 ID ≈ 100A 時(shí)的初步開(kāi)關(guān)結(jié)果（Infineon Technology）。

　　低電感封裝的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是短路事件期間可能出現(xiàn)大電流過(guò)沖。如圖 5 所示，英飛凌已經(jīng)驗(yàn)證了在 800V 時(shí) 《 1μs 的快速短路檢測(cè)速度，并使用各種 DESAT 電容器進(jìn)行了良好的控制。

　　圖 5：顯示了嵌入 Schweizer 嵌入式 PCB 封裝中的 Infineon 1200 V CoolSiC？ S-cell 在 VDS = 800V 和各種 DESAT 電容器的短路性能（Infineon Technology）。

　　通過(guò)這種方法改善開(kāi)關(guān)和散熱，電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器等汽車(chē)應(yīng)用可以受益于效率的提高。其他潛在優(yōu)勢(shì)包括更低的系統(tǒng)成本、輕松進(jìn)行板級(jí)設(shè)計(jì)更改的靈活性、空間有限的電動(dòng)汽車(chē)中更小的外形尺寸以及更容易與可擴(kuò)展 PCB 嵌入方法并行的器件。