PCB嵌入式功率芯片封裝，從48V到1200V

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）去年我們?cè)鴪?bào)道過(guò)緯湃科技的PCB嵌入功率芯片方案，這種方案能夠提供極佳的電氣性能，包括高壓絕緣性能、散熱性能、過(guò)電流能力等，都要比傳統(tǒng)封裝的功率模塊更好。

而最近我們也發(fā)現(xiàn)Schweizer在更早前其實(shí)就已經(jīng)推出了名為P2的封裝方案，這個(gè)方案同樣是將功率半導(dǎo)體嵌入PCB中。他們?cè)?023年開(kāi)始與英飛凌合作開(kāi)發(fā)，將英飛凌1200V CoolSiC芯片嵌入到PCB中的技術(shù)，并應(yīng)用到電動(dòng)汽車上。

P2封裝的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用

根據(jù)Schweizer的介紹，P2不僅僅是一種新封裝方法，其作用是能根據(jù)完全不同的原理來(lái)研發(fā)電力電子系統(tǒng)。利用智能p2封裝技術(shù)研發(fā)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)高功率、緊湊結(jié)構(gòu)型式和高集成深度。系統(tǒng)供應(yīng)商的制造鏈以及系統(tǒng)中的構(gòu)建和連接技術(shù)都明顯得以簡(jiǎn)化。此外，從系統(tǒng)層面也開(kāi)始有了節(jié)省成本的潛力。

p2封裝結(jié)構(gòu)圖，來(lái)源：Schweizer

傳統(tǒng)的封裝方案，以功率模塊為例，目前在電動(dòng)汽車主驅(qū)逆變器上的功率模塊，基本上是注塑式或是框架式封裝。由于功率芯片在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此大多數(shù)都使用高導(dǎo)熱和電氣絕緣的基板，將功率芯片焊接在基板上，比如覆銅陶瓷基板等，以實(shí)現(xiàn)良好的芯片散熱。

這種基于陶瓷基板的功率模塊，其中的芯片只能通過(guò)陶瓷表面覆銅進(jìn)行單層布線，并采用架空鍵合線等方式實(shí)現(xiàn)電路連接，這種連接方式使得電氣性能和散熱受到了很大的限制，特別是降低換流回路和柵極控制回路的雜感和芯片間的熱耦合方面。

而p2封裝的優(yōu)勢(shì)，包括其采用的引線框架能夠?qū)崿F(xiàn)出色的散熱，明顯降低系統(tǒng)熱阻，同時(shí)還能提高產(chǎn)品的堅(jiān)固性和使用壽命。另外，因?yàn)楣β市酒度牒螅瑳](méi)有了鍵合線相關(guān)的額封裝電阻，所以整體導(dǎo)通電阻會(huì)得到降低；系統(tǒng)中寄生電感更小，開(kāi)關(guān)損耗更低；封裝形式提供了更高的功率密度。

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，采用嵌入PCB封裝，減少了一些無(wú)源器件、連接器等，能夠大幅簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈和制造流程，伴隨著散熱性能的提高，能夠有效降低系統(tǒng)的成本。

p2封裝主要應(yīng)用于直流和交流系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換，包括汽車48V系統(tǒng)中，由于支持低電感開(kāi)關(guān)的特性，可以在p2封裝中使用80V的MOSFET。除了功率芯片，p2封裝還可以嵌入高精度的電流測(cè)量等傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的相位電流測(cè)定。

不過(guò)目前官網(wǎng)上還未展示出1200V CoolSiC嵌入的技術(shù)方案和細(xì)節(jié)，這項(xiàng)技術(shù)在2023年的PCIM歐洲展上已經(jīng)有展出。

PCB嵌入封裝在電動(dòng)汽車主驅(qū)上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

PCB嵌入的功率器件封裝，在性能上的優(yōu)勢(shì)可以延續(xù)到電動(dòng)汽車主驅(qū)逆變器等高壓應(yīng)用。此前緯湃科技表示，PCB使用的絕緣材料可以滿足400V至1000V高壓絕緣的要求，且在通過(guò)電流的能力上，使用PCB嵌入式功率模塊，單位通流能力相比傳統(tǒng)封裝的功率模塊要提升約40%。這也意味著在同樣的電流輸出情況下，功率芯片使用量可以減少三分之一；在相同功率輸出需求的應(yīng)用中，功率模塊物料成本能夠降低20%。

在電動(dòng)汽車關(guān)鍵的能耗方面，PCB嵌入式封裝帶來(lái)的低熱阻，低導(dǎo)通電阻、低開(kāi)關(guān)損耗，也能為主驅(qū)逆變器帶來(lái)更高的效率。根據(jù)緯湃的數(shù)據(jù)，在800V逆變器中采用PCB嵌入封裝SiC模塊，相比傳統(tǒng)的框架式封裝SiC模塊，逆變器的WLTC循環(huán)損耗可以減少60%。

小結(jié)：

顯然，PCB嵌入式封裝對(duì)于各種應(yīng)用都能夠帶來(lái)多方面的好處，包括散熱、效率、成本等。但對(duì)于汽車應(yīng)用來(lái)說(shuō)，新型封裝還需要進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證，比如在工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，再逐步推廣至汽車領(lǐng)域。