新型封裝令功率器件嵌入PCB中

電子發(fā)燒友網報道（文/梁浩斌）前段時間在村田的媒體交流會上，我們了解到了村田推出的一種“埋容”方案。以往的電容都需要貼片到主板或者芯片基板上，而村田推出了一種創(chuàng)新方案，將電容集成到PCB內部，無須與傳統(tǒng)封裝一樣占據PCB表面空間，村田稱之為Integrated Package Solution（內置埋容解決方案）。

內置埋容采用了疊層工藝，實際上也是與貼片電容一樣，是由不同層和不同材料組合的產品。而其中一個特點是通孔，可以直接連接埋容的頂部和底部電極，埋容電容內部有許多通孔結構，這樣的結構可以實現垂直供電，縮短封裝內供電距離，從而降低損耗。

實際上，除了電容之外，功率器件也有嵌入到PCB內的封裝。

功率器件嵌入到PCB有什么好處

以功率模塊為例，目前在電動汽車主驅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會產生大量的熱量，因此大多數都使用高導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，以實現良好的芯片散熱。

這種基于陶瓷基板的功率模塊，其中的芯片只能通過陶瓷表面覆銅進行單層布線，并采用架空鍵合線等方式實現電路連接，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。

緯湃科技此前在一場研討會上表示，在電氣性能方面，PCB具有天然的優(yōu)勢，比如可以進行多層布線，通過控制線間距及層間距減少EMC的影響；PCB使用的絕緣材料可以滿足400V至1000V高壓絕緣的要求；埋入PCB的電子器件可以通過高散熱材料和合理的散熱層設計達到優(yōu)秀的散熱性能。因此PCB嵌入功率芯片的技術用于功率模塊封裝具有極大的性能潛力。

根據緯湃的技術評估數據，首先在通過電流的能力上，傳統(tǒng)封裝的功率模塊大概是每29平方毫米芯片101A，而PCB嵌入式功率模塊中每29平方毫米芯片是142A，單位通流能力提升約40%，這也意味著相同電流輸出的情況下，功率芯片用量可以減少三分之一。在相同的功率輸出要求下，功率模塊的物料成本可以降低20%。

具體到逆變器的應用中，以800V逆變器、采用SiC功率芯片為例，逆變器采用嵌入式封裝SiC模塊后，相比采用框架式封裝的SiC模塊，逆變器的WLTC循環(huán)損耗減少60%，同時還能降低逆變器尺寸。

對于主驅逆變器，一個比較重要的指標是可靠性和使用壽命，緯湃科技目前已經開發(fā)了基于400V和800V系統(tǒng)采用PCB嵌入式封裝的SiC模塊樣品，而對樣品進行的AQG324關鍵可靠性驗證中顯示，PCB嵌入式封裝的設計壽命可達傳統(tǒng)封裝的數倍。其中800V的SiC模塊樣品中，每個功率開關使用了8顆面積為20平方毫米的功率芯片，半橋PCB尺寸為70mm×40mm，模塊雜散電感1nH以下，壓擺率超過每微秒25kV，單相輸出電流峰值有效值達到850A。

PCB嵌入式封裝的實現方式

要將功率器件嵌入到PCB內，對PCB的材料和制造工藝也提出了更高的要求，比如需要PCB材料需要具備良好的熱導性，能夠承受高電壓和大電流，同時具有低電阻和低寄生電感特性，以減少功率損耗；PCB材料還必須具有良好的絕緣性能，以確保器件之間的電氣隔離，防止短路和擊穿等。因此也需要PCB廠商的密切配合才能實現大規(guī)模量產的PCB嵌入式封裝功率器件。

深南電路封裝專利示意圖 來源：專利之星CN 118173455 A

今年2月，深南電路申請了一項名為“一種功率芯片埋入式的封裝基板及封裝方法”的專利，并在6月公開。如上圖所示，1是裸芯片、2是剛性襯底、3是第一芯板、4是絕緣層、5是第一外連金屬層、6是金屬層表面盲孔、7是連接柱、8是第一內連金屬層。

在這份專利中描述了這種封裝的步驟：首先獲取第一芯板，在第一芯板上開設沿厚度方向貫穿的通槽；將裸芯片固定在剛性襯底上；將裸芯片和剛性襯底整體嵌入到第一芯板的通槽中；在第一芯板上壓合絕緣層，絕緣層覆蓋通槽內的裸芯片；在絕緣層上形成第一外連金屬層；從第一外連金屬層的表面加工多個盲孔，盲孔實現裸芯片和剛性襯底與所述第一外連金屬層三維垂直互聯(lián)，使得裸芯片直接通過盲孔扇出信號，減小信號傳輸路徑，降低傳輸損耗。裸芯片封裝在第一芯板內，為第一芯板表面釋放空間，能夠貼裝更多電子元器件，減小封裝體的占用空間。

來源：樊嘉杰，錢弈晨. 一種高可靠性的嵌入式SiC功率器件封裝設計方法

除了嵌入PCB之外，2022年的時候，中科院微電子所侯峰澤副研究員和復旦大學樊嘉杰青年研究員也提出了一種基于基板埋入技術的新型SiC功率模塊封裝及可靠性優(yōu)化設計方法：采用新型光敏成型介質（PID），通過光刻工藝制備SiC MOSFET功率器件電極上的互連盲孔；基于板級物理氣相沉積（PLPVD）技術批量更改SiC MOSFET等功率器件電極上的金屬；通過雙面再布線層（DSRDL）工藝替代功率器件的傳統(tǒng)鍵合技術。

最終效果從上圖b可以看到，基板埋入封裝體積遠遠小于TO-247封裝的分立器件。


小結：

功率器件采用PCB嵌入式封裝后，電路布局設計相對于傳統(tǒng)封裝更加靈活，能夠極大提高開發(fā)效率。同時也能大幅縮小整體系統(tǒng)體積，比如在逆變器中的應用，同樣輸出功率需求下，降低功率芯片用量，為系統(tǒng)帶來整體的成本效益。還有另一個好處是，一些高級電路拓撲，如三電平、IGBT/SiC MOSFET混并等方案，由于結構較為復雜、采用元器件數量較多，傳統(tǒng)封裝在電動汽車逆變器領域還應用較少，但未來通過更靈活的PCB嵌入式封裝，可能會推動這些拓撲在主驅逆變器領域的應用落地。