PCB嵌入式功率芯片封装，从48V到1200V

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）去年我们曾报道过纬湃科技的PCB嵌入功率芯片方案，这种方案能够提供极佳的电气性能，包括高压绝缘性能、散热性能、过电流能力等，都要比传统封装的功率模块更好。
 
而最近我们也发现Schweizer在更早前其实就已经推出了名为P²的封装方案，这个方案同样是将功率半导体嵌入PCB中。他们在2023年开始与英飞凌合作开发，将英飞凌1200V CoolSiC芯片嵌入到PCB中的技术，并应用到电动汽车上。
 
P²封装的优势和应用
 
根据Schweizer的介绍，P²不仅仅是一种新封装方法，其作用是能根据完全不同的原理来研发电力电子系统。利用智能p²封装技术研发的应用可实现高功率、紧凑结构型式和高集成深度。系统供应商的制造链以及系统中的构建和连接技术都明显得以简化。此外，从系统层面也开始有了节省成本的潜力。
 

p²封装结构图，来源：Schweizer

 
传统的封装方案，以功率模块为例，目前在电动汽车主驱逆变器上的功率模块，基本上是注塑式或是框架式封装。由于功率芯片在工作时会产生大量的热量，因此大多数都使用高导热和电气绝缘的基板，将功率芯片焊接在基板上，比如覆铜陶瓷基板等，以实现良好的芯片散热。
 
这种基于陶瓷基板的功率模块，其中的芯片只能通过陶瓷表面覆铜进行单层布线，并采用架空键合线等方式实现威廉希尔官方网站 连接，这种连接方式使得电气性能和散热受到了很大的限制，特别是降低换流回路和栅极控制回路的杂感和芯片间的热耦合方面。
 
而p²封装的优势，包括其采用的引线框架能够实现出色的散热，明显降低系统热阻，同时还能提高产品的坚固性和使用寿命。另外，因为功率芯片嵌入后，没有了键合线相关的额封装电阻，所以整体导通电阻会得到降低；系统中寄生电感更小，开关损耗更低；封装形式提供了更高的功率密度。
 
对于整个系统而言，采用嵌入PCB封装，减少了一些无源器件、连接器等，能够大幅简化供应链和制造流程，伴随着散热性能的提高，能够有效降低系统的成本。
 
p²封装主要应用于直流和交流系统之间的转换，包括汽车48V系统中，由于支持低电感开关的特性，可以在p²封装中使用80V的MOSFET。除了功率芯片，p²封装还可以嵌入高精度的电流测量等传感器，能够实现精确的相位电流测定。
 
不过目前官网上还未展示出1200V CoolSiC嵌入的技术方案和细节，这项技术在2023年的PCIM欧洲展上已经有展出。
 
PCB嵌入封装在电动汽车主驱上的应用优势
 
PCB嵌入的功率器件封装，在性能上的优势可以延续到电动汽车主驱逆变器等高压应用。此前纬湃科技表示，PCB使用的绝缘材料可以满足400V至1000V高压绝缘的要求，且在通过电流的能力上，使用PCB嵌入式功率模块，单位通流能力相比传统封装的功率模块要提升约40%。这也意味着在同样的电流输出情况下，功率芯片使用量可以减少三分之一；在相同功率输出需求的应用中，功率模块物料成本能够降低20%。
 
在电动汽车关键的能耗方面，PCB嵌入式封装带来的低热阻，低导通电阻、低开关损耗，也能为主驱逆变器带来更高的效率。根据纬湃的数据，在800V逆变器中采用PCB嵌入封装SiC模块，相比传统的框架式封装SiC模块，逆变器的WLTC循环损耗可以减少60%。
 
小结：
 
显然，PCB嵌入式封装对于各种应用都能够带来多方面的好处，包括散热、效率、成本等。但对于汽车应用来说，新型封装还需要进行更长时间的验证，比如在工业领域大规模应用，再逐步推广至汽车领域。