嵌入式 PCB 封裝是將器件整合到 PCB 的多層結構中。更小的外形尺寸、允許堆疊無源和有源元件的 3D 封裝、減少寄生效應以及改進熱管理的優勢推動了這一發展。將元件嵌入基板組件內的基本概念并不新鮮。它在低功耗或邏輯器件封裝中的應用已達到高度成熟。MicroSIP？ 封裝（來自 Texas Instruments 和 AT&S）和來自 Infineon 的 BLADE？ 封裝是利用嵌入式 PCB 技術的大批量產品的示例。

　　圖 1 顯示了使用 IGBT 的 10 kW 逆變器的簡化橫截面圖。在本工作中1，100 um 銅 （Cu） 箔形成可連接散熱器的基板。電絕緣但導熱 （4.8 W/mK） 預浸料層的層壓層填充了 400 um Cu 周圍的垂直和水平間隙，該 Cu 充當可以燒結芯片的引線框架。芯片頂部有一層厚 （10-12 μm） 銅層。與傳統的鋁 （Al） 頂部金屬相比，這是一個額外的工藝步驟。電鍍銅填充激光鉆孔。頂部的 Cu 走線用于創建頂部布線和觸點，并且可以放置電容器或控制器等其他組件，就像在常規 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。嵌入式方法的一個限制是用于 PCB 的傳統 FR4 材料的導熱率較低 （~ 0.3 W/mK）。精心設計的通孔排列可以彌補這一點。銅層壓板和層的厚度起著關鍵作用。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散的限制，可能會影響相鄰的嵌入式芯片。

　　不同的熱膨脹系數 （CTE） 會產生應力并導致故障。嵌入到 AlN（周圍有銅層）等陶瓷基板上可以提供與SiC更好的 CTE 匹配，同時還可以創建所需的隔離。使用對稱構建的層壓結構（從上到下）也可以改善應力，同時提供雙面冷卻的方法。

　　由于 WBG 實現了高開關頻率和轉換速率，因此應優化布局以降低寄生電感。電源環路電感L PL（包括共源電感）是開關損耗的主要因素；電壓過沖和傳導電磁干擾 （EMI）。屏蔽外部 DC Cu 層之間的開關節點可以降低輻射 EMI。

　　帶 WBG 的嵌入式 PCB 示例

　　GaN Systems 與 AT&S 共同開發的GaNpx？ 封裝是低電感、小外形尺寸、低熱阻 （R THjc ） 封裝的一個示例，該封裝在 100V 和 650V 節點下使用 GaN 芯片，并可選擇頂部或底部冷卻。

　　三菱電機的一個團隊已經演示了基于 SiC 的開關單元的 3D 集成組件2。在這項工作中，作者將兩個圖騰柱 SiC MOSFET 以對稱排列方式合并在 PCB 內。一個新穎的功能是使用模制在 PCB 繞組周圍的低溫環氧樹脂集成平面輸出電感器。開關附近還嵌入了柵極驅動器。總共四個厚 （400 μm） 和四個薄 （35 μm） 銅層分別用于驅動器的高電流/熱和細間距布線。與獨立的 TO247 封裝相比，嵌入式器件在導通電阻（R DSON）在整個溫度范圍內，表明電接觸和熱接觸得到改善。600V 和 30A 的開關測試顯示，在 dV/dt 速率高達 58 kV/ns 時，過沖非常小，證實了 3D 集成的低寄生電感優勢。

　　基于集成柵極驅動 1200 V SiC MOSFET 的嵌入式 PCB 電源轉換器3由來自美國弗吉尼亞理工學院電力電子系統中心 （CPES） 以及奧地利州立大學和 AT&S 的協作團隊構建。AT&S 基于嵌入式元件封裝 （ECP ？ ）的 PCB 技術應用于多種產品，包括智能手機和醫療設備。CPES 使用 AT&S 的嵌入式 PCB 封裝（對稱排列的四個銅層）創建了基于半橋配置的降壓、升壓和 AC-DC 轉換器。熱阻測量顯示出出色的漏極側冷卻 R THjc0.17 千瓦/瓦。仿真預測功率環路電感僅為 2.3 nH。如圖 2 所示，準方波 （QSW） 降壓 800V 至 400V、25A 轉換器以 250 kHz 開關，其 V DS過沖比 TO-247 封裝低 5.6 倍。

　　圖 2：降壓轉換器開關波形比較 （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：降壓轉換器開關波形比較 （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 會議上展示了 1200 V CoolSiC？ 嵌入式 PCB 技術。這是基于Schweizer 的創新p2PACK ？嵌入方法。SiC MOSFET 在易于嵌入的標準單元（S 單元）中進行了全面測試，其中包括頂部銅金屬化。該方法已在 48V MOSFET 技術的量產中成功得到驗證，性能提高了 35%。如圖 3 所示，在嵌入過程中，S 單元被放置到 PCB 層壓板內的切口中。頂部和底部銅通孔連接和銅框架提供低 L PL和低熱阻。低熱阻抗對于防止過流事件等故障期間出現大的溫度過沖非常有幫助。

　　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估套件，無需器件并聯即可實現 V IN 高達900V和 50 kW 的能力。低 L PL ≈ 2nH 可實現干凈、快速的開關。圖 4 顯示了使用 1200V、14 mΩ 嵌入式 CoolSiC？ S-Cell 的評估板的初步開關結果。導通期間的二極管過沖是指關斷狀態 MOSFET 的體二極管。dV/dt 》90 V/ns 時的結果顯示過沖 《65 V。

　　圖 4：使用英飛凌 1200 V CoolSiC？ S-cell 封裝的芯片嵌入式評估板在 VDS = 800V 和 ID ≈ 100A 時的初步開關結果（Infineon Technology）。

　　低電感封裝的一個關鍵問題是短路事件期間可能出現大電流過沖。如圖 5 所示，英飛凌已經驗證了在 800V 時 《 1μs 的快速短路檢測速度，并使用各種 DESAT 電容器進行了良好的控制。

　　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）。

　　通過這種方法改善開關和散熱，電動汽車牽引逆變器等汽車應用可以受益于效率的提高。其他潛在優勢包括更低的系統成本、輕松進行板級設計更改的靈活性、空間有限的電動汽車中更小的外形尺寸以及更容易與可擴展 PCB 嵌入方法并行的器件。