侃技术|宽禁带电力电子的嵌入式 PCB 封装【1】
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><strong style="color: blue;"><span style="color: black;">嵌入式PCB封装介绍</span></strong></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">嵌入式 PCB 封装<span style="color: black;">包含</span>将器件整合到 PCB 的多层结构中。更小的外形尺寸、<span style="color: black;">准许</span>堆叠无源和有源元件的 3D 封装、更少的寄生效应和更好的热管理等<span style="color: black;">优良</span>推动了这一发展。将元件嵌入基板组件中的基本概念并不<span style="color: black;">鲜嫩</span>。</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">它在低功耗或<span style="color: black;">规律</span>器件封装中的应用<span style="color: black;">已然</span>达到了很高的成熟度。MicroSIP™ 封装(来自德州仪器和 AT&S)和英飞凌的 BLADE™ 封装是利用嵌入式 PCB 技术的大批量<span style="color: black;">制品</span>的例子。</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">图 1 <span style="color: black;">表示</span>了<span style="color: black;">运用</span> IGBT 的 10kW 逆变器的简化横截面图。在本<span style="color: black;">科研</span>1中,100 微米铜 (Cu) 箔形成可连接散热器的底板。</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">层压电绝缘但导热性 (4.8 W/mK) 的预浸料层填充了 400 微米铜<span style="color: black;">周边</span>的垂直和水平间隙,铜充当引线框架,可在其上烧结连接芯片。芯片顶部有一层厚 (10-12 µm) 的铜层。</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">这是在传统铝 (Al) 顶部金属上所需的额外工艺<span style="color: black;">过程</span>。用铜电镀填充激光钻孔。顶部的铜轨用于创建顶部布线和触点,并且<span style="color: black;">能够</span><span style="color: black;">安置</span>其他组件(例如电容器或<span style="color: black;">掌控</span>器),就像在常规 PCB 上一样。</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">如图 1 所示,<span style="color: black;">能够</span><span style="color: black;">运用</span>厚铜轨和薄铜轨的组合以及可变的通孔尺寸来优化模块性能。</span></span></p>
<div style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-axegupay5k/ea7b69484e304fca92b1b3d840d55cc6~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1728782274&x-signature=hWhj%2BCb3huEr7PwG5WRCLa22w3A%3D" style="width: 50%; margin-bottom: 20px;"></div>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">图 1:10 kW 嵌入式 PCB 逆变器横截面(<span style="color: black;">源自</span>:1)</span></span></p>
<h1 style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;">PCB 嵌入式 WBG 器件</h1>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">电力电子设备(尤其是WBG设备)的PCB嵌入带来了<span style="color: black;">有些</span>独特的挑战:</span></span></p><span style="color: black;"><strong style="color: blue;"><span style="color: black;">更高的功率密度需要<span style="color: black;">有效</span>的散热和传输。</span></strong><span style="color: black;">嵌入式<span style="color: black;">办法</span>的一个限制是用于 PCB 的传统 FR4 材料的低热导率(~ 0.3 W/mK)。精心设计的通孔<span style="color: black;">部署</span><span style="color: black;">能够</span>弥补这一点。铜层压板和层的厚度起着关键<span style="color: black;">功效</span>。较厚的层<span style="color: black;">能够</span>承载更高的电流并更有效地散热,但横向热扩散较高,可能会影响相邻的嵌入式芯片。</span></span><span style="color: black;"><strong style="color: blue;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">区别</span>的热膨胀系数 (CTE) 会产生应力并<span style="color: black;">引起</span>故障。</span></strong><span style="color: black;">嵌入 AlN 等陶瓷基板(<span style="color: black;">周边</span>有 Cu 层)<span style="color: black;">能够</span><span style="color: black;">供给</span>与SiC更好的 CTE 匹配,<span style="color: black;">同期</span>还能实现所需的隔离。<span style="color: black;">运用</span>对<span style="color: black;">叫作</span>的层压结构(从上到下)<span style="color: black;">亦</span><span style="color: black;">能够</span>改善应力,<span style="color: black;">同期</span><span style="color: black;">供给</span>双面冷却的<span style="color: black;">办法</span>。</span></span><span style="color: black;"><strong style="color: blue;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">因为</span> WBG 可实现高开关频率和转换速率,<span style="color: black;">因此呢</span>应优化布局以降低寄生电感。</span></strong><span style="color: black;">电源环路电感 L PL(<span style="color: black;">包含</span>共源电感)是开关损耗、电压过冲和传导电磁干扰 (EMI) 的<span style="color: black;">重点</span><span style="color: black;">原因</span>。屏蔽<span style="color: black;">外边</span> DC Cu 层之间的开关节点<span style="color: black;">能够</span>减少辐射 EMI。</span></span>
<h1 style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;">带有 WBG 的嵌入式 PCB 示例</h1>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">GaN Systems 与 AT&S <span style="color: black;">一起</span><span style="color: black;">研发</span>的GaNpx® 封装是一个低电感、小尺寸、低热阻 (R THjc ) 封装的示例,该封装<span style="color: black;">运用</span> 100V 和 650V 节点的 GaN 芯片,并可<span style="color: black;">选取</span>顶部或底部冷却。</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">三菱电机2的一个<span style="color: black;">科研</span>小组展示了一种基于 SiC 的开关单元的 3-D 集成组装。在这项工作中,作者将两个图腾柱 SiC MOSFET 以对<span style="color: black;">叫作</span><span style="color: black;">摆列</span>的方式纳入 PCB 中。一个新颖的特点是集<span style="color: black;">成为了</span>平面输出电感器,<span style="color: black;">运用</span>低温环氧树脂封装在 PCB 绕组<span style="color: black;">周边</span>。</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">栅极驱动器<span style="color: black;">亦</span>嵌入在开关<span style="color: black;">周边</span>。总共有四层厚 (400 µm) 和四层薄 (35 µm) Cu 层,分别用于驱动器的高电流/热量和细间距布线。与独立的 TO247 封装相比,嵌入式器件在<span style="color: black;">全部</span>温度范围内的导通电阻 (R DSON ) 方面表现出优异的性能,<span style="color: black;">显示</span>电气和热接触得到改善。在 600V 和 30A 下的开关测试<span style="color: black;">表示</span>在高达 58 kV/ns 的 dV/dt 速率下过冲非常小,证实了 3D 集成的低寄生电感<span style="color: black;">优良</span>。</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">集成栅极驱动 1200 V SiC MOSFET 嵌入式 PCB 电源转换器3由美国弗吉尼亚理工学院电力电子系统中心 (CPES) 和奥地利 AT&S 州立大学的合作团队<span style="color: black;">研发</span>。AT &S 基于嵌入式组件封装 (ECP ® )的 PCB 技术用于智能手机和医疗设备等<span style="color: black;">各样</span><span style="color: black;">制品</span>。</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">CPES <span style="color: black;">运用</span> AT&S 的嵌入式 PCB 封装(四层铜层对<span style="color: black;">叫作</span><span style="color: black;">摆列</span>)基于半桥配置创建了降压、升压和 AC-DC 转换器。热阻<span style="color: black;">测绘</span><span style="color: black;">表示</span>漏极侧冷却 R THjc为 0.17 K/W,性能优异。模拟预测功率环路电感仅为 2.3 nH。如图 2 所示,准方波 (QSW) 降压 800V 至 400V、25A 转换器在 250 kHz 开关时,V DS过冲比 TO-247 封装的低 5.6 倍。</span></span></p>
<div style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/c90674cd367c4ccf8a3e421d827646ce~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1728782274&x-signature=rrLKth%2FapqfESersNLBBcVQFYow%3D" style="width: 50%; margin-bottom: 20px;"></div>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">图 2:降压转换器开关波形比较(a)嵌入式 PCB <span style="color: black;">办法</span>与(b)<span style="color: black;">运用</span>分立 TO-247 封装的 1200 V SiC MOSFET,Vin = 800V、Vout = 400V 和 25A 峰值电感电流(<span style="color: black;">源自</span>:3)</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">英飞凌和 Schweizer Electronic AG 在 PCIM, 2023 会议上展示了 1200 V CoolSiC™ 嵌入式 PCB 技术。这是基于 Schweizer 创新的p2PACK ®嵌入<span style="color: black;">办法</span>。</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">SiC MOSFET 在易于嵌入的标准单元 (S-cell) 中经过全面测试,该单元<span style="color: black;">包含</span>顶部 Cu 金属化。该<span style="color: black;">办法</span>已在 48V MOSFET 技术的批量生产中得到成功验证,性能<span style="color: black;">加强</span>了 35%。</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">如图 3 所示,在嵌入过程中,S-cell 被<span style="color: black;">安置</span>在 PCB 层压板内的切口中。顶部和底部 Cu 通孔连接和 Cu 框架<span style="color: black;">供给</span>低 L PL和低热阻抗。低热阻抗<span style="color: black;">针对</span>防止过流事件等故障<span style="color: black;">时期</span><span style="color: black;">显现</span>大的温度过冲非常有<span style="color: black;">帮忙</span>。</span></span></p>
<div style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/668ae20efba64f6586a7b18a7caf17f5~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1728782274&x-signature=miT8PZBoOwFszab3TYP4%2BUBk9q0%3D" style="width: 50%; margin-bottom: 20px;"></div>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">图 3:展示嵌入 Schweizer 嵌入式 PCB 封装的英飞凌 CoolSiC™ S 电池(<span style="color: black;">源自</span>:英飞凌科技)</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">1200 V、11 mΩ CoolSiC™ Gen2p S 电池的工程样品现已上市,<span style="color: black;">同期</span>还<span style="color: black;">供给</span>半桥配置的嵌入式<span style="color: black;">评定</span>套件,用于 V IN高达 900V 和 50 kW 容量,无需并联设备。低 L PL ≈ 2nH 可实现干净、快速的切换。</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">图 4 <span style="color: black;">表示</span>了<span style="color: black;">运用</span> 1200V、14 mΩ 嵌入式 CoolSiC™ S 电池的<span style="color: black;">评定</span>板的初步切换结果。开启<span style="color: black;">时期</span>的二极管过冲<span style="color: black;">指的是</span>关断状态 MOSFET 的体二极管。dV/dt >90 V/ns 的结果<span style="color: black;">表示</span>过冲 <65 V。</span></span></p>
<div style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p26-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/f4df1ecebb284e5baad34525d27eb4b9~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1728782274&x-signature=oyOudQXiay1y4h7ZhKxATTz%2Bpyo%3D" style="width: 50%; margin-bottom: 20px;"></div>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">图 4:采用英飞凌 1200 V CoolSiC™ S-cell 封装的芯片嵌入式<span style="color: black;">评定</span>板上的初步开关结果(VDS = 800V 和 ID ≈ 100A)(<span style="color: black;">源自</span>:英飞凌科技)</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">低电感封装的一个关键问题是短路事件<span style="color: black;">时期</span>可能<span style="color: black;">显现</span><span style="color: black;">很强</span>的电流过冲。如图 5 所示,英飞凌已验证了在 800V 下<span style="color: black;">少于</span> 1µs 的快速短路检测,并<span style="color: black;">运用</span><span style="color: black;">各样</span> DESAT 电容器实现了良好的<span style="color: black;">掌控</span>。</span></span></p>
<div style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/d5e4345505dc4d9ea15ee63e15dce869~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1728782274&x-signature=H10SKWAZTi7J4iy%2F2ebLvImiXko%3D" style="width: 50%; margin-bottom: 20px;"></div>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">图 5:<span style="color: black;">表示</span>嵌入 Schweizer 嵌入式 PCB 封装的英飞凌 1200 V CoolSiC™ S 电池在 VDS = 800V 和<span style="color: black;">各样</span> DESAT 电容器时的短路性能(<span style="color: black;">源自</span>:英飞凌科技)</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">电动汽车牵引逆变器等汽车应用可受益于这种<span style="color: black;">办法</span>带来的效率<span style="color: black;">提高</span>,<span style="color: black;">由于</span>这种<span style="color: black;">办法</span><span style="color: black;">能够</span>改善开关和散热。其他潜在<span style="color: black;">优良</span><span style="color: black;">包含</span>降低系统成本、<span style="color: black;">容易</span>进行板级设计更改的灵活性、在空间受限的电动汽车中实现更小的外形尺寸以及<span style="color: black;">经过</span>可扩展的 PCB 嵌入<span style="color: black;">办法</span>更<span style="color: black;">容易</span>地实现设备并联。</span></span></p>
<h1 style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;">参考</h1>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">1 T. Löher、S. Karaszkiewicz、L. Böttcher、A. Ostmann,“<span style="color: black;">经过</span> PCB 嵌入技术实现的紧凑型电力电子模块”,2016 IEEE CPMT 研讨会。2</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">R. Mrad、J. Morand、R. Perrin、S. Mollov,“用于高功率密度转换器的 PCB 封装和 3D 组装”,2109 IEEE 国际集成功率封装研讨会 (IWIPP)。3</p>J. Knoll、G. Son、C. DiMarino、Q. Li、H. Stahr 和 M. Morianz,“用于 22 kW AC-DC 转换器的 PCB 嵌入 1.2 kV SiC MOSFET 半桥封装”,IEEE 电力电子学报,2022 年。
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">源自</span>: 碳化硅芯观察</span></span></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;"><span style="color: black;">*声明:本文由作者原创。<span style="color: black;">文案</span>内容系作者个人观点,宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种<span style="color: black;">区别</span>的观点,不<span style="color: black;">表率</span>本联盟对该观点赞同或支持,<span style="color: black;">倘若</span>有任何异议,欢迎联系<span style="color: black;">咱们</span>。</span></span></p>
我们有着相似的经历,你的感受我深有体会。
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