功率芯片 PCB 嵌入式封装技术综述

　　随着电力电子系统不断向高功率密度、高频化及小型化加速迈进，传统分立器件与常规功率模块在互连寄生参数、散热路径及系统集成方式等方面的局限日益凸显，已难以充分满足 AI 数据中心、新能源汽车等高性能领域的迫切需求。在此背景下，印制电路板（PCB）嵌入式封装技术应运而生，它将功率芯片及相关无源器件巧妙嵌入板内，通过微通孔与多层铜平面实现互连，为提升单位体积输出能力与系统效率提供了坚实的封装层支撑。
　　基本原理及封装结构
　　PCB 嵌入功率器件的制造在于巧妙利用 PCB 层压与微通孔互连技术，将如碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）等功率芯片直接嵌入 PCB 内部。以标准 PCB 制造工艺为基础，其典型实现流程包括芯片表面金属化与粘接、芯片嵌入与树脂覆铜层压、激光钻孔、微通孔金属化和图形化布线等环节。
　　在芯片表面金属化与粘接环节，对于原本面向键合线连接的功率芯片，需关注表面金属化层与后续微通孔底部接触的兼容性。芯片固定方式多样，如采用导电浆料、非导电浆料或模切粘附膜等，纳米银烧结也可作为高性能互连方式，但在 PCB 嵌入式封装中，烧结层还需承受后续工艺过程的影响，孔隙率、残余应力等是可靠性控制重点。
　　芯片嵌入与树脂覆铜层压时，通过真空层压覆合 RCC 层至基板表面，可减少气隙并提高介电层均匀性。在功率芯片 PCB 嵌入式封装中，层压过程需严格保证树脂充分填充、界面无气隙、芯片受压可控及叠层结构稳定，为降低芯片翘曲与残余应力累积，需重点关注堆叠结构对称性与层压参数。
　　激光钻孔是嵌入芯片实现垂直互连的关键前提，微通孔需准确落在嵌入芯片的金属化焊盘上，因此需重点控制芯片贴装误差、层压后位置偏移等关键因素，以降低微通孔偏位风险并提高互连良率。
　　微通孔金属化环节，通过一系列工艺构建芯片焊盘与 PCB 铜层之间的导电路径。在功率芯片 PCB 嵌入式封装中，微通孔不仅承担信号互连功能，还需承受较高电流密度和功率循环热应力，是后续可靠性测试的重点关注区域。从疲劳寿命角度看，微通孔裂纹的产生主要与热循环下局部循环塑性应变的累积有关，可采用 Coffin - Manson 类低周疲劳寿命模型定性描述。工程上可通过多种措施减小微通孔区域的热 - 机械应变集中，从而延缓微通孔疲劳裂纹生成。
　　图形化布线通过光刻等工艺形成芯片互连、外部端子和功率电流路径。对于功率芯片 PCB 嵌入式封装，还需同时满足厚铜载流、低寄生回路、散热性能和绝缘距离要求。从可靠性角度看，其封装结构的可靠性取决于多层异质界面的结合质量与应力匹配程度。
　　与传统线键合功率模块相比，PCB 嵌入式封装具有显著优势。在功率密度与能效优化方面，它可通过缩短功率回路降低寄生参数。以文献中对 PCB 嵌入式封装半桥结构及 TO - 247 封装半桥结构的寄生参数提取为例，前者的功率回路电感和栅极回路电感明显低于后者，说明其短回路结构有利于降低封装级寄生电感，为提升功率密度提供基础。同时，通过多层铜平面、短互连路径等结构设计，可降低单位长度电感和微通孔局部垂直互连电感。
　　在热管理改善方面，PCB 嵌入式封装在层叠结构内引入散热铜层与热通孔，使热量能更快在板内扩散并导出。以 Infineon 与 SCHWEIZER 合作的 48 V 起动发电机样机为例，在相同条件下，PCB 嵌入式封装使芯片 - 散热器的等效热阻相比传统方案降低约 30%，并在瞬态工况下体现出更好的热稳定优势。通过建立简化的串联热阻网络模型，可说明热流路径长度、材料热导率和有效传热面积对总热阻的影响。
　　在系统可靠性提升方面，它减少了易受热循环与机械应力影响的键合线与外部引线互连，使封装结构更紧凑，并通过层叠对称与局部加固提高了抗变形能力。如对 PCB 嵌入式三相逆变模块与传统线键合 MiniSKiiP 23AC126V 模块的主动功率循环对比显示，前者在相同条件下能承受更多次循环且未失效，体现出其在结构层面的长期稳定性能潜力。
　　在制造成本控制方面，依托成熟的 PCB 面板化工艺体系，具备批量加工与高并行度制造的潜力，可实现数百个器件的集成化封装。通过与其他封装方式对比，如在适合大批量制造的应用中，面板级扇出封装相较晶圆级扇出封装可节省成本，且 PCB 嵌入式封装将功率芯片与部分无源器件协同集成，可减少外部连接与装配环节，降低制造成本，随着工艺链完善，还有进一步优化空间。
　　从结构演进看，功率芯片 PCB 嵌入式封装是在系统级集成、功率模块结构优化和 PCB 高密度互连工艺交汇下形成的。SiP 为多芯片等紧凑集成提供思路，DBC/AMB 陶瓷基板功率模块为功率器件提供结构参照，HDI 工艺为其制造提供基础。在不同功率等级和应用场景中，PCB 嵌入式封装具有不同侧重点。面向高频 GaN 功率开关和紧凑型电源模块，AT&S 的 ECP 技术可优化结构、电气和热性能；在高压 SiC 开关单元中，Infineon 与 SCHWEIZER 的 Smart p?Pack 样机可简化系统生产链；当应用于逆变器子系统时，如 Schaeffler 的高压逆变砖可降低装配复杂度并提升系统集成度。国内围绕该技术的相关工作正从实验室研究向工程样件开发和应用场景验证延伸。
　　典型应用场景
　　PCB 嵌入式封装在多个代表性系统中发挥着重要性能潜力。在面向 AIDC 与工业电源的低寄生高频封装方面，在 AIDC 电源及采用 MHz 级开关频率的负载点变换器中，传统封装因互连寄生参数突出，制约系统性能。而 PCB 嵌入式封装的紧凑布局可降低寄生参数，提升电磁兼容设计的可控性。如 Qi 等提出的高度集成 GaN PCB 嵌入式封装全桥模块，可实现极低的功率回路电感和高开关速度；Infineon 公司的 OptiMOS? TDM2454xx 四相电源模块体现了其在 AIDC 供电中的工程化应用价值；AT&S 利用 ECP 工艺实现的 GaN PCB 嵌入式封装可降低高频条件下的损耗与温升。在工业电源领域，如功率 MOSFET PCB 嵌入式封装方案用于焊接设备，可降低传导电磁发射和电压过冲；在感应加热电源场景中，其紧凑互连结构与灵活散热路径设计可为缓解高频寄生参数和集中热耗散问题提供优化路径。
　　在面向车载电源与并网前端的高集成封装方面，该思路可拓展至车载电源及并网前端变换器的多个部件。如 Caillaud 等展示的 3.3 kW 双向功率因数校正样机，通过 PCB 嵌入实现一体化集成，可降低拓扑与外部布线之间的寄生参数；国内学者和企业围绕该技术开展研究和应用，如西安交通大学团队的 CIPB 封装研究以及吉利的 GaN PCB 嵌入式封装应用方案，体现了从基础结构探索向具体整车场景模块开发的转变。
　　在面向高压牵引逆变器的高功率密度封装方面，高压牵引逆变器的功率模块需承受高电压、大电流和强电热耦合工况，对封装结构要求高。Infineon 基于 S - Cell 标准功率单元的 PCB 嵌入式封装方案，通过优化热路径和换流回路，可降低热阻和开关损耗，提升输出能力和轻载效率；“HI - LEVEL” 项目和 Dauerpower 逆变器项目展示了 PCB 嵌入式封装在高压牵引逆变器中的高功率密度封装优势。
　　在面向机器人关节与伺服驱动的小型化封装方面，在空间受限的应用中，传统分立式设计难以满足系统布局需求，而 PCB 嵌入式封装可通过板内集成和无引线化互连减少独立器件及连接路径，降低物料成本，具备明显的系统集成优势。如文献中提出的超紧凑 1.2 kV SiC MOSFET PCB 嵌入式封装半桥模块，可显著缩减体积与重量；Würth Elektronik 公司将 PCB 嵌入式封装工艺分类，可根据不同需求选择互连方式；Fraunhofer IAF 与 Würth Elektronik CBT 的合作项目将其用于低压 GaN 功率集成电路，体现了其与小型驱动系统的高适配性。
　　可靠性挑战
　　该封装技术存在一些可靠性挑战。在机械特性方面，与传统表面贴装器件不同，PCB 嵌入式封装将高刚性的半导体芯片嵌入有机树脂基板内部，由于芯片、树脂介质和金属互连之间存在弹性模量与热膨胀系数（CTE）差异，外部机械载荷会使局部剪切应力沿互连路径传递，在微通孔底部、芯片焊盘及芯片 / 介质界面处形成应力集中，常见失效形式包括介质层分层、微通孔铜层疲劳断裂等。相关结构设计需重点关注这些区域的应力集中与结构完整性。尽管已有一些研究表明 PCB 嵌入式封装在规定机械应力条件下表现出较好的机械可靠性，但仍需建立更完整的板级机械可靠性评价方法。针对结构完整性评价，已有研究结合界面强度实验与热机械仿真开展分析，可为封装结构设计提供参考。对于薄型及机械敏感功率芯片的嵌入封装，可通过降低或取消外加压力并合理控制焊料体积，减小制造过程诱发的局部变形。同时，为满足功率半导体 PCB 嵌入式封装的可靠性与长期稳定性要求，封装材料应具备高温稳定性、高介电击穿强度、高玻璃化转变温度以及热膨胀系数匹配等关键指标。
　　在电气特性与寿命相关验证方面，在车载和工业场景应用前，需要验证其在长期电、热及环境应力作用下的电气性能稳定性。通常先建立老化前的性能基线，再结合静态参数测试与双脉冲测试（DPT）评估封装结构的退化程度。DPT 可用于评价电压过冲、振铃和开关损耗等动态特性的漂移，以及多芯片并联结构的支路电流分配与开关一致性。现有多项研究表明 PCB 嵌入式封装可改善动态性能，但动态性能改善不能直接等同于寿命提升，DPT 更适合作为加速老化实验的补充表征手段。现有文献中 PCB 嵌入式封装的加速老化测试研究主要包括功率循环测试（PCT）、温度循环测试（TCT）和高压高温高湿反偏（HV - H3TRB）等典型可靠性评价方法，但不同研究在测试条件、失效判据和测试结果等方面存在差异，后续研究需建立更统一的评价标准。对于道路车辆可能遭受的盐雾和含盐湿气暴露，可开展补充评价，现有研究对盐雾环境下腐蚀与绝缘耦合退化的公开数据相对有限，后续可在车载应用可靠性验证中补充循环盐雾实验。
　　在热管理与热可靠性方面，在 PCB 嵌入式封装中，功率器件运行会产生大量热量，热管理的任务不仅是降低结温，还包括抑制局部热点和温度梯度。可通过热通孔、大面积铜层和双面散热结构等强化板内热扩散，并结合热界面材料（TIM）以及嵌入式金属或陶瓷散热构件将热量传导至外部冷却系统。热管理设计应在结构与工艺可制造性的约束下，综合优化结温水平、温度均匀性和界面可靠性。在热性能表征中，红外热成像可用于观察结温水平与温差，如对 PCB 嵌入式封装整流器的实验表明，热通路优化对结构稳定性具有积极作用。结构设计对热应力的影响通常需要结合有限元仿真分析，合理的结构设计可在降低峰值结温与控制温度梯度之间取得平衡。在散热结构优化方面，通过热仿真和实验可知，合理配置散热通路的 PCB 嵌入式封装可降低芯片至冷却边界的等效热阻，并改善局部温度分布，有利于抑制高功率密度工况下的结温升高与热点形成。