功率半导体PCB嵌入式技术全面解析(引导文) | 设计理念、基本构型、半导体材料与技术、工艺细节、应用实例以及未来展望

文摘   2025-01-09 06:46   上海  

- 关于PCB嵌入式功率半导体技术方案的介绍

- 「SysPro电力电子」知识星球节选
-   原创文章,素材来源:各方案供应商产品方案
-  本篇为节选,完整内容会在知识星球发布,欢迎学习、交流

导语:最近观看学习了Fraunhofer公司SiC嵌入式PCB产品技术方案的专题报告,我准备用几篇文章对这一技术方向面临的挑战,以及关键的技术细节做一些总结,希望能给行业带来些参考和帮助。

随着科技的飞速发展,嵌入式半导体PCB技术在电力电子领域的应用日益广泛,正成为推动行业进步的关键力量。接下来,我会从嵌入式功率半导体的创新情况、设计理念、基本构型、半导体材料与技术、工艺细节、应用实例以及未来展望等方面进行下简要概述。

本篇为"嵌入式半导体PCB技术系列文章"引导文完整内容会陆续在「SysPro 电力电子技术EE知识星球发布,欢迎有这方面需求的朋友加入、了解。
备注:「SysPro 电力电子技术EE是SysPro旗下一个专注于电动汽车先进电力电子技术领域的高阶技能成长平台,已于2025年1月1日正式上线,如果感兴趣,可以添加文末的微信了解。

目录

1. 嵌入式功率半导体的创新情况

2. 设计的理念与考虑因素

3. 半导体材料选择与技术方案

4. 工艺细节与嵌入技术

5. 应用实例与成果展示

6. 未来展望

注: 本篇为引导文,完整内容会在知识星球发布(点击文末"阅读原文")


01

嵌入式功率半导体的创新情况

嵌入式功率半导体相比传统键合模块,其主要目的和目标是:实现更短的连接路径更高的可靠性、降低封装成本。通过将结构转变为平面配置,直接耦合连接不仅显著提升了互联技术的可靠性,还通过消除长导线显著提高了电气性能。据目前我了解到的信息,整体来看,这一技术不仅限于单个芯片封装,还深入探索了功率模块,如半桥配置和完整的功率逆变器。

图片来源:Fraunhofer

据调研,在欧洲已经有多家公司,在嵌入式功率半导体领域取得了显著成果。例如我们前段时间谈Schweizer的智能p2 Pack®,将英飞凌的S-Cell 1200 V CoolSiC™ Gen2p芯片集成到PCB中,显著改善开关行为、降低功率损失并优化散热,与传统解决方案相比,性能提升了高达60%。| SysPro备注:英飞凌的1200V芯片嵌入PCB解决方案 + Schweizer的技术核心

图片来源:Schweizer

|SysPro备注:关于芯片内嵌式PCB的全球产业化布局情况我们正在梳理,会有专题报告,请持续关注,部分信息会在「SysPro 电力电子技术EE知识星球中发布。


02

设计的理念与考虑因素

作为功率半导体设计、应用工程师的我们,想要将嵌入式功率半导体概念走向产业化,除了在考虑电力电子应用中的热学和电学方面的学科及除外,更重要的是要始终秉持着创新与实用的理念

这里面很重要的一点是:需要通过深入研究不同材料工艺力求在提升性能的同时降低成本,满足市场需求。热设计方面,需要关注:如何有效散热,确保高功率模块在长时间运行中的稳定电气设计方面,则注重如何通过优化布局和连接路径来降低电感值,提高开关效率这些问题我们都会星球后续的专题解读中涉及到。

图片来源:Fraunhofer

03

半导体材料选择与技术方案

半导体是现代电子电路的基础,其在电力电子领域的应用尤为广泛。碳化硅(SiC)氮化镓(GaN)等第三代半导体材料因其耐高压、耐高温、高频高热导率性能,成为嵌入式功率半导体的理想选择。这些材料不仅提高了MOSFET、IGBT等功率器件的工作频率和耐压容量,还极大地提升了设备的功率密度和综合性能。那么,选择不同的半导体材料有什么讲究?会带来怎样的优势呢?

图片来源:Fraunhofer


04

工艺细节与嵌入技术

在嵌入式半导体PCB技术的实现过程中,采用了多种先进的工艺方法。例如,通过高电流PCB基板嵌入陶瓷材料,结合银浆点胶居中拓扑技术,实现了芯片与基板的紧密连接。此外,还采用了多层布线技术和激光微孔技术,以确保信号传输的高效性和可靠性。这些工艺方法不仅提高了产品的性能,还降低了生产成本,为大规模商业化应用奠定了基础。详细内容,我们后续同样会在「SysPro 电力电子技术EE中进一步说明。

图片来源:Fraunhofer

05

应用实例与成果展示

关于嵌入式半导体PCB技术研究成果已经在多个领域得到了应用。例如,在电动汽车领域,嵌入式功率模块显著提高了驱动系统的效率和性能;在工业自动化领域,嵌入式功率技术为高效电机驱动器和变频器提供了有力支持。如下图所示某芯片嵌入式驱动系统+行星排减速器方案,很紧凑的一个技术方案|SysPro备注:相关信息正在收集、整合中。


06

未来展望

展望未来,如何将嵌入式半导体PCB技术将在电力电子领域发挥更加重要的作用?随着新能源、智能制造等领域的快速发展,对高效、可靠、紧凑的电力电子设备的需求将不断增长。需要我们继续深入研究新材料、新工艺和新应用,推动嵌入式半导体PCB技术的不断创新和发展。同时,我们还需要加强与产业链上下游企业的合作与交流,共同推动电力电子行业的进步与发展。

图片来源:Fraunhofer


以上内容为关于嵌入式半导体PCB技术全面解析(引导文),包括设计理念、基本构型、半导体材料与技术、工艺细节、应用实例以及未来展望。后续会对上述提到的几点内容进行展开,完整内容陆续在「SysPro 电力电子技术EE知识星球发布,欢迎进一步查阅、学习,希望有所帮助!

相关嵌入式半导体PCB技术参考资料已在星球发布:

[1] 创新芯片嵌入技术推动电动汽车发展:英飞凌SiC芯片嵌入技术(☆☆☆☆☆)

[2] Schweizer 先进嵌入式PCB技术在不同应用领域中的创新应用(☆☆☆☆☆, 16页)

[3] PCB技术发展趋势与嵌入式技术在PCB中的应用(☆☆☆☆☆, 37页)

[4-EE星球] Schweizer Electronic AG在48V及未来高压芯片嵌入技术方面的突破性进展和路线图(☆☆☆☆☆, 23页)

[5-EE星球] Schweizer Electronic AG的嵌入式PCB技术常见问题解答(FAQs)(☆☆☆☆☆, 40页)

[6-EE星球] 功率半导体在PCB中的嵌入式技术深度解析 (☆☆☆☆☆)

[7-EE星球] 功率芯片嵌入技术在PCB中的应用实现 (☆☆☆☆☆)

备注:报告4/5/6/7在「SysPro电力电子技术」星球中发布(高阶成长星球,文末有介绍)

另外,关于Schweizer的嵌入式技术有一个视频介绍很有趣,可以在星球中搜索关键字查阅、观看:PCB嵌入式功率半导体 | Schweizer 技术方案 | p2 Pack封装 | 视频

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