印刷电路板嵌入式功率半导体技术综述
这篇文档是由德国肯普滕应用科学大学电子集成实验室的Till Huesgen撰写的综述文章，发表在2022年的《Power Electronic Devices and Components》期刊上。文章系统回顾了印刷电路板（PCB）嵌入式功率半导体技术的研究进展、工艺挑战、性能指标及可靠性问题，并对未来发展方向进行了展望。
核心观点与论据
技术优势与应用场景
PCB嵌入式技术通过将功率半导体裸片直接集成到电路板内，显著减小了变换器体积，并形成短电流回路，从而降低互连电阻和寄生电感（通常可控制在1nH以下）。这一特性尤其适用于宽禁带半导体（如SiC MOSFET和GaN HEMT）的高频开关应用。文中列举了Texas Instruments的MicroSIP™、Infineon的DRBlade™等商业化案例，证明该技术在1-100kW中功率领域（如电动车电驱系统）具有明确的应用价值。
主流工艺分类与流程
文章详细解析了三种工业化嵌入工艺：
- 芯片衬底集成（Chip-on-substrate）：先于PCB底层固定芯片，通过结构化半固化片（prepreg）堆叠和铜箔压合，最后激光钻孔形成微通孔（microvia）。Fraunhofer IZM开发的该技术可实现20-30 mm²K/W的芯片面积归一化热阻。
- 腔体嵌入（Chip-in-cavity）：在厚铜基底预加工腔体放置芯片，简化了半固化片堆叠流程。Schweizer Electronic的P2 Pack®技术采用此方案，实测换流回路电感低至0.57nH。
- 双面微通孔（Double-side microvia）：芯片非导电粘接于铜箔，双面激光钻孔实现全电镀互联。AT&S的ECP®技术通过此工艺制作的GaN器件模块，热阻可降至3.3 mm²K/W。
- 关键工艺挑战
- 铜金属化需求：传统功率芯片多为铝（Al）顶面/银（Ag）底面金属化，而PCB嵌入需铜（Cu）表面以兼容电镀工艺。研究对比了晶圆级电镀（50μm厚铜会导致芯片弯曲）、物理气相沉积（PVD溅射Cr/Cu层）等解决方案。
- 微通孔成型：紫外（UV）和红外（IR）激光钻孔各有优劣，IR激光可减少对芯片金属化的热损伤（避免Al-Cu共晶相547℃熔化）。实验证明11μm以上铜层厚度能有效隔绝热影响区。
- 热机械应力：半导体材料（Si: 2.6ppm/K, SiC: 4.0ppm/K）与PCB材料（FR4: 13-14ppm/K）的热膨胀系数差异导致Z向拉应力。通过双面铜镀和低CTE介质层（如聚酰亚胺混合材料）可缓解芯片横向裂纹问题。
- 可靠性验证数据
- 热循环性能：采用Ag烧结贴装的IGBT模块在ΔT=90K条件下通过400万次功率循环（传统线绑模块仅50万次），证明嵌入式结构更耐疲劳。
- 绝缘特性：高温（175℃）会导致有机介质击穿电压下降77%，但初始值可达14.7kV（100μm厚度）。CAF（导电阳极丝）生长需通过IPC-TM-650标准测试筛选材料。
- 材料体系选择
对比分析了五种介质材料：标准环氧树脂（FR4）、苯并恶嗪（Tg=200℃）、聚酰亚胺共混物（Tg=280℃）等。其中Isola PCL370HR的Z轴CTE为45ppm/K，而Mitsubishi的CCL-HL832NSF双马来酰亚胺三嗪树脂虽然CTE仅5ppm/K，但吸湿率达0.35%，需权衡使用。
技术价值与行业意义
该综述指出，PCB嵌入式技术通过平面化设计将换流回路电感降至1nH以下，配合双面冷却可将热阻优化至常规模块的1/2。尽管铜金属化工艺和高电压绝缘可靠性仍是产业化瓶颈，但已有厂商（如Gan Systems的GANpx封装）实现650V产品的商业化。随着AT&S等供应商建立专用产线，这项技术有望在车载充电器、智能功率模块（IPM）等领域实现规模化应用。
创新亮点
- 首次系统归纳了三种工业化工艺的技术路线图，包含21个实验室级验证案例的对比数据。
- 提出芯片面积归一化热阻（Rth×Achip）作为跨平台性能评价指标，为行业建立统一基准。
- 揭示宽禁带半导体与PCB嵌入技术的协同效应：GaN HEMT的横向结构更易实现0.55nH超低电感。
这篇综述为功率电子封装领域提供了工艺选型指南，其引用的137篇文献涵盖2005-2022年关键研究成果，具有重要的学科参考价值。