嵌入式PCB功率模块在电驱的应用前景如何？

在去年的某场行业会议上，纬湃科技分享了他们在嵌入式PCB功率模块方面的研究成果，现有的封装形式功率芯片只能通过表面覆铜进行单层布线，再加上架空的键合线完成整个功率电路连接。这种设计模式不利于系统散热和大功率工况的使用，会增加杂散电感ESL和降低热性能安全冗余。

图1  来自纬湃科技官网

嵌入式PCB可以多层布置，采用层压的方式将FR4基板、功率铜层、信号铜层、绝缘导热层和埋入的芯片做到一起，通过采用高散热材料和合理的散热布局达到优秀的散热性能，满足新能源汽车行业苛刻工况的使用要求。通过技术评估，纬湃科技认为嵌入式PCB的通流能力可以提升约40%，同样的输出功率的条件下功率模块物料成本有望降低20%，具有极佳的商业前景。

图2来自纬湃科技官网

根据纬湃科技进行的AQG324可靠性测试结果显示：嵌入式PCB封装的设计寿命可达传统封装的数倍。但是笔者认为嵌入式PCB封装的可靠性需要更全面的验证，需要考虑不同工况下功率芯片的工作结温耐受，而且需要重点考虑极限大功率情况下绝缘性能，这关乎整个系统的热稳定性。

纬湃科技已经开发出基于新能源汽车行业400V和800V平台的嵌入式PCB功率模块样品，模块杂散电感降到1nH以下，压摆率超过每微秒25kV，单相输出电流峰值有效值达到850A。不过对于嵌入式PCB制程方面还有许多问题亟待解决，这些问题都是量产的拦路虎，而且对于要求极为严苛的汽车行业来说还有很长一段路要走。

对于芯片巨头英飞凌来说，他们在2023年的PCIM会议上就展示了1200V Cool Sic嵌入式PCB技术，如下图所示，在嵌入过程中，芯片单元被放入到PCB层压板内的切口中，顶部为常规PCB板覆铜层，底部则为增加激光钻孔的散热覆铜层，顶部和底部铜通孔和铜框架保证了低ESL和低热阻抗。

图3来自美国电力电子杂志网站

英飞凌此款工程样片1200V、11毫欧的阻抗，初步的开关测试结果如图所示，较低的ESL（<2nH）可实现干净、快速的开关，降低系统的能耗，增加整个电驱的效率。当出现短路，瞬间产生较大电流脉冲时，英飞凌采用各种DESAT电容验证在800V电压下小于1s快速短路检测，并能实现良好的控制。

图四来自美国电力电子杂志网站

麦格纳2024年7月份发布电驱动系统逆变器的新拓扑结构：嵌入式功率半导体技术。根据麦格纳官网信息，此项技术主要有两个显著的优点：1、设计自由度和可扩展性非常高；2、非常低的开关损耗。这对于对效率和功率密度要求极高的新能源汽车行业来说，是非常重要的两个优势。

图五来自2024 USA CTI   Magna

简要说一下麦格纳技术架构，采用MPT 800V SiC芯片，最高峰值电流530Arms，每个半桥使用250mm^2的SiC材料，模块采用单侧冷却设计。下图展示了从功率芯片一步步到逆变器集成整个流程，其中流程二和三是最关键的步骤，同时对于目前的供应链来说也是最难的两个步骤。

这项新技术需要极强的供应商配套能力，涉及到PCB板厂、汽车零部件企业、主机厂，想要落地此技术需要各方密切配合，前期生产的良率肯定会较低，需要一个较长时间的试错过程，不过笔者还是很看好这项技术。依靠我们国家强大的行业供应链能力，我相信未来三年内，一定会有可以量产的解决方案出现。

图6来自2024 USA CTI   Magna