揭秘PCB嵌入式封装技术，如何为GaN器件注入强劲“芯”跳？

近年来，一种名为“PCB嵌入式封装”的创新技术应运而生。它打破常规，直接将半导体裸芯片“埋入”多层印刷电路板（PCB）内部，实现了封装与电路板的一体化。这项技术不仅能显著缩小设备尺寸，还能带来更优越的电气和热性能，尤其对于新兴的第三代半导体材料，如氮化镓（GaN）HEMT，其优势更是前所未有。本文将深入探讨PCB嵌入式封装的奥秘，并剖析它如何成为GaN器件的理想伴侣。

一、为何需要“埋”起来？PCB嵌入式封装的核心优势

PCB嵌入式封装（PCB Embedding）并非横空出世，而是功率电子领域为解决长期痛点而诞生的革命性方案。其核心优势主要体现在以下几个方面：

• 极低寄生参数，提升系统效率：传统封装中的引线键合（wire bonding）和长电流走线会引入寄生电阻和寄生电感。这些寄生参数在快速开关时会产生损耗和振荡。通过将芯片直接嵌入PCB，可以大大缩短电流回路，将杂散电感降低到1 nH以下。对于工作在高频段的GaN HEMT来说，这至关重要，因为低杂散电感意味着更低的开关损耗，从而实现更高的系统效率。
• 极致紧凑，减小体积和重量：嵌入式封装将芯片集成到PCB内部，消除了传统封装外壳和表面贴装（SMD）所需的空间，从而实现功率转换器尺寸的显著缩小。这种高体积功率密度对于电动汽车等空间受限的应用具有巨大吸引力。
• 高效散热，增强热稳定性：嵌入式封装可以利用PCB中的厚铜基板进行高效散热。这一设计能显著降低热阻，将芯片产生的热量快速传导出去，从而提高器件的可靠性和工作寿命。

二、PCB嵌入式封装的三大主流工艺

为了实现芯片的“深埋”，业界发展出了多种主流工艺，每种都有其独特的流程和特点。本文重点介绍了三种商业化程度较高的工艺流程：

• 基板上芯片工艺（Chip-on-Substrate）：这是一种较早期的工艺，芯片首先被附着在一个PCB底层基板上，然后通过堆叠预浸料层（prepregs）将其包裹起来。预浸料层会预先切割出与芯片尺寸匹配的孔洞，以便放置芯片。随后，通过真空层压、激光钻孔和电镀等步骤，建立芯片顶部的电连接。
• 腔内芯片工艺（Chip-in-Cavity）：该工艺通过在厚的铜基板上制造一个与芯片厚度相等的凹槽（腔体），将芯片平齐地放置其中。这样做的好处是简化了预浸料的堆叠，无需切割孔洞。后续的层压和电镀步骤与前一种工艺类似。
• 双面微孔工艺（Double-side Microvia）：这是一种更为先进的工艺。芯片被粘合到薄铜箔上，然后在芯片顶部和底部同时进行激光钻孔，并通过电镀形成微孔连接。这种方法避免了传统的芯片底部焊层，所有电连接都通过铜电镀实现，从而提高了可靠性。该技术尤其适用于GaN HEMT，因为GaN器件通常是横向结构，所有功能性触点都位于芯片顶面，但底部衬底需要接地，双面微孔工艺可以很好地实现双面连接。

三、从“硅”到“镓”，PCB嵌入式如何赋能GaN HEMT？

PCB嵌入式封装特别适用于与快速开关的宽禁带半导体相结合，例如SiC MOSFET和GaNHEMT。这并非偶然，由GaN器件的固有特性所决定。

GaN HEMT是一种横向器件，其栅极、源极和漏极触点都位于芯片顶部，而底部衬底通常需要接地。这种结构与传统的硅基IGBT或MOSFET的垂直结构不同。为了充分发挥GaN器件的超高开关频率优势，必须将功率回路中的杂散电感降至最低。PCB嵌入式封装通过其扁平、紧凑的结构，能将寄生电感降至亚纳亨（sub-nanohenry）级别。有研究表明，对于GaN HEMT半桥，杂散电感可以降至0.5 nH左右。这比传统封装（如Infineon FS50R12W2T7）的40 nH杂散电感低一个数量级以上。

此外，GaN器件的另一大挑战是热管理。虽然GaN器件本身热导率较高，但如果封装无法有效散热，其性能和可靠性将大打折扣。PCB嵌入式封装利用厚铜基板和导热材料，可以实现高效散热。其单位面积热阻可达到20-40 mm2K/W，与传统封装的40 mm2K/W相当，甚至可以通过双面冷却或集成液冷技术进一步降低。

正是由于PCB嵌入式封装在电气性能和热性能上的双重优势，使得GaN HEMT能够“如鱼得水”。例如，GaN Systems公司的GaN PX嵌入式封装，它就是采用AT&S的ECP技术制造的，是这一技术商业化的一个成功范例。

四、挑战与展望：通往未来的“拦路虎”

尽管PCB嵌入式封装前景广阔，但其产业化之路并非坦途。文献也坦诚地讨论了该技术面临的一些挑战：

• 芯片金属化：目前大多数功率半导体的顶部金属化层是铝，而PCB嵌入式工艺需要铜金属化层才能进行后续的微孔电镀。虽然研究人员已开发出晶圆级或芯片级镀铜技术，尚未大规模集成到商业生产线中。
• 热机械应力：PCB、铜和半导体芯片等异质材料的热膨胀系数（CTE）差异，在高温组装和温度循环过程中会产生热机械应力。这种应力可能导致芯片开裂或分层。可以通过双面镀铜或使用具有低CTE的层压材料来缓解这一问题。
• 可靠性问题：尽管嵌入式封装在功率循环测试中表现出色，甚至超过了传统的引线键合模块，但仍需关注其他潜在的失效模式，如微孔分层或介电击穿。

尽管存在这些挑战，PCB嵌入式封装技术正在逐步从实验室走向商业化。一些公司正在建立专门的开发和生产能力，尤其是在欧洲和亚洲，预示着这项技术即将迎来大规模应用。

结论

PCB嵌入式封装作为一种颠覆性的功率半导体集成技术，通过将芯片与电路板深度融合，有效解决了传统封装的痛点。它为功率电子带来了前所未有的低寄生参数、高功率密度和高效散热能力。对于GaN HEMT这类追求极致高频、高效的宽禁带半导体而言，PCB嵌入式封装无疑是其性能释放的理想平台。虽然技术挑战依然存在，但随着产业界的不断投入和技术进步，我们有理由相信，这项“埋”入式技术将成为未来功率电子领域，特别是电动汽车、工业驱动和可再生能源等高压大功率应用中的主流封装形式。

来源：芯氮鎵速记

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