在新能源汽车电驱系统向 800V + 高压平台、高功率密度、高效率方向演进的过程中，碳化硅（SiC）功率器件的性能发挥高度依赖封装技术。传统框架式、注塑式封装因引线键合带来的长互联路径，导致寄生参数过大，已成为制约 SiC 器件高频、高速开关特性充分释放的核心瓶颈。嵌入式 PCB 封装技术（Embedded PCB Packaging）通过将 SiC 芯片直接埋嵌于 PCB 基板内部，实现了功率模块互联路径的极致缩短与结构的高度集成，为车载高压功率模块的性能跃升提供了全新解决方案。本文将从技术机理、性能优势、拓扑拓展、量产瓶颈及解决方案等维度，对该技术进行深度解析。
一 嵌入式 PCB 封装的技术机理与结构特征
1. 核心封装逻辑
嵌入式 PCB 封装的本质是打破芯片与基板的传统互联范式，摒弃引线键合（Wire Bonding）与倒装焊（Flip Chip）的外部互联方式，将 SiC 裸芯片直接埋入 PCB 基板的内嵌腔体内，通过 PCB 的金属化过孔、埋入式导线实现芯片与外部电路的电气连接，形成 “芯片 - PCB 基板 - 互联结构” 一体化的封装形式。
2. 关键结构设计
芯片埋嵌工艺
通过激光打孔、机械铣削等方式在 PCB 基板内部制作高精度内嵌腔体，将 SiC 芯片精准埋入后，采用导电胶、烧结银等材料实现芯片与腔体的物理固定及底部散热通道的构建。互联路径优化
利用 PCB 的多层布线能力，将芯片的源极、漏极、栅极通过埋入式导线与 PCB 表面的引脚或焊盘直接连接，互联路径长度从传统封装的毫米级缩短至微米级。散热结构设计
通过 PCB 基板的高导热材料选型（如高导热 PP、陶瓷填充基板）及埋入式散热通道（如金属化散热过孔），构建芯片至外部散热器的垂直散热路径。
3. 典型应用实例
采埃孚（ZF）推出的嵌入式逆变器功率模块，采用该技术实现了极致的结构紧凑性：封装尺寸仅为 2 个 iPhone 16 并排大小（约 180mm×70mm），却能实现 600A 的有效输出电流，功率密度达到传统框架式模块的 2-3 倍，验证了嵌入式 PCB 封装在车载高压场景的工程可行性。
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二 嵌入式 PCB 封装的核心性能突破：寄生参数抑制与能效提升
1. 寄生电感的极致抑制
（1）寄生电感的危害机理
SiC 器件作为第三代宽禁带半导体，其开关速度可达传统硅（Si）器件的 10 倍以上，di/dt 可达到 1000A/μs 级别。在传统封装中，引线键合的电感（典型值为 10-30nH）与长距离电流走线的寄生电感叠加，会在开关过程中产生显著的电压尖峰：Vspike=Lparasitic×di/dt当电压尖峰超过 SiC 器件的阻断电压（V_DSS）时，会导致器件雪崩击穿，同时引发电磁干扰（EMI）超标、后端负载故障等连锁问题。
（2）嵌入式封装的抑制效果
通过将芯片埋入 PCB 内部，电流回路长度大幅缩短，寄生电感可降低至纳亨级（~1nH），相较于传统封装降低 80% 以上。这一突破从根本上解决了 SiC 器件高速开关与寄生电感的矛盾，使器件的开关损耗降低、EMI 特性优化，为 800V 高压平台的稳定运行提供了关键保障。
2. 能效与成本的双重优化
（1）能量损耗的显著降低
在 800V SiC 功率模块的 WTC 循环损耗测试中，嵌入式 PCB 封装相比传统框架式封装表现出压倒性优势：
- 开关损耗降低50%-70%，源于寄生电感的减少与开关电压尖峰的抑制；
- 导通损耗降低10%-20%，源于互联路径电阻的减小。
（2）半导体用量的大幅节约
在满足相同输出功率要求的前提下，嵌入式封装的紧凑结构与高效能效，可使 SiC 芯片的用量比框架式模块减少20%-30%。以 800V 车载逆变器为例，传统模块需 4-6 颗 1200V/200A SiC MOSFET，而嵌入式模块仅需 3-4 颗即可实现同等性能，直接降低核心器件的采购成本。
3. 热管理性能的提升
嵌入式封装通过构建垂直散热路径，芯片产生的热量可直接通过底部烧结层、PCB 金属化散热过孔传递至外部散热器，相比传统封装的横向散热路径，热阻降低 30%-40%，有效提升模块的功率循环寿命与长期可靠性。
三 拓扑拓展能力：高级电路拓扑的产业化落地
传统框架式封装因结构刚性强、互联路径固定，难以实现复杂的电路拓扑设计。嵌入式 PCB 封装凭借 PCB 基板的高度布线灵活性，为车载功率模块的拓扑创新提供了可能：
1. 三电平混碳拓扑
三电平拓扑相比传统两电平拓扑，具有输出电压谐波小、开关损耗低、器件电压应力小等优势，但需要更复杂的互联结构与器件布局。嵌入式 PCB 封装通过多层布线与芯片埋嵌的灵活设计，可实现三电平混碳拓扑的紧凑集成，使模块的效率进一步提升 2%-3%。
2. 集成化拓扑
嵌入式封装支持功率模块与母线电容、驱动板、传感器的一体化集成，形成 “功率单元 - 控制单元 - 储能单元” 的高度集成模块。舍弗勒（Schaeffler）已基于该技术推出 800V SiC 嵌入式集成模块，将功率器件、母线电容与高压驱动板集成于单一 PCB 基板，模块体积较传统方案缩小 40%。
四 量产瓶颈：高压大功率车载场景的技术挑战
尽管嵌入式 PCB 封装优势显著，但在 800V 及以上高压大功率车载领域，量产落地仍面临多重技术挑战，核心集中在材料适配性、绝缘可靠性、工艺稳定性三大维度。
1. 材料热膨胀系数（CTE）不匹配问题
PCB 基板材料（如 FR-4，CTE 约为 15-20ppm/℃）与 SiC 芯片（CTE 约为 3.5ppm/℃）的热膨胀系数存在巨大差异，在封装过程的高温工艺（如烧结银固化温度 250℃、PCB 层压温度 180℃）与服役过程的温度循环中，会产生显著的热应力：
- 芯片与 PCB 基板的界面产生剥离，导致散热路径失效、接触电阻增大。
这一问题在高压模块中更为突出，当电压跃升至 800V 及以上时，热应力引发的界面失效会直接导致模块短路。
2. 高压绝缘可靠性挑战
（1）爬行距离不足问题
嵌入式封装的芯片埋嵌结构导致高压线路的爬行距离（沿绝缘表面的最短距离）大幅缩短，而车载高压模块的耐压等级要求达到 1200V 以上。根据 IEC 60664 标准，1200V 高压系统的最小爬行距离需达到 8mm 以上，而嵌入式封装的实际爬行距离往往不足 3mm，存在严重的绝缘击穿风险。
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（2）新型失效模式
800V 及以上高压场景下，嵌入式模块出现了传统封装未遇到的新型失效模式，如沿面放电、电迁移、绝缘层老化等，其作用机理、失效判据及应对策略尚未完全明确，缺乏成熟的可靠性验证标准。
3. 工艺稳定性难题
（1）厚铜层电镀导致的芯片翘曲
嵌入式封装需要 PCB 基板的铜层厚度达到 30-50μm，以满足大电流载流能力要求。但在厚铜层电镀过程中，电镀应力会导致 PCB 基板发生翘曲，进而带动埋入的 SiC 芯片产生超过 100μm 的翘曲量，超过芯片的许用翘曲极限（通常为 50μm），导致芯片晶格损伤、性能退化。
（2）烧结工艺的一致性控制
芯片与 PCB 腔体的连接通常采用烧结银工艺，烧结银的致密度、界面结合强度直接影响模块的散热性能与可靠性。但在批量生产中，烧结温度、压力、保温时间的微小波动都会导致烧结质量的差异，难以实现大规模一致性控制。
（3）激光打孔的精度与容错性
PCB 内嵌腔体的制作依赖激光打孔技术，需要实现微米级的精度控制。但在批量生产中，激光功率的衰减、PCB 材料的不均匀性会导致腔体尺寸偏差，影响芯片的埋嵌精度与互联可靠性。
五 主流技术方案与突破方向
针对上述量产瓶颈，行业已形成多种技术方案，可分为绝缘方案与工艺优化方案两大类别。
1. 高压绝缘解决方案
（1）PP 内绝缘方案
技术核心：将传统的导热绝缘层替换为高导热 PP 材料（如改性聚丙烯，导热系数≥1W/m・K），通过 PP 材料的层压工艺实现芯片与 PCB 基板的绝缘隔离，同时提供一定的导热能力。优势：工艺成熟、成本较低、可与现有 PCB 层压工艺兼容，是当前最具量产潜力的绝缘方案。局限：导热性能有限，难以满足高功率密度模块的散热需求；长期高温服役下，PP 材料易老化，绝缘性能下降。
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（2）AMB 陶瓷内绝缘方案
技术核心：采用绝缘陶瓷部件（如氮化铝 AlN、氮化硅 Si3N4，导热系数≥100W/m・K）作为芯片与 PCB 基板的绝缘层，陶瓷材料兼具高绝缘性、高导热性与低 CTE 特性，与 SiC 芯片的 CTE 匹配性更好。优势：绝缘性能优异、导热能力强、热稳定性好，是高压大功率车载场景的理想方案。局限：陶瓷部件的制备工艺复杂、成本高昂；陶瓷与 PCB 基板的连接难度大，批量生产的一致性控制困难。
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（3）无绝缘方案
技术核心：不设置专门的绝缘层，直接将芯片埋入 PCB 基板。应用场景：仅适用于 48V 低压场景，如车载 DC-DC 转换器、辅助电源等，无法满足高压车载需求。
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2. 工艺优化突破方向
（1）材料改性
- 研发低 CTE PCB 基板材料，如陶瓷填充的 FR-4 复合材料，将 CTE 降低至 8-10ppm/℃，缩小与 SiC 芯片的 CTE 差异；
- 开发高导热改性 PP 材料，通过添加陶瓷颗粒、碳纳米管等填料，将导热系数提升至 3-5W/m・K，兼顾绝缘与散热需求。
（2）工艺创新
- 采用分步电镀工艺，降低厚铜层电镀过程中的应力，减少芯片翘曲；
- 开发无压烧结银工艺，通过优化烧结银浆料配方，实现无压条件下的高质量烧结，提升工艺一致性；
- 引入机器视觉检测技术，实现激光打孔、芯片埋嵌、烧结质量的在线检测与容错控制。
六 行业进展与产业化展望
1. 头部企业布局
英飞凌（Infineon）
率先推出 48V 低压嵌入式 PCB 封装模块，验证了技术可行性，目前正开展 800V 高压方案的研发；采埃孚（ZF）
实现嵌入式逆变器模块的工程化应用，已搭载于部分高端新能源汽车原型车；舍弗勒（Schaeffler）
推出 800V SiC 嵌入式集成模块，实现功率器件、母线电容与驱动板的一体化集成；国内企业
深南电路、长电科技、华天科技等企业已开展车载 SiC 嵌入式封装的技术研发。
2. 产业化时间线
短期（1-2 年）
PP 内绝缘方案实现小规模量产，主要应用于 800V 中功率车载逆变器（功率≤150kW）；中期（3-5 年）
MB 陶瓷内绝缘方案突破量产瓶颈，应用于 800V 高功率车载逆变器（功率≥200kW）；长期（5-10 年）
材料改性与工艺创新取得重大突破，嵌入式 PCB 封装成为车载 SiC 功率模块的主流封装形式，功率密度提升至 5kW/cm³ 以上。
七 结论
嵌入式 PCB 封装技术通过芯片埋嵌与互联路径优化，实现了车载 SiC 功率模块寄生参数的极致抑制、能效的大幅提升与拓扑的灵活拓展，是高压平台下电驱系统性能跃升的核心支撑技术。尽管当前面临材料适配、绝缘可靠、工艺稳定等量产瓶颈，但随着 PP 内绝缘方案的成熟、MB 陶瓷方案的突破以及材料与工艺的持续创新，该技术必将在未来 3-5 年内实现规模化量产，推动新能源汽车电驱系统向更高功率密度、更高效率、更低成本方向发展。对于碳化硅器件产业链而言，嵌入式 PCB 封装不仅是封装环节的技术革新，更是芯片设计、基板材料、工艺装备等上下游环节的协同创新机遇，将重构车载功率模块的产业竞争格局。
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