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电动汽车驱动
★ 5.0
用于小型出行工具高度集成电力电子的裸芯片嵌入技术
Bare-Die Embedding Technique for Highly Integrated Power Electronics for Small Mobility
| 作者 | Shahid Aziz Khan · Feng Zhou · Mengqi Wang · DucDung Le · Shivam Chaturvedi |
| 期刊 | IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 小型移动车辆 裸片嵌入PCB技术 功率电子单元 续航里程 热模型 |
语言:
中文摘要
电动滑板车等小型移动交通工具正成为向电动化交通转型的重要组成部分。然而,续航里程有限和缺乏车载充电能力是其广泛应用面临的主要挑战,这是由于小型移动交通工具底盘上用于安装电力电子单元和电池的空间有限所致。本研究引入了一种新的裸芯片嵌入式印刷电路板(PCB)封装技术,该技术可确保电力电子单元实现非常紧凑、高功率密度的集成化设计。该设计将开关器件的裸芯片嵌入到PCB层中,并使用多层结构进行布线和散热。采用胃细胞法将硅(Si)MOSFET裸芯片嵌入到FR4层中,通过激光钻孔微过孔和铜填充实现电气连接和散热。与传统的TO - 247封装方法相比,这种电热设计将寄生回路电感降低了74%,功率密度提高了113%,并使小型移动交通工具的续航里程增加了16.6%。此外,还提出并验证了适用于裸芯片嵌入式电路板的新热模型。利用所提出的裸芯片嵌入技术开发了集成电机驱动器和车载充电器的高功率密度电力电子单元,并通过基准对比评估了所提出的裸芯片嵌入技术的有效性。
English Abstract
Small mobility vehicles such as electric scooters are becoming an integral part of the transition toward electrified transportation. However, the limited driving range and the lack of onboard charging capability are the major challenges for widespread adaptation, which arises due to the limited space for power electronics units and batteries on the chassis of small mobility vehicles. This research introduces a new bare-die embedding printed circuit board (PCB) packaging technology, ensuring a very compact, high power density, and integrated design for the power electronics unit. The design incorporates the bare die of the switching devices into the PCB layers and uses multilayers for routing and cooling purposes. A silicon (Si) MOSFET bare die is embedded into the FR4 layers using the stomach cell approach, electrically connected, and cooled through laser-drilled micro vias and copper fills. The electrothermal design reduces the parasitic loop inductance by 74%, increases the power density by 113%, and enhances the driving range of the small mobility vehicle by 16.6% compared with the traditional TO-247 packaging approach. Moreover, a new thermal model is also presented and validated for the bare-die embedded board. A high power density power electronics unit integrating the motor drive and the onboard charger was developed using the proposed bare-die embedding technology, and a benchmark comparison was made to evaluate the effectiveness of the proposed bare-die embedding technique.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项裸芯片嵌入式PCB封装技术具有重要的战略价值和应用潜力。该技术通过将功率器件裸芯片直接嵌入多层PCB结构,实现了74%的寄生电感降低和113%的功率密度提升,这与我们在光伏逆变器、储能变流器等核心产品上追求的小型化、高效化目标高度契合。
在光伏逆变器领域,特别是户用和工商业分布式系统中,该技术可显著缩小逆变器体积,降低安装空间需求,提升系统集成度。通过激光微孔互连和铜填充的散热方案,能够有效解决高功率密度带来的热管理挑战,这对于提升逆变器在高温环境下的可靠性至关重要。对于储能变流器(PCS)产品,该技术的双向功率流设计理念与论文中集成电机驱动和车载充电器的思路相通,可为我们开发更紧凑的储能系统提供技术路径。
然而,技术应用仍面临挑战。首先,该技术目前仅验证了硅基MOSFET,而我们的高压大功率产品更多采用IGBT或碳化硅器件,需要评估在不同器件类型和更高电压等级下的适用性。其次,FR4基板的耐温性能和长期可靠性能否满足光伏逆变器25年以上的使用寿命要求,需要深入验证。此外,裸芯片采购、嵌入工艺的良率控制以及与现有供应链的兼容性也是产业化的关键考量因素。
建议我们关注该技术在微型逆变器、便携式储能电源等对体积敏感的产品线上的应用可行性,同时跟踪其在宽禁带半导体器件上的技术演进,为未来产品迭代储备技术方案。