被動元件技術發展

電流是否符合歐姆定律」將元件區分為主動(Active)元件與被動(Passive)元件兩種，

這亦是構成現今電子電路之主要元件。

圖2-2：電子電路元件分類圖 2-1.1、電阻 (Resistor, R)

電阻器之定義為單位電流於電阻器兩端所形成之壓降，壓降越大，代表電阻值

2-1.2、電容 (Capacitor, C) 電子電路

線性電路 Linear Circuit

非線性電路 Non-Linear Circuit

主動性元件 Active Device 被動性元件

Passive Components

二極體

(

)、

(

)、

電容之定義為每外加單位伏特電壓下，兩導體電板所容納之電荷值。求取電容 (Multi-layer Ceramic Capacitor, MLCC)、圓板型陶瓷電容器、AC安規陶瓷電 容等，各類電容器之優缺點及其趨勢比較表如表2-1 [4]。

電容器的功能包括濾波、整流、耦合及高速充放電等主要功能。一般在 電子產品內被動元件之使用，以電容器之用量最多，約占組裝被動元件總數的

四至七成[5]，當電子系統愈趨複雜，主動元件工作電壓 一再降低與功能不斷

強化的趨勢下，訊號線（Signal line）與接腳數（I/O）持續的添加，解電磁 耦合（Decoupling）消減雜訊效應所用到低容值的旁路（By-pass）電容器，

其數目上也隨之有增多的趨勢。

A ε

d

＋Q

-Q

表2-1：各類電容器之優缺點及其趨勢比較[4]

2-1.3、電感 (Inductor, L)

電感之定義為電感器通過單位安培電流時產生之磁通量大小。求取電感

Interference, EMI） 的 問 題 備 受 重 視 ， 而 電 感 器 具 有 防 制 電 磁 波 干 擾 （ EMI Shielding）之功能，所以電感器的發展在電子元件中的重要性亦愈趨重要，

電感器依產品型態，大致上可分為傳統線圈式電感與晶片電感等兩大類，由於 電子產品的輕薄短小化已成趨勢，積層晶片型電感已成電感器的主流技術。

2-2、被動元件分類型式：

被動元件通常可以引腳型或表面接合型分離式、陣列式以及及整合式的 類型來分類，各種型式之被動元件成品如圖2-3所示。

(a)單層陶瓷/鋁質電解電容器 (b)積層陶瓷電容器

(c)晶片電容器

圖2-3：各種型式被動元件成品圖[2]

其中值得注意的是，各種不同電氣特性與功能之被動元件有著各自不同 的元件結構、材料及容許誤差，在被動元件的發展上，可概略分成以下三個方 向來觀察：

1. 以被動元件之功能來看：

包含兩種型態的發展，一種是單一型被動元件製造技術發展，例如：晶片 式 電 阻 、 晶 片 式 電 感 、 積 層 陶 瓷 電 容(Multi-Layer Ceramic Capacitors, MLCC)等，積極改良單一性功能之元件製程，另一種則是整合式被動元件 技術發展，例如：高溫共燒陶瓷（High-Temperature Co-fired Ceramics；

HTCC）技術、低溫共燒陶瓷（Low-Temperature Co-fired Ceramics；LTCC）

技術、薄膜式被動元件（Thin Film Passive）及埋入式被動元件（Embedded Passive）等，提供了主動元件或模組與被動元件的整合能力。

2. 以被動元件與系統間的連接關係來看：

自1960年引腳插入接合式（Through Hole Device, THD）開始發展，之後 有 表 面 接 合 式 （Surface Mount Device, SMD ） 與 埋 入 式 被 動 元 件

（Embedded Device）兩種技術的發展，表面接合技術發展至今已有十餘 年，近年來晶片型（Chip Type）被動元件出現後，被動元件之尺寸愈趨微 小，甚至還可將0402（1㎜×0.5㎜×0.5㎜）的電容單體製做成陣列（Array）

型態的元件，擠列30顆於CPU載板腹底中央的狹地上，且因其單價便宜又 品質優良，所以一直為當前技術之主流。

埋入式被動元件技術之發展最早商品化的是Ohmega-ply公司，其利用 線路基本之內層板面原有銅箔的毛面（Matt Side）上，形成磷鎳合金層之 薄 膜 ， 當 做 電 阻 性 元 件 （Resistive Element） 壓 合 成 為 薄 核 心 層 （ Thin core），再利用光阻與蝕刻的線路圖案化技術，於特定位置形成所需的薄膜” 電阻器”，當時之技術命名為Buried Resistor。1992年美國公司Zycon在高 階多層基板中之Vcc/GND內層之間，加入介質層（2-4mil）的內層板，利 用廣大面積的平行金屬銅板面，製作成為整體性的電容器，商名稱為Buried Capacitor，此後埋入式被動元件之技術成為高密度內連結（High Density Interconnect, HDI）技術的一部份[5]。

3. 以被動元件製程來看：

則可分為陶瓷共燒技術、薄膜技術與內埋製程技術三類技術發展，各自有 其特色及優勢，至今此三類技術仍持續發展並進中。

2-3、被動元件種類與製程技術：

2-3.1 表面接合式被動元件

早年的線路基板使用引腳插入型的元件，線路基板需先鑽洞，元件引腳 穿過後再加以湧錫銲接技術來接合。由於元件體積大，引腳間無法太過靠近，

線路基板背面又是銲接接點無法加以利用，致空間上造成許多浪費，至70年 代末，出現一種新的線路基板裝配技術，名為表面接合技術（Surface Mount Technology, SMT）， 這 種 技 術 是 將 元 件 上 的 引 腳 係 銲 接 在 線 路 基 板 的 表 面 上，而非貫穿線路基板，使得線路基板兩面均可設置元件，並使用表面接合迴 銲（Solder Reflow）技術銲接元件於線路基板上如圖2-4，相對於引腳插入型 元件而言，表面接合式的元件體積更是小得許多，但元件的密集程度若與積體

Substrate

R L C

化釕的電阻材料印刷上去，再印上保護用的薄層玻璃粉，經過高溫燒結後成為 晶片電阻。由於印刷時電阻材料的黏度、溶劑的比例，以及製程上其他的變因，

造成成品上電阻值的誤差，所以成品仍需要經過雷射切割，才能生產出合乎標 準的產品。

表面黏著型的電容又稱為晶片陶瓷電容，因電容量的大小與電極面積成 正比，而積層陶瓷電容的尺寸又比傳統圓板形陶瓷電容小得多，因此，電極的 排列就朝向立體化發展，同樣使用網印的技術，將導體與介電層交錯地印刷在 絕緣基材上，使得電極的總面積隨著堆疊層數增加而變大，積層陶瓷電容就是 利用疊印技術，將每一層的導體與絕緣體縮減到只有幾十微米的厚度，一個元 件裏面堆疊了數十層，甚至上百層，而元件總厚度卻只有一、二公厘而已，其 結構如圖2-5所示[7]。同樣的製作方式也可應用到積層晶片電感器。

圖2-5：積層陶瓷電容結構圖[7]

整體而言，積層陶瓷被動元件利用網印技術來製作，所使用之材料有網 版及油墨，而油墨又包含導體油墨及介電油墨。網印使用的網版是由不鏽鋼絲 製成的網布，目前較常使用的網印解析度大約50微米，相當於一根頭髮的寬 度，而使用的油墨，不論是導體或是絕緣體，其顆粒都必須能透過網布上的網 孔，因此，除原料顆粒大小必須加以控制外，也要防止粒子過度聚集，製作環

境也要管制避免灰塵雜質污染。導體油墨包含了導電粒子、樹脂、溶劑和少許

而且是以英制單位來表示。近幾年來，元件在尺寸上已從2220、1812、1210 縮小至以1206、0805、0603、0402為主，甚至於更小的0201及01005。

2-3.3 低溫共燒陶瓷

低溫共燒陶瓷（LTCC）技術是相對於高溫共燒陶瓷（HTCC）而言，LTCC 與HTCC的區別在於陶瓷粉體配料和金屬化材料不同，LTCC在燒結上控制更 容 易 ， 燒 結 溫 度 更 低 。 圖2-6為 低 溫 共 燒 陶 瓷 製 程 流 程 圖[8]， 主 要 採 用 低 溫

（850℃~900℃）燒結瓷料與有機黏合劑/增塑劑按一定比例混合，通過流延 生成生瓷帶或生胚片，在生瓷帶送上形成通孔或電射鑽孔、金屬化佈線及通孔 金屬化，然後進行疊片、熱壓、切片、排膠、最後約900℃低溫燒結製成多層 佈線基板。

而HTCC的燒結溫度需在1500℃以上，所採用的高熔點金屬如鎢、鉬、錳 等導電性能較差，所以燒結收縮並不如LTCC易於控制，但HTCC已是一種成

熟 技 術 ， 產 業 界 已 對 材 料 和 技 術 均 已 有 相 當 的 瞭 解 ， 且 氧 化 鋁 的 機 械 強 度 比 LTCC介質材料的機械強度高得多，此外，氧化鋁的熱導率比LTCC介質材料的 熱 導 率 幾 乎 要 高20 倍 。 低 溫 共 燒 陶 瓷 與 高 溫 共 燒 陶 瓷 特 性 比 較 整 理 如 表 2-2[10]。

圖2-6：LTCC製程流程圖[7][9]

LTCC利 用 陶 瓷 材 料 作 為 基 板 ， 將 電 容 、 電 阻 等 被 動 元 件 埋 入 陶 瓷 基 板 中，並採用金、銀、銅等貴金屬共燒形成電極，再印刷塗佈電路，最後在攝氏 850~900度中燒結而形成整合式陶瓷元件。當整塊低溫共燒陶瓷模組黏到電路 板上時，裏面就包含了上百顆的被動元件和部分的線路，如此可大幅縮減元件 之間的空間，但仍有其限制和缺點，例如不同的材料隨著疊印層數的增加，製 作困難度就越高。其次，所有元件燒結在一起後就無法將其分割，若線路設計 有所修改，整個元件便要全部重做，因此，LTCC元件大多是為了某一個特定 功能的電路。

表2-2：HTCC與LTCC之比較[10]

2-3.4 薄膜式被動元件

關於被動元件的整合，因為受限於材料、技術以及經驗等等，發展進度 並不如預期快速，目前技術較為成熟的是利用陶瓷材料，以LTCC的技術將被 動 元 件 整 合 於 基 板 之 內 ， 雖 然 陶 瓷 材 料 成 本 並 不 昂 貴 ， 但 是 由 於 生 產 費 用 過 高，不易達到降低單價的目標。此外，PCB板上幾乎都採用SMT的技術生產，

隨著元件體積縮小化之後，表面黏著設備不易處理過小元件，例如0402或0201 等等，於是就有人開始研究將積體電路的薄膜技術用來整合被動元件，企圖能 解決上述之問題。

主 動 式 與 被 動 式 元 件 於 製 造 技 術 上 最 大 的 差 異 在 於 主 動 元 件 用 的 是 曝 光、顯影、鍍膜、擴散、蝕刻等「薄膜製程」，每層的厚度很少超過一個微米

（0.01~1μm），而被動元件使用的是網版印刷與高溫燒結等「厚膜製程」，每 一層的厚度至少都有幾個微米（5~10μm），在線寬的解析度上兩者更相差了 百倍以上，以晶片電阻為例，0201的晶片電阻產品外觀尺寸才0.5×0.25mm，

對網印製程而言是極難跨越的技術瓶頸，相對於薄膜製程能力而言卻仍是有所 餘裕[11]。

也因製程能力上的差異，使得共燒陶瓷元件與積體電路元件很難以相同 的製程整合在同一塊基板上，只能用覆晶封裝等技術將積體電路的矽晶片直接 黏貼到主機板上，以減少封裝所占的面積。由於薄膜製程可以使被動元件所占

也因製程能力上的差異，使得共燒陶瓷元件與積體電路元件很難以相同 的製程整合在同一塊基板上，只能用覆晶封裝等技術將積體電路的矽晶片直接 黏貼到主機板上，以減少封裝所占的面積。由於薄膜製程可以使被動元件所占