集成無源元件對(duì)PCB技術(shù)發(fā)展的影響

　　摘 要 ：集成無源元件技術(shù)可以集成多種電子功能，具有小型化和提高系統(tǒng)性能的優(yōu)勢(shì)，以取代體積龐大的分立無源元件。文章主要介紹了集成無源元件技術(shù)的發(fā)展情況，以及采用IPD薄膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)電容。電阻和電感的加工，并探討了IPD對(duì)PCB技術(shù)發(fā)展的影響。

　　1 引言

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體從微米制程進(jìn)入納米制成后，主動(dòng)式電子元件的集成度隨之大幅提升，相對(duì)搭配主動(dòng)元件的無源元件需求量更是大幅增長(zhǎng)。電子產(chǎn)品的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)為輕薄短小，所以半導(dǎo)體制程能力的提升，使相同體積內(nèi)的主動(dòng)元件數(shù)大增，除了配套的無源元件數(shù)量大幅增加，也需要有較多的空間來放置這些無源元件，因此必然增加整體封裝器件的體積大小，這與市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)大相徑庭。從成本角度來看，總成本與無源元件數(shù)量成正比關(guān)系，因此在大量無源元件使用的前提下，如何去降低無源元件的成本及空間，甚至提高無源元件的性能，是當(dāng)前重要的課題之一。

　　IPD（Integrated Passive Devices集成無源元件）技術(shù)，可以集成多種電子功能，如傳感器。射頻收發(fā)器。微機(jī)電系統(tǒng)MEMS.功率放大器。電源管理單元和數(shù)字處理器等，提供緊湊的集成無源器件IPD產(chǎn)品，具有小型化和提高系統(tǒng)性能的優(yōu)勢(shì)。因此，無論是減小整個(gè)產(chǎn)品的尺寸與重量，還是在現(xiàn)有的產(chǎn)品體積內(nèi)增加功能，集成無源元件技術(shù)都能發(fā)揮很大的作用。

　　在過去的幾年中，IPD技術(shù)已經(jīng)成為系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）的一個(gè)重要實(shí)現(xiàn)方式，IPD技術(shù)將為 “超越穆爾定律”的集成多功能化鋪平道路；同時(shí)，PCB的加工可以引入IPD技術(shù)，通過IPD技術(shù)的集成優(yōu)勢(shì)，可以彌合封裝技術(shù)和PCB技術(shù)之間不斷擴(kuò)大的差距。

　　IPD集成無源元件技術(shù)，從初的商用技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到目前以取代分立無源元件，在ESD/EMI.RF.高亮度LED.數(shù)字混合電路等行業(yè)帶動(dòng)下穩(wěn)步增長(zhǎng)。

　　Yole關(guān)于薄膜集成無源和有源器件的研究預(yù)計(jì)，到2013年總市場(chǎng)份額超過10億美元，IPD技術(shù)將被廣泛應(yīng)用于航空航天。.醫(yī)療。工控和通訊等各個(gè)領(lǐng)域的電子行業(yè)。

　　2 薄膜IPD技術(shù)介紹

　　IPD技術(shù)，根據(jù)制程技術(shù)可分為厚膜制程和薄膜制程，其中厚膜制程技術(shù)中有使用陶瓷為基板的低溫共燒陶瓷LTCC（Low Temperature Co-firedCeramics）技術(shù)和基于HDI高密度互連的PCB印制電路板埋入式無源元件（Embedded Passives）技術(shù)；而薄膜IPD技術(shù)，采用常用的半導(dǎo)體技術(shù)制作線路及電容。電阻和電感。

　　LTCC技術(shù)利用陶瓷材料作為基板，將電容。電阻等被動(dòng)元件埋入陶瓷基板中，通過燒結(jié)形成集成的陶瓷元件，可大幅度縮小元件的空間，但隨著層數(shù)的增加，制作難度及成本越高，因此LTCC元件大多是為了某一特定功能的電路；HDI 埋入式元器件的PCB技術(shù)通常用于數(shù)字系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)里只適用于分布裝焊的電容與中低等的電阻，隨著元件體積的縮小，SMT設(shè)備不易處理過小元件。雖然埋入式印刷電路板技術(shù)為成熟，但產(chǎn)品特性較差，公差無法準(zhǔn)確把握，因?yàn)樵潜宦癫卦诙鄬影逯畠?nèi)，出現(xiàn)問題后難以進(jìn)行替換或修補(bǔ)調(diào)整。相比LTCC技術(shù)和PCB埋置元器件技術(shù)，集成電路的薄膜IPD技術(shù)，具有高。高重復(fù)性。尺寸小。高可靠度及低成本等優(yōu)點(diǎn)，未來勢(shì)必成為IPD主流，本文將主要就薄膜IPD技術(shù)進(jìn)行介紹。

　　3 薄膜集成無源元件技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)況

　　薄膜IPD技術(shù)采用曝光。顯影。鍍膜。擴(kuò)散。刻蝕等薄膜制程，一個(gè)有代表性的薄膜集成無源工藝的剖面示意圖如圖1所示，這個(gè)工藝能制作各種電阻。電容和電感元件，以及低電感接地板和連接無源元件的傳輸線走線。薄膜結(jié)構(gòu)在合適的載體襯底材料上制造，工藝既要能滿足所要求的元件性能和指標(biāo)，還不能復(fù)雜，需要掩模數(shù)較少 （一般為 6~10張 ）。每個(gè)無源元件通常占據(jù)不到 1 mm2的面積，以便能在面積和成本方面與表面貼裝技術(shù)的分立元件競(jìng)爭(zhēng)。

　　根據(jù)現(xiàn)有的IPD結(jié)構(gòu)，以發(fā)展廠商分別介紹如下：

　　（1）Telephus

　　Telephus發(fā)展的IPD采用厚銅制程，該制程可以為只具有無源元件線路提高性能。降低成本以及減小尺寸，如濾波器和分工器，厚銅金屬層（10 mm）和硅絕緣表面使無線通信系統(tǒng)和集成RF模組具有高性能表現(xiàn)，而低介電常數(shù)材料適用于減少金屬層間的寄生電容，其IPD結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　?。?）IMEC

　　IMEC的薄膜技術(shù)也是采用電鍍銅做為連接線路，BCB做為介電層，Ni/Au層做為終連接面金屬，使用多達(dá)4層的金屬層。其IPD結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　?。?）Dai Nippon

　　Dai Nippon發(fā)展的IPD電阻以Ti/Cr為主，電容采用陽極氧化形成Ta2O5的制程，電感設(shè)計(jì)為有微帶線和螺旋電感，線路以銅為主。如圖4.

　?。?）SyChip

　　SyChip發(fā)展的IPD以TaSi為電阻材料，電容的介電材料為Si3N4，上電極為Al，下電極為TaSi，電感和線路材料都采用鋁。

　　如圖5.

　　有一些公司正在采用MEMS工藝來發(fā)展IPD，如PHS MEMS公司，據(jù)該公司解釋，制造MEMS元件的方法基本上來自IC產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，一些老牌公司在開發(fā)相關(guān)技術(shù)的同時(shí)，也通過收購等手段獲得市場(chǎng)和技術(shù)，如村田（Murata）就收購了SyChip公司，期望通過該次收購擴(kuò)張其在射頻應(yīng)用市場(chǎng)的份額。

　　4 薄膜集成無源元件技術(shù)的結(jié)構(gòu)與制程

　　薄膜制程與厚膜制程的差異就在于產(chǎn)生的膜厚，一般所謂的厚膜厚度多在5 μm ~ 10 μm以上，而薄膜制程產(chǎn)生的膜厚約在0.01 μm ~ 1 μm之間。

　　如果利用薄膜制程同時(shí)形成電阻。電容。電感的元件，需要用不同的制程與材料來制作。薄膜技術(shù)應(yīng)用在半導(dǎo)體集成電路制程，技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，所以在進(jìn)行制程整合時(shí)，只需注意不同元件間材料的相容性，即可達(dá)成制程的設(shè)計(jì)。

　　整體而言，薄膜IPD集成無源元件，可因不同的產(chǎn)品應(yīng)用，制作在不同的基板上，基板可選擇硅晶片。氧化鋁陶瓷基板。玻璃基板。薄膜IPD集成無源元件技術(shù)可以集成薄膜電阻。電容和電感于一體，其制程技術(shù)開發(fā)，包括：微影加工技術(shù)。薄膜沉積加工技術(shù)。蝕刻加工技術(shù)。電鍍加工技術(shù)。無電極電鍍加工技術(shù)，整個(gè)加工流程如圖6所示。除了無源元件的整合，在硅晶片上也可以結(jié)合主動(dòng)元件的制程，將無源元件與主動(dòng)元件電路整合以達(dá)到多功能化的需求。下面就薄膜電阻。電容和電感的加工分別作簡(jiǎn)單介紹。

　?。?）薄膜電阻加工

　　薄膜電阻的制作方式通常利用濺射制程，電阻材料電鍍于絕緣基材上，再利用光阻與刻蝕的技術(shù)，加工出電阻圖形以獲得設(shè)計(jì)的電阻值，其制程示意圖如圖7所示。

　　在材料的運(yùn)用上，需要考慮電阻材料的TCR即不同溫度下的電阻變化率。薄膜電阻的形成方式有真空蒸鍍。濺射。熱分解以及電鍍，而常用的電阻材料則包含有單一成分金屬。合金及金屬陶瓷三類。

　?。?）薄膜電容加工

　　因?yàn)镸IS（Metal-Insulator-Semiconductor金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)）薄膜電容利用半導(dǎo)體作為底電極，使電容本身具有寄生電阻，造成元件的共振頻率降低，無法應(yīng)用于200 MHz以上的率，所以高頻的應(yīng)用就必須要選擇MIM（Metal-Insulator-Metal金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)）薄膜電容，MIM電容可降低寄生電阻值，進(jìn)而提高元件共振頻率，而共振頻率則是取決于介電材料的自振頻率。與薄膜電阻一樣，薄膜電容需要考慮電容變化率，并且介電常數(shù)也需要考慮，其制程示意圖如圖9所示。

　　另外，需要注意基材的表面粗糙度Ra《0.3 μm，若粗糙度Ra值超過規(guī)定范圍，介電層容易被下底電極的突丘（Hill Lock）穿透，形成短路。

　?。?）薄膜電感加工

　　薄膜電感制程與電阻制程相似，但主要的設(shè)計(jì)考慮在于如何降低其寄生電容和提高元件的品質(zhì)因子（Q），由于電感特性比率，考慮到降低其直流阻抗以提高Q值的需求，所以電感導(dǎo)線的膜厚必須要在5 μm ~10 μm之間，所以制程上通常采用電鍍方式形成電感導(dǎo)線以符合需求。

　　基材的表面粗糙度會(huì)影響薄膜電感的特性，尤其在高頻時(shí)，過高的表面粗糙度容易造成雜訊的升高，造成高頻特性降低，所以基材的選擇。制作。及加工都會(huì)影響到整個(gè)薄膜元件的效能。

　　5 IPD技術(shù)對(duì)PCB技術(shù)發(fā)展的影響

　　隨著技術(shù)的進(jìn)步，PCB印制電路板朝著更高和更高密度的方向發(fā)展，而且逐步和IC封裝領(lǐng)域高度集成，無源元件集成符合當(dāng)今電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，IPD技術(shù)已經(jīng)成為系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）的一個(gè)重要實(shí)現(xiàn)方式。

　　IPD集成無源元件技術(shù)具有布線密度高。體積小。重量輕；集成度高，可以埋置電阻。電感。電容等無源器件及有源芯片；高頻特性好，可用于微波及毫米波領(lǐng)域等優(yōu)點(diǎn)。將薄膜IPD集成無源元件技術(shù)應(yīng)用于PCB加工，達(dá)到節(jié)約封裝面積。提高信號(hào)的傳輸性能。降低成本。提高可靠性等目的，通過IPD技術(shù)的集成優(yōu)勢(shì)，彌合封裝技術(shù)和PCB技術(shù)之間不斷擴(kuò)大的差距，可以有效減小電子整機(jī)與系統(tǒng)的體積和重量，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

　　對(duì)IPD集成無源元件應(yīng)用PCB加工，可選用高導(dǎo)熱的金屬。金剛石。陶瓷或鋁-炭化硅復(fù)合材料等作基板，制造高密度高功率多層電路基板，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)IPD無源集成PCB基板的工藝提升。材料特性的提高以及低成本化，以及加快在微波通訊。高密度集成和大功率等領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　6 結(jié)論

　　薄膜IPD集成無源元件技術(shù)可以集成多種電子功能，具有小型化和提高系統(tǒng)性能的優(yōu)勢(shì)，可以取代體積龐大的分立無源元件。同時(shí)，PCB的加工可以引入IPD技術(shù)，通過IPD技術(shù)的集成優(yōu)勢(shì)，可以彌合封裝技術(shù)和PCB技術(shù)之間不斷擴(kuò)大的差距。

　　薄膜IPD集成無源元件技術(shù)的迅速發(fā)展，使無源集成技術(shù)進(jìn)入了實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化階段，新一代無源元件和相關(guān)的集成技術(shù)，將被廣泛應(yīng)用于航空航天。.醫(yī)療。工控和通訊等各個(gè)領(lǐng)域的電子行業(yè)，因此發(fā)展IPD技術(shù)，無論是對(duì)企業(yè)本身的發(fā)展還是提升國(guó)內(nèi)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力都具有重要的意義.