隨著可攜式產品如手機、數位相機等需求成長快速，產品發展將要求輕薄短小、高頻及多功能性，被動元件內埋化儼然成為整合性基板之重要技術之一，對於開發基板內藏被動元件材料已成為必然的趨勢，如何改善現有材料的問題以符合產品規格需求將不容置緩。本文將針對基板內藏被動元件材料之現況及未來發展做一簡單介紹。
近來由於消費性電子產品（包括手機、筆記型電腦、數位相機及遊戲機）需求大幅成長，家用數位電器產品也日漸成熟，對於被動元件的需求急速增加，在量大需求及高利潤的吸引下，使全球被動元件廠商的產品發展重點，必須迎合這些電子產品的特點：輕薄短小、高速及多功能性的需求，因此傳統的獨立式被動元件(Discrete Passive)、整合型被動元件(Integrated Passive)，已逐漸轉變成將RCL 被動元件埋入基板中（圖一）以提升其功能化，並結合3D 構裝技術，達到整合型構裝基板之目的。
圖一、被動元件的三種形式
在這樣的市場趨勢及需求下，構裝技術的發展已不單純只為了滿足IC 封裝的需求，還須考慮到被動元件以及光電元件的需求，因此SiP (System in Package)的封裝技術儼然成為必然的發展趨勢，基本上堆疊(Stacked)及3D 構裝都是SiP 的形式， SiP構裝目的是為完成IC 產品所需的系統性功能，在一個基板上透過堆疊或連結一種以上不同功能的構裝製程。3D 堆疊構裝的發展，除了能將記憶體在電路板上所佔的面積大幅縮小，提升電子產品縮小化的效率外，更能將原本功能不同的晶片整合在同一構裝模組中，而以最有效益的方式，達到System in Package 的效益。目前SiP 的發展亦朝向主被動元件整合的構裝方式發展，將所有主、被動元件埋入構裝基板內，並利用不同形式的構裝技術，將整個SiP 構裝產品發展得更能符合下游產品的需求，將使電子構裝產業的技術又往前
邁進了一大步。
基板內藏（埋）被動元件技術趨勢
所謂基板內藏被動元件技術，主要是將目前PCB 基板表面的被動元件埋入或嵌在基板內部，也就是將傳統的表面黏著技術SMD 的被動元件整合到印刷電路板中，使基板具有體積減少、功能提高、電路設計自由度提高以及元件佈線長度縮短等特性。將表面元件移到PCB 內部的內埋化技術正加速發展中，此技術之特色包括了：1.有效提高裝置密度－可使產品具有較高性能，降低雜訊及提升構裝效率。2.縮小電路板面積、並提升元件功能性－使用埋入式被動元件技術，可大幅減少電路板面積，其空出的空間可增加其他功能性元件，製造更高性能化產品。3.降低成本－可藉由焊接點、穿孔(Through Hole)、微孔(Microvia)等的減少，改善產品可靠度，有效降低製造成本。
基板內藏被動元件技術趨勢主要有兩大方向：一為將現有被動元件直接內埋於基板中(Buried-in Passive Devices)，二為被動元件薄膜材料直接整合於基板中(Embedded Passives)，此兩種內埋式被動元件基板技術之剖面圖如圖三所示。兩技術之優缺點分別敘述如下。
1. 被動元件直接內埋於基板中(Buried-inPassive Devices)
2. 被動元件薄膜材料直接整合於基板中(Embedded Passives)
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圖三、被動元件內藏基板技術之剖面圖(a) SMT元件直接內埋(Buried-in)；(b)薄膜材料直接整合於基板中(Embedded)
基板內藏被動元件材料之市場
被動元件包含了電阻、電容及電感，不論是高、低階電子產品，或通訊電子產品、消費性電子產品、工業用產品等，都扮演著不可或缺的角色，其成長率隨產品之I/O 數、高頻化以及多功能性，基板內埋被動元件已逐漸取代傳統的SMD 元件，在市場上具有龐大的商業潛力。根據市場知名市調公司Prismark 預估，西元2006 年內埋被動元件材料需求約佔整體被動元件之10% 以上，商機需求並逐年在擴增中；而在PCB 內埋式被動元件材料方面，也可望在2008 年成長至6 千萬美元。
基板內藏被動元件材料現況
1. 基板內藏電阻(Embedded Resistor)材料技術
電阻之定義如圖七所示，只要材料單位厚度阻值(Resistivity)大，電阻長度長，且電阻寬度小，則可得到高電阻值。其中單位厚度阻值會與材料特性有關，電阻寬度與導體成線路能力有關，至於電阻之厚度則是看實際應用需求而定。選擇電阻材料需具備高電阻值、低電阻溫度係數(Temperature Coefficient of Resistance; TCR)，且容易加工並符合實際製程條件。目前基板內藏電阻材料大致分為薄膜電阻(Thin Film Resistors)及厚膜電阻(Thick Film Resistors)兩大類，茲分述如下。
圖七、電阻之定義
(1)薄膜電阻(Thin Film Resistors)
主要為金屬合金薄膜當作電阻材料如NiP 、NiCr 、及NiCrAlSi 等，沉積於金屬薄膜上，如銅箔利用濺鍍(Sputter)、電鍍(Electroplate)、無電解電鍍(Electroless)或CVD等與IC 製程相同的半導體製程，沉積在銅箔上，再利用光阻蝕刻技術將電極圖形做出來，或是與金屬箔壓合形成電阻銅箔基板RCCL ，其可為單面電阻或是雙面電阻，產生的膜厚約在0.01~1μm 之間， Sheet Resistance的範圍在25~1000Ω/square ，優點為電阻溫度係數(TCR)非常低，缺點為Sheet Resistance 太小，可使用的產品會有所限制。如Ohmega Technology 在電阻上的發展已多年，過去的商業化產品Ni-P 電阻材料可適用於不同有機基板，其產品提供的規格有10 , 25 , 50 , 100 , 250Ω/square ，近年來更是結合電容、電阻整合於基板之技術，除符合一般標準PCB 製程，改善訊號/ 雜訊比，也大大降低成本並提升功能效率。圖八所示為Ohmega®/FaradFLEX® 整合型基板技術。
圖八、Ohmega®/FaradFLEX® 整合於基板技術
(2)厚膜電阻(Thick Film Resistors)
一般為高分子厚膜電阻(Polymer Thick Film Resistors; PTF)，其中多以高分子樹脂為主要成分，並填充導電粉體（如碳粉或銀粉等）的高分子厚膜電阻材料，經由傳統網版印刷方法在適當的基材上製作厚膜圖，並經適當的硬化溫度使厚膜產生所需特性，其厚度多在5~20μm以上，其優點在於體積重量輕，且成本便宜，並比薄膜電阻Sheet Resistance 有較大的範圍(15~1MΩ/square)，其缺點則Tolerance 較大(10~50%)，需藉由Laser Trimming 才可達到1~5% 。另外其TCR 比薄膜電阻大，對環境的穩定性差，不適用於大功率應用。
2. 基板內藏電容(Embedded Capacitor)材料技術
依照電容的定義（圖十一），可知若要介電層材料Dk 大、厚度需愈薄、上下層電極面積愈大，其電容值就愈強大，而較常見電容材料多添加高Dk 強介電性陶瓷，如BaTiO3等。一般將電容材料分成兩大類，一類為有機系統為主的高介電材料，主要適用於傳統的PCB 製程：另一類為高電容值之無機高介電材料系統，多使用於薄膜製程，以下分別敘述之。
(1)有機系統之電容材料
(2)無機系統之高電容材料
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圖十一、電容的定義
基板內藏被動元件的技術仍有些障礙待解決與克服，包括材料端超高介電材料、高精度與高可靠度的高分子厚膜電阻材料的開發，製造端的製程穩定性，以及系統端的電路設計等，都相互在等待突破性的進展，更重要的是三者間如何做到完美的上中下游整合，唯有如此才能使基板內藏被動元件的技術真正落實於電子產業的應用。當然其中最大的門檻應該還是在材料開發，其次為上中下游成功的整合。在材料開發未成功之際，既有SMD 元件直接內埋基板的技術，在結合主動元件內埋技術下，將會先有優勢應用於SiP 中；而後逐步用DK 值稍低穩定性佳的電容材料取代SMD 小電容元件、高分子厚膜電阻取代精度要求不高的SMD 電阻；待先進被動元件材料完成開發，即可取代大部分SMD 被動元件，有效降低材料與製程成本，同時提升電性效能，相信輕薄短小高功能化的電子構裝技術指日可待。
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作者：余曼君、劉淑芬 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌262期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7245