模組構裝之內埋電容技術：材料世界網

隨著科技快速發展，未來的電子產品除了外觀、重量要輕巧，內在則須朝著多功能性、高頻應用的趨勢發展。電子產品模組構裝中包含許多如電容器等被動元件，占據不小的空間，為了順應產品輕量化、薄型化及效能提升之高速訊號傳輸的趨勢，SMD元件內埋及高頻應用化之技術需求，更加顯得重要。內埋電容技術除了能有效縮小整個模組構裝的空間，更重要的是在高頻範圍內，內埋式去耦電容可以達到優異的去耦效果，維持電源完整性(PI)。

本文將從以下大綱，介紹內埋電容技術以及發展趨勢。

‧模組構裝之內埋電容技術

‧被動元件–電容器

‧積層陶瓷電容器(MLCC)

‧電容器內埋封裝需求

‧3D-SiP內埋用電容技術之發展趨勢

‧去耦合電容應用

‧柔性超薄型薄膜電容器(TFCP)

‧結論

【內文精選】

被動元件–電容器

被動元件是指提供相關被動功能和電子主動元件運作之零組件，具有不影響電路訊號基本特徵，但卻能控制電子迴路者（如過濾、旁路、去耦合(Decoupling)等）。被動元件一般分成三大類：電阻(Resistor)、電感(Inductor)、電容(Capacitor)。電阻器主要調節電流及電壓大小；電感器主要是過濾電流中雜訊、防止電磁波干擾及穩定電流；電容器則是具有儲存電能、進行耦合及協調等功用。

電容器的種類可分為鋁質電解電容器、鉭質電容器、塑膠電容器、積層陶瓷電容器(Multilayer Ceramic Capacitor; MLCC)、單層陶瓷電容器，以及固態鋁電容器。目前電容被動元件中，產值較大的為積層陶瓷電容器與鋁質電解電容器，其功能是作為儲存電路中之電能，進行協調與耦合等。

積層陶瓷電容器(MLCC)

積層陶瓷電容器(MLCC)憑藉著體積小、易於晶片化、工作溫度範圍廣、生產速度快、高穩定性等優勢，加上3C電子商品走向輕薄短小，成為電容器產業的主流產品，約占電容產值比重43%，是電子產品內大量使用的零組件。智慧型手持裝置成為消費性電子之現今主流趨勢，除了產品功能外，輕量、薄化以及尺寸縮減成為吸引消費者購買的主要考量。因此，許多晶片的封裝型態大量採用小型化的晶片尺度構裝(Chip Scale Package; CSP)技術，以符合行動電子產品外觀趨勢的要求。

現行3D-SiP封裝之去耦電容器做法，採取高分子陶瓷混成材料(Hybrid)製作為High Dk材料，再利用銅箔作為電極於兩端製作Power與Ground後，以機械通孔方式於傳輸端形成平板式去耦電容器。而高頻PCB應用之去耦電容器配置與運用如圖一所示。

圖一、去耦電容器應用示意圖

然而由於採取高分子陶瓷混成材料方式使電容器具有PCB特性，並藉由陶瓷介質的添加來增加介電層之介電常數，但電容值取決於介電材料之介電常數，且高頻損失取決於高頻材料極化能力，故若以高分子陶瓷混成材料作為去耦電容器材料將無法達到高頻高速化運用，現行幾種替代方案包含鋁質電解(Aluminum Electrolytic)電容器、固態鉭質(Solid Tantalum)電容器、鋁高分子(Aluminum Polymer)電容器、陶瓷(Ceramic)電容器及高分子薄膜(Film)電容器等。各種電容器之優/缺點如表一所示。

柔性超薄型薄膜電容器(TFCP)

日本TDK公司以全新概念開發了柔性超薄型薄膜電容器(Thin Film Capacitor; TFCP)作為克服MLCC薄型化極限的解決方案，主要為了削減用於去耦而大量搭載的MLCC的搭載空間，從表面貼裝MLCC轉變到片材類TFCP的基板內置解決方案，如圖九所示。TFCP是將介電薄膜夾在2層薄金屬之間的結構，其在下部電極金屬鎳箔上以濺鍍方式形成鈦酸鋇介電薄膜後，於介電層上方則形成銅金屬作為上部電極，如圖十所示，其厚度在50 μm以下，通過內置於LSI正下方封裝基板內部，能夠在高頻範圍內得到優異之去耦效果，尤其對於數據中央處理器等追求更高頻率、更高速度的高端設備，TFCP最適合在其中發揮去耦電容器的作用。

工研院材化所在積層陶瓷電容MLCC技術已深耕多年，近來針對可捲繞之柔性薄型化電容技術則在研究開發階段。鈦酸鋇(BaTiO3)是廣泛使用於陶瓷電容中之高介電陶瓷材料，在傳統製程上需要高溫燒結，所以無法使用在有機基板或是PCB的製程，通常是將鈦酸鋇粉末作為填充材(Filler)，與高分子樹脂形成複合材料，配合基板製程技術才能兼顧材料特性。

在金屬電極層的部分則使用自行研發之無顆粒型銀油墨塗佈，除了其固化成型溫度小於200˚C，可以避免對介電層中的高分子材料產生破壞，其固化後之金屬層厚度<1 μm，遠小於一般銅箔或鎳箔的厚度，可以有效降低薄型化電容之厚度，實際樣品外觀如圖十二所示。在電性表現上，其具有耐電壓特性：直流電壓100 V、電容變化率<1%；應用環境25˚C~125˚C、電容變化率<10%，如圖十三所示…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。