被動﹧保護元件之發展現況 薄膜技術與元件微型化

前言：隨著科技進步與資訊產業的蓬勃發展，電子產品已是現代人不可或缺的生活工具。觀察近十年電子產品的發展趨勢可以發現，資訊處理速度加快、儲存容量增加、螢幕面積增大等等，都是電子產品進化的主要方向。而在產品體積與外觀的設計上，「輕、薄、短、小」的設計則是現今電子產品的主流，基於此發展要求，電子產品內部的各種元件亦面臨尺寸縮小的考驗。

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電子產品內部的元件可簡單分為主動元件與被動元件。在電路中能夠執行資料運算、資料處理的元件被稱為主動元件。而被動元件則泛指沒有訊號放大功能的元件，主要可區分為電阻(Resister)、電容(Capacitor)與電感(Inductor)；另外，由於近年來電子產品的可靠度要求，過電流保護、過電壓保護及溫度感測等保護元件逐漸受到重視，保護元件儼然是使被動元件產業升級的明日之星。

過電流保護元件種類頗多，保險絲(Fuse)、電流感測微電阻(Current Sensing Resistor)與正？負溫度係數(Positive？Negative Temperature Coefficient; P？NTC)熱敏電阻(Thermistor)皆可做為過電流保護元件之用；舉例來說，於電子產品第一側(Primary Side, 125V)之過電流保護可串聯尺寸2410保險絲，來避免電源端的異常電流造成產品損害，而電源經過變壓器輸出之第二側(Secondary Side)則可串聯單次熔斷式或可覆式保險絲作為保護，當異常電流突波發生時，保險絲可瞬間形成斷路以保護電路中之重要元件。目前晶片保險絲已朝低額定電流(<250mA)的方向發展，這代表著元件內部的線路設計需要更為精細與精確，也代表著需要更高階的生產技術才能進行製造生產，以確保保險絲能在微小的電流狀況下即時反應異常現象，展現其高精準的熔斷保護特性。

過電壓保護元件主要可提供突波？雷擊防護(Surge/Lightening Supressor)及靜電防護(ESD Supressor)，早期主要產品為變阻器(Varistor)？真空放電管，但隨著電子產品訊號傳輸速度的加快，變阻器其高電容之性質將造成傳輸訊號之扭曲、失真，因此低電容(<0.2pF)之靜電防護元件已成為訊號傳輸端過電壓保護之首要選擇。於低電容及耐靜電轟擊的要求下，使用精密的製程技術才能精確控制元件內部線路尺寸與電極厚度，使元件呈現最佳之靜電防護效果。

在過溫保護範疇，多以溫感元件配合IC作動保護，溫度感測器的種類繁多，主要有熱敏電阻、熱電偶(Thermal Couple)與電阻溫度計(Resistance Temperature Detectors; RTD)，其中又以熱敏電阻具有高靈敏度與簡單實用等優勢。熱敏電阻具高電阻溫度係數(Temperature Coefficient of Resistance; TCR)特性，因此對溫度變化非常敏感，有正溫度係數與負溫度係數之分。以NTC熱敏晶片電阻為例，其製造多是以鈷、錳、鐵、鎳、銅等元素之氧化物混合後以印刷與燒結製程生產，在微小化的要求上已面臨製程極限的挑戰。

由上述例子可知，被動？保護元件的發展除了體積微小化之外，元件特性的高精確度與高穩定性更是目前元件應用上與發展的重點。但是，觀察目前大多數晶片式被動？保護元件多是利用傳統的厚膜印刷製程製造，將電阻材料之漿料印刷於基板上後再經過高溫燒結製程來生產，此製程容易受限於網版張力、網版解析度與漿料混合等因素影響，而出現線路尺寸偏差(線路精準度差)、漿料厚度？組成不均、圖形位置偏移等現象，且高溫燒結之製程難免有金屬氧化的疑慮，這些結果都將大幅影響產品生產良率與產品特性精準度，亦顯示出傳統厚膜製程已無法符合元件微小化與元件高精確度的要求。

薄膜技術於被動/保護元件之應用

由於傳統厚膜製程已無法滿足元件微小化與元件高精確度的要求，因此，具有專業薄膜技術之璦司柏電子指出，導入薄膜技術 (Thin-film Technology)結合黃光微影(Photo-lithography)技術的製程，將使被動元件？保護元件的開發邁入新紀元。

薄膜技術的成熟(如真空濺鍍；Sputter)，可以製備多元材料薄膜，運用材料特性進行元件的設計與開發。薄膜製程其高真空製程環境、低製程溫度(<300℃)及精確製程參數控制可製備出均質、無雜質、厚度均勻且附著性良好之薄膜材料。因此，利用薄膜技術生產之高精準度薄膜電阻與電流感測微電阻已於近幾年問世，其阻值精準度與溫度係數等特性皆是傳統厚膜製程生產之產品所無法比較的。

另外，使用半導體製程之黃光微影技術來製作元件內部線路，可使線路尺寸微小化，黃光微影技術主要包含曝光、顯影、蝕刻等步驟，其特點在於使用光學方式將光罩上之圖形轉換至元件上，相較於使用網版轉印的厚膜製程之元件內部線路最小約為150um，黃光微影製程製作之線路可縮小至10um，且線路誤差值可低於1%；因此，目前晶片式薄膜電感已能縮小尺寸至01005(0.4×0.2mm)，黃光微影技術扮演相當關鍵之角色。

再者，考量部分元件乃應用於高電流或高電壓之環境，有其耐久性、穩定性之要求，亦或其保護之作動機制乃建構於材料本身之特性，於是，在薄膜技術及黃光微影技術的基礎上，有時須輔以電鑄(Electro-plating)技術沉積特定材料或將元件內部線路增厚至特定厚度，以達元件耐久性或穩定性之需求。

被動？保護元件之發展趨勢

基於電子工程之演進(電子電路設計的方便性與縮小體積之考量)，被動？保護元件之發展已由單一元件之開發轉而朝向「整合」的方向進行。陣列式(Array)晶片元件與整合型被動元件(Integrated Passive Device)便是整合構思下的產品。

然而，陣列式元件的生產製程條件相較於單顆元件更為嚴苛，假若使用不穩定之製程造成陣列中僅某一單元失效或不合乎特性規範，其結果是導致此陣列無法成為正常品，造成生產損耗。使用薄膜技術進行陣列式晶片元件的生產，可穩定控制陣列中各單元之材料特性與元件精準度，使微小化之陣列式元件得以實現。

目前整合型元件的開發大多基於傳統製程進行，或是運用低溫陶瓷共燒製程(Low Temperature Co-Fired Ceramics；LTCC)製程技術，以平行式印刷塗佈製程將元件線路印刷於氧化鋁陶瓷薄片上，於900℃左右的環境下燒結形成整合式陶瓷元件。但隨著晶片尺寸與元件內部線路的不斷縮小，以印刷製程為基礎的LTCC技術對於整合型被動元件的開發已面臨其製程極限的挑戰。相對的，以薄膜技術結合黃光微影技術可如製作積體電路一般地進行元件線路的設計與製作，可結合電容、電阻、電感以及保護元件於一晶片上，且可依客戶需求進行客製化之開發與設計，相信具有專業薄膜技術之元件製造商皆是以此為努力發展的目標。

結語

由於薄膜技術之技術門檻較高，各被動元件廠無法快速轉型切入，目前國內具備薄膜技術與設備之專業被動？保護元件製造商屈指可數，但是在晶片元件的發展持續朝微小化、高精準度及元件整合的要求下，薄膜技術已是專業的被動/保護元件製造商不可或缺的基本能力。(本文作者作者廖政龍博士、余河潔協理任職於璦司柏電子研發部)