被動元件持續微縮薄化 低溫共燒陶瓷技術扮演關鍵角色

透過整合LTCC的被動元件模組，在元件整合度大增，製作加工程序不用擔心元器件尺寸過小、加工機器手臂不易夾持元件問題。NTK

3C、通訊產品持續朝輕薄短小設計，智慧手機、平板電腦、輕薄筆電都相繼推出難以置信的超薄設計，除關鍵零組件與機構的積極薄化設計外，被動元件本身的薄化與微縮元件設計，也成為這類高階產品薄化的重要關鍵…

電子元器件主要分成主動/被動元件兩大種類，主動元件包含如積體電路、電晶體等；被動元件即包含如電阻、電容、電感器等，透過主動元件、被動元件的搭配組合，架構整個電子產品的相關功能。

被動元件應用不可或缺

被動元件不像主動元件一般，需要處理如訊號放大、數據運算等繁複工作，主要用於如調節電路中的電流量、或者暫時儲存電路中的電能等用途，即便元件複雜度低於主動元件，但實際上被動元件在電路中的重要程度並不亞於主動元件，反而是整體電子電路維持功能模組穩定性、耐久性的關鍵元器件。

先理解被動元件特性，以傳統被動元件的電容器來說明，其構造為由2片極為接近的導電體構成，而當電子電路的偏壓提升時，兩組導體上的電極會累積大量電荷，而導電體面積增加、可儲存之電荷量便對應增多、電容值增大。此外，如電極距離、絕緣材質介電特性等都會影響元器件特性。在電容元器件產品，介質通常使用鈦酸鋇，另使用陶瓷當絕緣介質也相當常見。

至於電感器被動元件在電路中的功能為穩定電路上的電流，其實電感器用途與電容器近似，只是電容是透過電場(電荷)型態儲蓄電能；電感為利用磁場型態達成近似效果。電流通過線圈狀的導線就會產生磁場，相反地若切割磁力線，就能透過磁力線與線圈產生電流。

被動元件結構不利微縮  使用積層設計突破材料微縮極限

先前提過，電容、電感均是電子電路常見的元器件，但元件原理結構自然在元器件體積具一定程度大小，如電容一定需要絕緣介質、電極板等結構；電感即需要線圈結構，元件體積要積極微縮會遭遇物理極限。

電容、電感電子這類元器件，常見為利用積層陶瓷技術方案，進行被動元件尺寸微縮迎合電子產品輕薄短小、降低能耗趨勢，除製程、材料優化微縮方式外，早期的電子電路板多使用插件式的元器件組構所需電路功能，但在製程中電子電路板須先進行打孔、元器件的腳位插針穿過電路板再加以銲接組合。由於被動元件體積較大、元件接腳間可使用的空間有限、已無再緊密收攏、靠近空間，加上電路板背面多為元件銲接接點側，一般製程難以介入，反而是採表面黏著設計的被動元件(電阻、電容、電感)，建構薄化要求的電路功能模板。

表面黏著技術大幅微縮元件體積

尤其是當多數IC元件被整合封裝技術製成元件、再搭配更先進的多層電路板，電路載板的體積微縮尺寸越來越小，也推進被動元件積極微縮尺寸的必要性。被動元件微縮化最顯著的改變在於插件式的零件改為表面黏著元件，大大提升電子電路的密集度，而採表面黏著的元器件免除生產人工插件的人力成本，利用自動化設備快速貼合元件也兼具加快生產速度、降低人力成本優點。

插件式元件跟表面黏著元件最大的差異在於，雖然工作原理相同，但元器件的製作結構必須因應體積微縮化進行改變，例如透過材料科技或是製作方法達到縮小元器件的尺寸。

以電阻晶片為例，表面黏著或晶片式的電組，為使用氧化鋁陶瓷設計成為機板，在於機板上使用網印印刷包含氧化釕之電阻膏，而不同阻抗的電阻器設計，就以電阻膏中的氧化釕成分比例決定，網印完成再於元件外部再塗佈保護用途的玻璃粉後，元件再送入高溫進行燒結製成電阻晶片。但實際上透過不同電阻膏材料網印決定元件的電阻值，其實仍有極大的誤差問題，在製程中還需多一道電阻值驗證與元件雷射切割處理，透過調整通路寬度生產合乎規格要求的電阻元件。

應用網印技術  優化元件薄化設計

同樣地，表面黏著元器件形式設計的電容器，其實又可稱做晶片陶瓷電容，這類元件的製作較電阻器更複雜，因為電容元件的電容量和電極面積呈正比，但微縮尺寸的電容器因為體積大幅縮小，也形成製作不同電容量元件的設計限制，尤其在陶瓷電容的尺寸要求遠較一般插件式的電容元件小許多，更添設計與製作難度。

其實陶瓷電容一般為利用電極的排列，在有限空間內達到不同電容量元件的設計需求，例如，透過電極立體化排列設計搭配網印技術，讓導體與借電層交叉印製在透明膠片上，而堆疊的數量越多、電極的表面積也會跟著變大，形成不同容量、同時兼具小巧尺寸的陶瓷電容元件。而同樣的設計型態也可用於電感器設計上，使用積層晶片的電感器也是採行網板印刷的疊印設計手法，將每層疊印形成電感電路，堆疊的層數即相對為元件的電性規格。

檢視表面黏著的被動元件製造過程，網印與燒結技術是製造元件的關鍵核心，由於印刷製程可以進行大量複製、快速製造的手法，使用網版搭配特殊電性的油墨(導體/絕緣體)即可印製所需的元器件設計，但也是受限網版印製的結構限制在網孔尺寸、印製線條粗細也限制了使用網印製程的元件微縮程度。

進階陶瓷低溫共燒被動元件製程  積極微縮元件尺寸

以進階的陶瓷被動元件製程，所使用的網版為採行不鏽鋼線製成的網布結構，透過特殊網版優化印製效果，也能更進一步印製更細小的線寬、提高製成被動元件的微縮條件。製作更小巧的被動元件，除網版的印製精密度優化外，其實特殊電性的油墨材料也是一大關鍵，因為賦予油墨電性的添加材料加上油墨整合後，除了原料的顆粒尺寸需控制在可以透過網版網孔的程度，在特殊油墨印製過程也需要抑制印製區塊擴散與特殊電性的材料過度集中，導致元件的電性受到影響。

特殊電性的油墨設計在製作相關元件也是一門學問，除了前述的油墨印製特性材料控制外，油墨本身也包含了導電粒子、溶劑、玻璃粉末、樹脂等，透過溶劑與樹脂材料形成油墨電性的粒子載體，利用導電粒子搭配玻璃粉末分散於油墨載體之中。至於導電粒子基礎材料為鈀銀合金或銀合金粉末，透過關鍵的燒結製程將油墨中的溶劑受熱揮發後、原有油墨加入的樹脂也會跟著受熱影響，導致印製區塊會僅剩下導電粒子與玻璃粉末黏結形成的導電電路，加上金屬粉(鈀銀合金或銀合金粉末)具有不易氧化特性，燒結處理以高達800°C的溫度加工後，金屬粉末仍可維持極佳導電效果，形成所需電路設計。

對於表面黏著被動元件來說，近年相關元件的尺寸持續縮小，以常見規格已有1206、0805、0603與0402等規格，更小型化的設計也有0201、01005等規格，但隨著被動元件尺寸持續微縮，緊接著需要面對的則是製造技術與門檻越來越高，即便是被動元件從插件型元件進階到表面黏著式的元件設計，在元件體積尺寸已有大幅優化水準，但受限於被動元件本身的電路或結構本來就不似積體電路般可進行大幅微縮設計，因此微型化被動元件的尺寸微縮效果仍與積體電路微縮等級差距甚多。

新的做法為採用如積體電路的製作概念，製作以被動元件為主的類積體電路線路整合元件，透過低溫共燒陶瓷(Low-Temperature Co-fired Ceramics，LTCC)技術將被動元件進行元件整合，使用網印技術搭配特殊油墨進行多元件的整合燒結製作，原本是以單個為基礎的被動元件經整合製程製作為整合性的被動元件模組，不只是可以將原本被動元件採0201、01005等規格尺寸過小製程機器手臂不易夾持元件的問題，改用模組功能將多組微縮元件製程模組後、元器件體積至少可以讓加工更容易運行，同時被動元件模組化也能節省電路載板面積。