被动元件持续微缩薄化 低温共烧陶瓷技术扮演关键角色

透过整合LTCC的被动元件模块，在元件整合度大增，制作加工程序不用担心元器件尺寸过小、加工机器手臂不易夹持元件问题。NTK

3C、通讯产品持续朝轻薄短小设计，智能手机、平板电脑、轻薄笔记本电脑都相继推出难以置信的超薄设计，除关键零组件与机构的积极薄化设计外，被动元件本身的薄化与微缩元件设计，也成为这类高端产品薄化的重要关键…

电子元器件主要分成主动/被动元件两大种类，主动元件包含如集成电路、晶体管等；被动元件即包含如电阻、电容、电感器等，透过主动元件、被动元件的搭配组合，架构整个电子产品的相关功能。

被动元件应用不可或缺

被动元件不像主动元件一般，需要处理如信号放大、数据运算等繁复工作，主要用于如调节电路中的电流量、或者暂时储存电路中的电能等用途，即便元件复杂度低于主动元件，但实际上被动元件在电路中的重要程度并不亚于主动元件，反而是整体电子电路维持功能模块稳定性、耐久性的关键元器件。

先理解被动元件特性，以传统被动元件的电容器来说明，其构造为由2片极为接近的导电体构成，而当电子电路的偏压提升时，两组导体上的电极会累积大量电荷，而导电体面积增加、可储存之电荷量便对应增多、电容值增大。此外，如电极距离、绝缘材质介电特性等都会影响元器件特性。在电容元器件产品，介质通常使用钛酸钡，另使用陶瓷当绝缘介质也相当常见。

至于电感器被动元件在电路中的功能为稳定电路上的电流，其实电感器用途与电容器近似，只是电容是透过电场(电荷)型态储蓄电能；电感为利用磁场型态达成近似效果。电流通过线圈状的导线就会产生磁场，相反地若切割磁力线，就能透过磁力线与线圈产生电流。

被动元件结构不利微缩  使用积层设计突破材料微缩极限

先前提过，电容、电感均是电子电路常见的元器件，但元件原理结构自然在元器件体积具一定程度大小，如电容一定需要绝缘介质、电极板等结构；电感即需要线圈结构，元件体积要积极微缩会遭遇物理极限。

电容、电感电子这类元器件，常见为利用积层陶瓷技术方案，进行被动元件尺寸微缩迎合电子产品轻薄短小、降低能耗趋势，除制程、材料优化微缩方式外，早期的电子电路板多使用插件式的元器件组构所需电路功能，但在制程中电子电路板须先进行打孔、元器件的脚位插针穿过电路板再加以焊接组合。由于被动元件体积较大、元件接脚间可使用的空间有限、已无再紧密收拢、靠近空间，加上电路板背面多为元件焊接接点侧，一般制程难以介入，反而是采表面黏着设计的被动元件(电阻、电容、电感)，建构薄化要求的电路功能模板。

表面黏着技术大幅微缩元件体积

尤其是当多数IC元件被整合封装技术制成元件、再搭配更先进的多层电路板，电路载板的体积微缩尺寸越来越小，也推进被动元件积极微缩尺寸的必要性。被动元件微缩化最显着的改变在于插件式的零件改为表面黏着元件，大大提升电子电路的密集度，而采表面黏着的元器件免除生产人工插件的人力成本，利用自动化设备快速贴合元件也兼具加快生产速度、降低人力成本优点。

插件式元件跟表面黏着元件最大的差异在于，虽然工作原理相同，但元器件的制作结构必须因应体积微缩化进行改变，例如透过材料科技或是制作方法达到缩小元器件的尺寸。

以电阻芯片为例，表面黏着或芯片式的电组，为使用氧化铝陶瓷设计成为机板，在于机板上使用网印印刷包含氧化钌之电阻膏，而不同阻抗的电阻器设计，就以电阻膏中的氧化钌成分比例决定，网印完成再于元件外部再涂布保护用途的玻璃粉后，元件再送入高温进行烧结制成电阻芯片。但实际上透过不同电阻膏材料网印决定元件的电阻值，其实仍有极大的误差问题，在制程中还需多一道电阻值验证与元件雷射切割处理，透过调整代理宽度生产合乎规格要求的电阻元件。

应用网印技术  优化元件薄化设计

同样地，表面黏着元器件形式设计的电容器，其实又可称做芯片陶瓷电容，这类元件的制作较电阻器更复杂，因为电容元件的电容量和电极面积呈正比，但微缩尺寸的电容器因为体积大幅缩小，也形成制作不同电容量元件的设计限制，尤其在陶瓷电容的尺寸要求远较一般插件式的电容元件小许多，更添设计与制作难度。

其实陶瓷电容一般为利用电极的排列，在有限空间内达到不同电容量元件的设计需求，例如，透过电极立体化排列设计搭配网印技术，让导体与借电层交叉印制在透明胶片上，而堆叠的数量越多、电极的表面积也会跟着变大，形成不同容量、同时兼具小巧尺寸的陶瓷电容元件。而同样的设计型态也可用于电感器设计上，使用积层芯片的电感器也是采行网板印刷的叠印设计手法，将每层叠印形成电感电路，堆叠的层数即相对为元件的电性规格。

检视表面黏着的被动元件制造过程，网印与烧结技术是制造元件的关键核心，由于印刷制程可以进行大量复制、快速制造的手法，使用网版搭配特殊电性的油墨(导体/绝缘体)即可印制所需的元器件设计，但也是受限网版印制的结构限制在网孔尺寸、印制线条粗细也限制了使用网印制程的元件微缩程度。

进阶陶瓷低温共烧被动元件制程  积极微缩元件尺寸

以进阶的陶瓷被动元件制程，所使用的网版为采行不锈钢线制成的网布结构，透过特殊网版优化印制效果，也能更进一步印制更细小的线宽、提高制成被动元件的微缩条件。制作更小巧的被动元件，除网版的印制精密度优化外，其实特殊电性的油墨材料也是一大关键，因为赋予油墨电性的添加材料加上油墨整合后，除了原料的颗粒尺寸需控制在可以透过网版网孔的程度，在特殊油墨印制过程也需要抑制印制区块扩散与特殊电性的材料过度集中，导致元件的电性受到影响。

特殊电性的油墨设计在制作相关元件也是一门学问，除了前述的油墨印制特性材料控制外，油墨本身也包含了导电粒子、溶剂、玻璃粉末、树脂等，透过溶剂与树脂材料形成油墨电性的粒子载体，利用导电粒子搭配玻璃粉末分散于油墨载体之中。至于导电粒子基础材料为钯银合金或银合金粉末，透过关键的烧结制程将油墨中的溶剂受热挥发后、原有油墨加入的树脂也会跟着受热影响，导致印制区块会仅剩下导电粒子与玻璃粉末黏结形成的导电电路，加上金属粉(钯银合金或银合金粉末)具有不易氧化特性，烧结处理以高达800°C的温度加工后，金属粉末仍可维持极佳导电效果，形成所需电路设计。

对于表面黏着被动元件来说，近年相关元件的尺寸持续缩小，以常见规格已有1206、0805、0603与0402等规格，更小型化的设计也有0201、01005等规格，但随着被动元件尺寸持续微缩，紧接着需要面对的则是制造技术与门槛越来越高，即便是被动元件从插件型元件进阶到表面黏着式的元件设计，在元件体积尺寸已有大幅优化水准，但受限于被动元件本身的电路或结构本来就不似集成电路般可进行大幅微缩设计，因此微型化被动元件的尺寸微缩效果仍与集成电路微缩等级差距甚多。

新的做法为采用如集成电路的制作概念，制作以被动元件为主的类集成电路线路整合元件，透过低温共烧陶瓷(Low-Temperature Co-fired Ceramics，LTCC)技术将被动元件进行元件整合，使用网印技术搭配特殊油墨进行多元件的整合烧结制作，原本是以单个为基础的被动元件经整合制程制作为整合性的被动元件模块，不只是可以将原本被动元件采0201、01005等规格尺寸过小制程机器手臂不易夹持元件的问题，改用模块功能将多组微缩元件制程模块后、元器件体积至少可以让加工更容易运行，同时被动元件模块化也能节省电路载板面积。