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1、內嵌式電容器之發展白蓉生一. 題解所謂“嵌入式被動元件”（Embedded Passives），係利用多層板之內層板製程，採行蝕刻或印刷方式，將電容器或電阻器直接製做在內層板上，再經壓合成多層板後，將可取代掉板面上組裝時所焊接的零散（Discrete）被動元件，以節省板面讓給主動元件及其佈線者，其術語統稱為嵌入式被動元件。此等嵌入式或植入式藏入式技術，最早是 Ohmega-ply公司利用內層板面原有銅箔的毛面（Matt Side）上，另外處理上薄膜之磷鎳合金層，當成電阻性成份（Resistive Element）而壓合成為 Thin core，然後再利用兩次光阻與三次蝕刻的技術，於眾多特定位置

2、做出所需的薄膜“電阻器”。由於是埋入在內層中，故商名稱之為 Buried Resistor。後來 1992年美國一家 PCB公司 Zycon，也在某些高階多層板中，在原有 Vcc/GND內層之外，另加入介質層極薄（2-4mil）的內層板，利用其廣大面積的平行金屬銅板面，製作成為整體性的電容器，商名稱為 Buried Capacitor。於是 BC與 BR等新名詞即不逕而走，成為HDI密集組裝技術的另一部份。此等 BC/BR嚴格說來只是商名而已，且除上述兩種商業製程外，亦另有其他做法與稱呼，如 Planar（Plane）passives、Film passives 與 NEMI所用的 Built

3、-In Passives（內建式被動元件），及 off-chip passives等。後經多位學者之論文發表之用語，才逐漸認同Embedded passives為正式的學名。http:/.tw圖 1 上圖為參加 NCMS內嵌式被動元件聯盟之 14家業者，下圖為參加 NEMI聯盟之 15家業者，此團體似乎更接近市場。 二 .被動元件在電子系統中之增多通常電路板上所焊裝的零組件中，所謂零件（Parts）係常指不具電性功能者，如螺絲、金針、插座等；而具電性功能者稱則為組件（Components）或元件（Devices），且又有主動與被動之分。主動元件（Active Components）係針對各式訊

4、號之計算、記憶與處理者，其內容複雜且體形較大，如 CPU、ASIC、DRAM 等。而被動元件（Passive Components）則為提供主動元件之各種服務與協助等工作，如電容器、電阻器與電感器等。被動元件中尤其電容器（Capacitor）之用量最多，一般約占電路板組裝被動元件總數的 40-70%以上。而且當數位系統愈趨複雜，主動元件工作電壓一再降低與功能不斷強化下，訊號線（Signal line）一再增多，接腳數（I/O）持續添加之際，其解除電磁耦合（Decoupling）消減雜訊效應所用到低容值的旁路（By-pass）電容器，其數目上也自然隨之增多。下二表即為 Prismark對通訊產品

5、零組件的調查數字，以及 1998美國電子製造業協會 NEMI（National Electronics Manufacturing Initiative）對元件用量，以及主被動元件比率之統計情形。表 1 各種通訊產品中主動與被動元件數量之對照（Curtesy：Prismark）由上可知未來較複雜的電子機器中，其工作電壓還會不斷的降低，已由早先的 12V到5V，到目前的 3.3V。未來的“奈米”時代還可能再降至 2.5V，甚至更低。如此必將使得雜訊控制愈來愈重要，是故被動元件也必將愈用愈多。不管是數位資訊的方波訊號，或類比通訊的弦波訊號；凡其所面臨的雜訊問題愈趨複雜之時，其所用到的被動元件也將之

6、為數倍增。非如此不足以維持起碼的訊號完整性（Signal Integrity），唯其如此方不致錯訊連連而誤動作頻生也。表 2個人電腦各代 CPU與不同產品之主被動元件之比例（MEMI）http:/.tw三. 嵌入式被動元件的優缺點3.1優點3.1.1 能夠節省板面用地，而轉用於佈置密線與佈局主動元件或高功率元件，可使整體系統之功能再加強。3.1.2 大量減少板面 SMT焊點數目，增加全機之可靠度。且一旦所省掉焊接的被動元件數目夠大時，還會有節省成本的好處。3.1.3 消除焊點與其引線引腳所構成的迴路（Loop），將可避免訊號通過時所造成的不良寄生效應（Parasitic Effects，如寄生

7、電容或寄生電感等），且頻率愈高時寄生愈為嚴重（註：前者又稱雜散電容 Stray Capacitance）。3.1.4 對高腳數（High Pin Count）的封裝載板（Substrate），尤其是高速強能 FC-PGA式的 CPU與 ASIC，或大型高多層板類（High Layer Count 者，如Router、Base Station，或 Server等大型機器的主板）等，其被動元件的內嵌需求，目前已逐漸有所增加。圖 2 此為多層板全面內層式之共用或公用電容器（公容），與單用電容器（單容）以及單用電阻器（單阻）之示意圖。3.2缺點3.2.1 無法替代多種數值各項用途的被動元件，只能提供容

8、值較低或阻值較低的部分用途。3.2.2 不但專用原物料與板材等價格很貴，且製程本身還要另付權利金（Royalty）甚至根本不開放給同業。3.2.3 系統設計之實用軟體與電性測試用軟體等，均尚付之闕如，且後續量產可能面對的可靠度問題亦缺乏解決方案。3.2.4 公差（Tolerance）不夠嚴謹，有些嵌入式電阻器之誤差值竟高達 30%。且因埋藏在多層板之內，根本無法替換或利用後續之專用雷射之修整技術（Post Laser Triming）加以精修調整。即使在內層板製程可以修整者，其高昂成本亦難以接受。3.2.5 現行被動元件不但愈做愈小，而且還愈做愈好，其長方型片狀零散 SMT焊裝元件，已從當年常

9、用的 1206（120mil60mil）一路降縮經0805、0603、0402 而到目前的 0201（24mil12mil）之地步，且由於產量很大，故價格尚不算太貴。致使系統客戶更張易弦的意願不高。 圖 3 左二圖即為電阻性素材經雷射光能量修整後的切痕，右為 L-Cut後電阻值兩度上升的情形。http:/.tw四.電容器在系統中之用途一般被動元件主要是指電容器與電阻器而言，至於呈反電動勢的電感器（Inductor），則很少用於數位系統。即使大哥大手機板上也由於板子面積有限，以及功率頗高起見，其電感器的使用也多採“低溫共燒陶瓷”技術（LTCC）之整合方式，而較少利用 PCB製程技術加以製作。通常

10、高頻通訊板所用的被動元件總數中，電容器占有六七成以上，地位極為重要，現說明其主要功用如下：4.1低電容值者（0.01-0.1F）做為消除電磁雜訊之用途4.1.1 解除耦合效應（Decoupling）-板面上密集相鄰線路之間，由於磁場與電場交互作用的關係，一旦出現訊號傳輸時，彼此之間將會出現感應與干擾。數位方波領域中稱之為耦合（coupling）效應，而射頻（RF）通訊中或其他高頻中則通稱為串音或串訊（crosstalk）現象。而且頻率愈高時這種不良效應也愈為明顯。圖 3 左二圖即為電阻性素材經雷射光能量修整後的切痕，右為 L-Cut後電阻值兩度上升的情形。設計者為了避免此等耦合效應所帶來的雜訊

11、起見，常在主動元件之訊號線於板面之引出處，刻意在訊號線與接地層之間，採用旁路電容器的焊接方式：即一隻腳旁接訊號線，另隻腳跨接入地層，如此可將使訊號中較高頻率之振盪波雜訊，以暫存方式將其能量予以吸收，而使得所傳送訊號之波形更為完整。其原理正如同“低通濾通器”（Low Pass Filter）一樣，而將高頻部分能量吸收阻擋下，使後續所傳輸的訊號品質更好。圖 5 左圖為一個 IC 封裝體中某一訊號線引出處，所側向焊接的 SMT 片狀電容器。右為直接座落在 IC 體底部的嵌入式電容器，兩者皆具有“去耦合”（Decoupling）之功能，由於前者係屬並聯旁接者，故又稱為旁路電容器（By-Pass Cap

12、acitor） 。此等常用電容器的數值約在 0.01-0.1F 或 10-100nF之間。此 Decoupling用的電容器數量最多，幾乎主動元件所引出各訊號線的起點處都會用到，且此種電容器要愈接近 IC主體愈好。甚至如 PentiumCPU，即將 15顆 0805的 Capacitor直接用錫膏焊接在其 FC-PGA之六層載板（Substrate，又稱為 Interposer互連體）底面外圍植針後的中央空地上，而Pentium 更再擴增到 0402四合一 Array者有 30顆之多。4.1.2 避免額外的電磁干擾（EMI）-板面上 EMI的起源很多，常見者是來自插裝或貼裝的零散電容器，當高頻

13、訊號（或交流）通過其迴路時，即 因所寄生的電感(Parasitic Inductance)而帶來電磁干擾（Electro-magnetic Interference）的額外雜訊問題；低容值的嵌入式電容器在全無迴路下即可避免此種煩惱。圖 6 左為英特爾 Pentium CPU 之 FC-PGA 覆晶與針腳之載板，腹面中央所焊接 15顆 0805 電容器的外觀，右為 Pentium 載板腹面中央區待焊 30 顆 0402 四合一電容器組合（Array）之焊墊排列情形。圖 7 上二圖為相鄰兩傳輸線之間的電場耦合現象，可以等效成為電容耦合之情形。下二圖為兩傳輸線間的磁場耦合，而等效成為電感耦合之情形。

14、4.1.3 當元件於訊號波動暫態（Switching Transient）位準時，可提供其瞬間所需的能量，使達到更良好的阻抗匹配（Impedance Matching）。4.2中電容值者（0.01-0.1F）提供電荷能量之用途係針對傳輸線（Transmisson Line）提供所需的電荷能量，或供應 IC負載所需要的電流能量，協助其等到達穩定狀態。此舉將有助於方波訊號“升起時間（Rise Time）”的縮短，而使訊號更快更完整。4.3低頻大電容值者（Bulk Capacitance 1-47F）提供穩壓用途此等大電容的電解電容器，通常加裝在電源供應器附近，提供一種穩定電壓之作用。且尚可對電源層

15、（Power Plane）或其他高頻用小型電容器，進行能量上的補充，使全板面各地區的工作電壓更為一致與穩定。一般電子機器當其訊號之頻率還不算很高時，則板面的散裝電容器尚可稱職。然而一旦進入高速或高頻領域境界，且主動元件又強又多，佈線密度為之大增，而工作電壓又很低時；則全面性嵌入式電容器的功能將優於板面散裝者甚多。圖 8 左上圖為理想 0 與 1 之方波，左下圖出現過激與下激之高頻雜訊，以及升起時間（Rise Time ,tr）與下降時間（ Fall Time）叢生延誤之不良訊號情形。右圖為類比訊號之正弦波出現高頻雜訊，而從示波器上見到的畫面。眾多電容器與電阻器與其他被動元件之主要功能，就是為了

16、消除各種雜訊。http:/.tw五. 電容器的原理電容器（似應稱為容電器才更接近中國人的語法）是由兩片平行的金屬板，再於其間充塞絕緣材料而得之。當其間為真空或乾燥空氣時，所能容存的電荷能量最少約為 8.85pF/m，是一種常數值，稱為自由空間（Free Space）之基本容電率（Permitivity .o）。若將其間更換為其他絕緣介質時，則該介質本身之容電率對上述 o 之比值，即稱為該介質之相對容電率（Relative Permitivity；r），亦即一般老式說法的介質常數（Dielectric Constant；Dk）。工作中之電容值（Capacitance）可計算如下：圖 9 此為平行

17、金屬板基本電容器之簡圖及其重要諸元與公式。由此式可知電容器之金屬板平行面積（A）愈大，與 Dk（r）愈大時，則可得之電容值愈大。或當介質層厚度（t）愈小時，其電容值也愈大。亦即：Dk，A，t， ， 則 C；而反之亦然。通常當該絕緣材料之用途是做為傳輸線組成之介質層時，當然希望其能協助訊號之傳輸，儘量減少電荷不當儲存於介質層中。故其 Dk所代表的偶極矩（Dipole Moment）要愈小愈好。但當該介質卻另用於電容器的組成時，則其 Dk要愈大才能蓄存到最大的電容量。目前電容器之特殊高 Dk介質中，即加有“強偶極矩”之陶瓷細粉，最常用者為鈦酸鋇（BaTiO3）。此外為了得到更多的電容量起見，還要儘

18、量加大平行銅板的面積（A），與儘量逼薄介質層的厚度。然而前者再大也只有完工板的外形大小而已，有時為了得到所需的電容量起見，一片完工板子中需要加入兩張電容性的薄內層板，在彼此串連使用下才能達到所需的目標。然而當逼薄介質層到某種程度時，也可能會造成絕緣不良的漏電情形。故其電容性的內層板，須通過 500VDC/15sec對介質強度的高壓試驗後，才不至於帶來隱憂後患。http:/.tw六、電容性材質之介紹所謂 Capacitive Material就是指絕緣材料而言，如常見的 FR-4（EpoxyGlass Fabric）即是。其等樹脂分子或摻加的陶瓷粒子，在電場（靜電）中須呈現很大的“偶極性”（Di

19、pole Polarity）才有利於容電。但一般傳輸線中有訊號在飛行傳播時，則因受到工作電壓變化的感應，而將會引起介質層中其粒子微觀振動的“偶極矩”（Dipole Moment），如此卻將使得部份訊號的能量遭到吸附耗損。然而用做電容器時，當然是希望容存的能量愈多愈好。現按此等“極性”或“偶極矩”大小不同，而將各種絕緣介質加以分類如下：6.1 微電性介質（Dielectric）：其介質常數在 1MHz工作頻率測試下約在 2-4左右，如一般的 Epoxy 或 Polyimide等板材即是。此時之 Dk要愈低愈好，以減少傳輸訊號的能量浪費在板材中。但若用於電容器組成之介質材料時，則此類者又顯然力猶未

20、逮也。6.2 Paradielectric （順電性介質）：某些陶瓷粉粒其 Dk可高達 100以上，常將之混入樹脂或厚膜糊（PTF）中，當成電容性介質之用途。現行 SMD零散式電容器即常採用。此類陶瓷以五氧化鉭（Tantalum Pentoxide）較常見，其對溫度與頻率的變化尚可呈現穩定狀態，但因仍具有機物之載體存在，故對溼度變化所呈現的電容值較不穩定。圖 10 電容器中的“可分極性”粒子，在 0與 1訊號動作中之放電與容電情形。 6.3 Ferrodielectric（強電性介質）：也是屬於陶瓷粉類，其 Dk更高達 1000,如鈦酸鋇（Barium Titanate BaTiO3）或鋯酸鉛

21、（Lead Zirconate Pd ZrO3）等結晶，也可混入液態樹脂或厚膜糊中，當成較大電容量的介質材料。此種細小結晶體對溫度及頻率的變化，在電容值方面也都呈現穩定狀態。事實上自然界中並無此物之天然結晶存在，而是經由下述之高溫反應而成：下表即為目前各家廠商正在嵌入式電容器研發中所用介質材料的比較表 3 現行嵌入式電容器之業者及其產品情形http:/.tw七、BC-2000 已量產做法之介紹此 BC-2000原為美國 PCB業者 Zycon在 1992年所開發之商業製程，彼時稱為 ZBC-2000。後 1997年時 Hadco併購了 Zycon，此專利自然也歸屬新買主，於是改名為 BC-2000。Hadco 並另開發一種無玻纖布，而卻在環氧樹脂中添加陶瓷粉的 EmCap新板材。但2000年時 Hadco又被 Sanmina所併購，而此一專業代工 PCB的公司，為了自己接單有關嵌入式電容器的板子，當然就不太願出售製程權利（Royalty）給其他競爭同業，以免利益受到瓜分。此即終端產品如今雖已有所需求，但在製程尚未開放與板材太貴下，此項 BC做法的下一步該如何去走，目前尚待觀察。