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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，於眾多特定位置做出
2、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-In Passives（內建
3、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）係針對各式訊號之計算、記憶與處理者，其內容複雜且體形較
4、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對通訊產品零組件的調查數字，以及1998美國電子製造業協會N
5、EMI（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為數倍增。非如此不足以維持起碼的訊號完整性（Signal In
6、tegrity），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S
7、tray 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
8、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，已從當年常用的1206（120mil60mil）一路降縮經0805、0603、0402而到目前的
9、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
10、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
11、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 Capacitor）。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
12、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 Inte
13、rference）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。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
14、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（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
15、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：
