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影响PCB技术发展的因素有什么

更新时间:2019-09-10

  摘 要 :集成无源元件技术可以集成多种电子功能,具有小型化和提高系统性能的优势,以取代体积庞大的分立无源元件。文章主要介绍了集成无源元件技术的发展情况,以及采用IPD薄膜技术实现电容。电阻和电感的加工,并探讨了IPD对PCB技术发展的影响。

  随着电子技术的发展,半导体从微米制程进入纳米制成后,主动式电子元件的集成度随之大幅提升,相对搭配主动元件的无源元件需求量更是大幅增长。电子产品的市场发展趋势为轻薄短小,所以半导体制程能力的提升,使相同体积内的主动元件数大增,除了配套的无源元件数量大幅增加,也需要有较多的空间来放置这些无源元件,因此必然增加整体封装器件的体积大小,这与市场的发展趋势大相径庭。从成本角度来看,总成本与无源元件数量成正比关系,因此在大量无源元件使用的前提下,如何去降低无源元件的成本及空间,甚至提高无源元件的性能,是当前最重要的课题之一。

  IPD(Integrated Passive Devices集成无源元件)技术,可以集成多种电子功能,如传感器。射频收发器。微机电系统MEMS.功率放大器。电源管理单元和数字处理器等,提供紧凑的集成无源器件IPD产品,具有小型化和提高系统性能的优势。因此,无论是减小整个产品的尺寸与重量,还是在现有的产品体积内增加功能,集成无源元件技术都能发挥很大的作用。

  在过去的几年中,IPD技术已经成为系统级封装(SiP)的一个重要实现方式,IPD技术将为 “超越穆尔定律”的集成多功能化铺平道路;同时,PCB的加工可以引入IPD技术,通过IPD技术的集成优势,可以弥合封装技术和PCB技术之间不断扩大的差距。

  IPD集成无源元件技术,从最初的商用技术已经发展到目前以取代分立无源元件,在ESD/EMI.RF.高亮度LED.数字混合电路等行业带动下稳步增长。

  Yole关于薄膜集成无源和有源器件的研究报告预计,到2013年总市场份额超过10亿美元,IPD技术将被广泛应用于航空航天。军工。医疗。工控和通讯等各个领域的电子行业。

  IPD技术,根据制程技术可分为厚膜制程和薄膜制程,其中厚膜制程技术中有使用陶瓷为基板的低温共烧陶瓷LTCC(Low Temperature Co-firedCeramics)技术和基于HDI高密度互连的PCB印制电路板埋入式无源元件(Embedded Passives)技术;而薄膜IPD技术,采用常用的半导体技术制作线路及电容。电阻和电感。

  LTCC技术利用陶瓷材料作为基板,将电容。电阻等被动元件埋入陶瓷基板中,通过烧结形成集成的陶瓷元件,可大幅度缩小元件的空间,但随着层数的增加,制作难度及成本越高,因此LTCC元件大多是为了某一特定功能的电路;HDI 埋入式元器件的PCB技术通常用于数字系统,在这种系统里只适用于分布装焊的电容与中低等精度的电阻,随着元件体积的缩小,SMT设备不易处理过小元件。虽然埋入式印刷电路板技术最为成熟,但产品特性较差,公差无法准确把握,因为元件是被埋藏在多层板之内,出现问题后难以进行替换或修补调整。相比LTCC技术和PCB埋置元器件技术,集成电路的薄膜IPD技术,具有高精度。高重复性。尺寸小。高可靠度及低成本等优点,未来势必成为IPD主流,本文将主要就薄膜IPD技术进行介绍。

  薄膜IPD技术采用曝光。显影。镀膜。扩散。刻蚀等薄膜制程,一个有代表性的薄膜集成无源工艺的剖面示意图如图1所示,这个工艺能制作各种电阻。电容和电感元件,以及低电感接地板和连接无源元件的传输线走线。薄膜结构在合适的载体衬底材料上制造,工艺既要能满足所要求的元件性能和精度指标,还不能复杂,需要掩模数较少 (一般为 6~10张 )。每个无源元件通常占据不到 1 mm2的面积,以便能在面积和成本方面与表面贴装技术的分立元件竞争。

  Telephus发展的IPD采用厚铜制程,该制程可以为只具有无源元件线路提高性能。降低成本以及减小尺寸,如滤波器和分工器,厚铜金属层(10 mm)和硅绝缘表面使无线通信系统和集成RF模组具有高性能表现,而低介电常数材料适用于减少金属层间的寄生电容,其IPD结构如图2所示。

  IMEC的薄膜技术也是采用电镀铜做为连接线路,BCB做为介电层,Ni/Au层做为最终连接面金属,使用多达4层的金属层。其IPD结构如图3所示。

  Dai Nippon发展的IPD电阻以Ti/Cr为主,电容采用阳极氧化形成Ta2O5的制程,电感设计为有微带线和螺旋电感,线)SyChip

  SyChip发展的IPD以TaSi为电阻材料,电容的介电材料为Si3N4,上电极为Al,下电极为TaSi,电感和线路材料都采用铝。

  有一些公司正在采用MEMS工艺来发展IPD,如PHS MEMS公司,据该公司解释,制造MEMS元件的方法基本上来自IC产业。同时,一些老牌公司在开发相关技术的同时,也通过收购等手段获得市场和技术,如村田(Murata)就收购了SyChip公司,期望通过该次收购扩张其在射频应用市场的份额。

  整体而言,薄膜IPD集成无源元件,可因不同的产品应用,制作在不同的基板上,基板可选择硅晶片。氧化铝陶瓷基板。玻璃基板。薄膜IPD集成无源元件技术可以集成薄膜电阻。电容和电感于一体,其制程技术开发,包括:微影加工技术。薄膜沉积加工技术。蚀刻加工技术。电镀加工技术。无电极电镀加工技术,整个加工流程如图6所示。除了无源元件的整合,在硅晶片上也可以结合主动元件的制程,将无源元件与主动元件电路整合以达到多功能化的需求。下面就薄膜电阻。电容和电感的加工分别作简单介绍。

  薄膜电阻的制作方式通常利用溅射制程,电阻材料电镀于绝缘基材上,再利用光阻与刻蚀的技术,加工出电阻图形以获得设计的电阻值,其制程示意图如图7所示。

  在材料的运用上,需要考虑电阻材料的TCR即不同温度下的电阻变化率。薄膜电阻的形成方式有真空蒸镀。溅射。本港台现场报码热分解以及电镀,而常用的电阻材料则包含有单一成分金属。合金及金属陶瓷三类。

  因为MIS(Metal-Insulator-Semiconductor金属-绝缘体-半导体结构)薄膜电容利用半导体作为底电极,使电容本身具有寄生电阻,造成元件的共振频率降低,无法应用于200 MHz以上的率,所以高频的应用就必须要选择MIM(Metal-Insulator-Metal金属-绝缘体-半导体结构)薄膜电容,MIM电容可降低寄生电阻值,进而提高元件共振频率,而共振频率则是取决于介电材料的自振频率。与薄膜电阻一样,薄膜电容需要考虑电容变化率,并且介电常数也需要考虑,其制程示意图如图9所示。

  另外,需要注意基材的表面粗糙度Ra《0.3 m,若粗糙度Ra值超过规定范围,介电层容易被下底电极的突丘(Hill Lock)穿透,形成短路。

  IPD集成无源元件技术具有布线密度高。体积小。重量轻;集成度高,可以埋置电阻。电感。电容等无源器件及有源芯片;高频特性好,可用于微波及毫米波领域等优点。将薄膜IPD集成无源元件技术应用于PCB加工,达到节约封装面积。提高信号的传输性能。降低成本。提高可靠性等目的,通过IPD技术的集成优势,弥合封装技术和PCB技术之间不断扩大的差距,可以有效减小电子整机与系统的体积和重量,具有广阔的市场前景。



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