集成无源元件对PCB技术发展的影响

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。

1、引言

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。

2、薄膜IPD技术介绍

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。

3、薄膜集成无源元件技术的发展现况

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。

根据现有的IPD结构，以发展厂商分别介绍如下：

（1）Telephus

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。

（2）IMEC

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。

（3）Dai Nippon

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，线路以铜为主。如图4所示。

（4）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