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化學的應用:陶瓷被動元件

隨處可見的電子產品為我們提供便利舒適的現代生活,在這些電子零件的背後,材料與化學品具有舉足輕重的地位,它們的進步使得元件尺寸大幅縮小,也改變了我們的生活。
 
 
 
電阻、電容與電感

打開電子產品的外殼,一般會先看到電路板,上面黏滿了各式各樣的電子零件,其中包括主動元件和被動元件。主動元件一般是指電晶體和積體電路,積體電路是眾多電晶體的組合體,具有訊號放大的功能。相對的,被動元件一般指的是電阻、電容和電感。

電阻的功用在於限制電路中的電流,如果把電路想像成流動中的小溪,溪水的流量可以看成是電流的大小,當我們增加河床中的障礙物或限制河道寬度,水流量自然會變小。自然界中,物質各有不同的電阻值,選擇不同的材料來改變電路中某些點的電阻,便可以限制電路中的電流。

電容器的功用在於暫時儲存電路中的電能,它是以電荷的形式來儲存能量。電容器的構造是由兩片非常靠近的導體所構成,當電路中的電壓突然升高時,電極上會積存更多的電荷。因此,導體的面積越大,可以儲存的電荷量便越多,電容值也越大。

此外,兩片電極之間的距離與中間介電物質(絕緣體)的介電特性,也會影響電容值。電極間靠得越近,由於正負電荷相互吸引的關係,電極板上就會累積較多的電荷。至於介電物質對於電容的影響,牽涉到材料本身的分子結構,像鈦酸鋇就有令人驚訝的介電常數,因此是陶瓷電容中最常使用的介電材料。

電感器的功用在於穩定電路中的電流,作用與電容器類似,同樣是以儲存、釋放電路中的電能來調節電流的穩定性,只不過電容是以電場(電荷)的形式來儲存電能,而電感卻是以磁場的形式來達成。

電與磁之間可以相互轉換,電流流過的導線周圍會產生磁場;相反的,切割磁力線的線圈中會產生電流。電感的構造是將導線繞成彼此靠近的線圈,有點像整捲的縫衣線,當電流流過時,其中會充滿磁能,電流變小時,線圈內的磁能會產生一股力量,阻止電流變化。

積層陶瓷被動元件

由於電子產品朝向輕薄短小、低耗能發展的趨勢,使得電路元件也面臨體積縮減的壓力。早年的電路板使用插件型的元件,電路板要先鑽洞,元件插腳穿過後再加以銲接。由於元件體積大,加上插腳間無法太過靠近,電路板的背面又是銲接接點,無法加以利用,近年來已漸漸被表面黏著式的晶片元件所取代。配合多層線路的印刷電路板,兩面均可黏著晶片式電子元件,更大大提高線路的密集程度。

表面黏著式被動元件的工作原理與插件式相同,結構上卻有所調整。晶片電阻使用絕緣的氧化鋁陶瓷作為基板,在上面用網版印刷印上含有氧化釕的電阻膏,利用氧化釕的含量決定電阻的大小,之後再印上保護用的薄層玻璃粉,經過高溫燒結後就成為晶片電阻。由於印刷時電阻膏的黏度、溶劑的比例,以及製程上其他的變因,使得做出來的晶片電阻還需要經過雷射切割,將通路寬度加以修整,才能生產出合乎標準的產品。

表面黏著型的電容又稱為晶片陶瓷電容,它的製作就複雜得多。因為電容量的大小與電極面積成正比,而積層陶瓷電容的尺寸又比傳統圓板形陶瓷電容小得多。因此,電極的排列就朝向立體化發展。同樣使用網印的技術,將導體與介電層交錯地印刷在塑膠薄片上,隨著堆疊層數增加,電極的總面積也跟著變大。

這種利用積層堆疊的方式所製作的陶瓷電容元件,形態就像是兩本一頁一頁交錯疊合的書,兩個電極間使用高介電陶瓷材料加以區隔,並沒有直接導通。經過這樣的安排,就可以把很大的電極面積放進一個外觀很小的元件裡。

同樣的製作方式也應用到積層晶片電感器,只是這次導體在疊印的過程中是連通的,彷彿是摩天大樓裡的樓梯,從樓頂蜿蜒而下,一直通到地面。積層陶瓷被動元件就是利用疊印技術,將每一層的導體與絕緣體縮減到只有幾十微米的厚度。因此,小小的一個元件裏面就像一本書一樣,堆疊了數十層,甚至上百層,而外觀的厚度卻只有一、二公厘而已。

網印技術與燒結程序

在這裡要特別提到整個製造過程的核心,就是網印技術與燒結程序。在一般人的印象裡,印刷術是中國的一項古老發明,然而現今的電子產業應用了很多的印刷技術來製造電子元件,把這項古老的技藝推向了另一個新的境界。

印刷術可以說是複製圖案最簡便快速的方式,但是受限於網版絲線的粗細以及網孔的大小,網版印刷有它技術上的極限,太細的網目會使得油墨發生塞網的機率大幅增加。

陶瓷被動元件所使用的網版是不鏽鋼絲製成的網布,為了要獲得精密的線寬,在油墨可以透過的情形下,網布上的孔,必須儘可能的密集,在每平方英吋的網布上有400 × 400個網孔。目前較常使用的網印技術,其解析度大約可以達到50微米,相當於一根頭髮的寬度。所使用的油墨,不論是導體或是絕緣體,其顆粒都必須能透過這麼細小的網孔。因此,在製作上除了原料的顆粒大小必須加以控制外,在分散的過程中也要防止粒子過度聚集,製作的環境也要加以管制以免灰塵雜質的污染。

導體油墨包含了導電粒子、樹脂、溶劑和少許的玻璃粉,藉由樹脂和溶劑形成了類似麥芽糖的黏稠載體,將導電粒子及玻璃粉均勻分散其中。導電粒子一般是直徑在一個微米左右的銀或鈀銀合金,在燒結的過程中溶劑會揮發、樹脂會氧化,存留下的少許玻璃會將導電粒子彼此黏結形成導電通路。貴金屬因為具有不易氧化的特性,在經過攝氏800度的高溫燒結後,鈀銀等貴金屬仍能保有良好的導電性。

然而鈀銀的成本太高,近年來導電膠已朝向卑金屬電極材料發展,就是利用便宜又容易取得的鎳來取代昂貴的鈀銀。不過,在燒結的過程中卻面臨樹脂要氧化燒除,而金屬鎳又不能氧化的難題。解決的方式是控制通入燒結爐的氧氣含量,只通入少許的氧氣,使恰好足夠氧化樹脂而又不至於使金屬發生氧化。

介電油墨包含了介電陶瓷粉體(通常是鈦酸鋇粉體)、樹脂、溶劑以及少許的玻璃粉,樹脂和溶劑將陶瓷粉體分散,並使得網版印刷得以進行。而在燒結過程中,溶劑會揮發、樹脂會燒失,剩下陶瓷粉體被軟化點較低的玻料所黏結,形成介電層。

燒成後的被動元件體積很小,晶片型的被動元件,他們的尺寸規格是以兩組數字來表示,代表的分別是元件的長和寬(大的數字在前,如0402、0603),而且是以英制單位來表示,以0603來說,就代表了0.06 × 25.4=1.524公厘,0.03 × 25.4=0.762公厘的長寬大小。近幾年來,元件在尺寸上縮減的幅度相當的大,規格上2220,1812,1210等尺寸已經很少見了,目前較常見的規格是以1206,0805,0603到0402為主。至於更小的0201甚至01005,由於體積實在太小了,製造上的技術相當難,目前並不常見。

相對於插件型元件,表面黏著式的晶片元件體積自然是小得多了,然而元件的密集程度和積體電路相比,卻仍是小巫見大巫。這是由於網印技術有它的極限,即使是最粗糙的積體電路也都無法使用最精密的網版印刷來製造,而是使用曝光微影的方法來做出電路圖案。以目前八吋晶圓的普遍技術–線寬0.13微米來說,比起網版印刷的極限–20微米,二者間相差了一百多倍!

當然,能用便宜簡單的技術處理工程上的需求是最好不過了,但是為了達成縮小體積的目標,卻不得不使用更昂貴複雜的製程。當晶片元件尺寸縮小到0402以下,機械臂在吸取、置放上的精密度就受到了考驗。當元件過於細小時,面對高速的封裝,卻仍然要維持元件位置的精準,是相當困難的。因此,元件的尺寸想要再加以縮減時,就必須採取其他的方法。例如,將一些製程上較為近似的元件,一起印在同一片基板上,甚至將其立體化,這樣既可以節省空間,也解決了封裝上的難題。

被動元件的積體電路–低溫共燒陶瓷

前面提到的三種陶瓷被動元件,他們在製作過程和材料上有很多共同點。例如,使用網印技術,和高溫燒結程序。另外,油墨的組成包括導體、介電陶瓷與絕緣體的使用,原本是一顆一顆黏到電路板上的陶瓷被動元件,似乎可加以整合成一個「被動元件的積體電路—低溫共燒陶瓷」。

低溫共燒陶瓷的原料分成基板材料、介電材料與導電材料。這三種原材料都是以油墨的形態出現,直接將每個元件內部的構成和元件間的連接線路加以整合,全部設計到印刷網板上。每一層的印刷網版都不相同,印上一層之後加以乾燥再印另一層。當數百層的材料相互堆疊起來,就像蓋了一棟摩天大樓,而每層樓的每個房間都可以有不同的格局和用途,印刷完成後的生胚還是要經過高溫燒結的程序。

當整塊低溫共燒陶瓷模組黏到電路板上時,裏面就包含了上百顆的被動元件和部分的線路。這樣做的好處,除了可以大幅縮減元件之間的空間,並且可以將元件朝立體化堆置,收納了電路板上部分複雜線路,可以說低溫共燒陶瓷發揮了最有效的空間利用率。

但是,這麼做還是有它的限制和缺點。例如不同的材料隨著疊印層數的增加,製作的困難度就越來越高。其次,元件模組化之後,就不能再將其分割,萬一線路設計有所修改,共燒陶瓷的網版便要全部重做。因此,會被做成共燒陶瓷模組的電路大多是為了某一個特定功能的電路。例如,不同款式的手機,其中無線通訊的射頻模組其實是可以互相通用的,而且為了輕巧的要求,製造商才可能會考慮將某些元件用共燒陶瓷加以整合。

薄膜被動元件

或許有讀者會想到,電路板上另一類常見的元件—積體電路(主動元件),是否可以與被動元件加以整合,放到同一塊基板上?這樣就可以節省更多的空間,這個問題目前可以透過覆晶封裝技術或利用薄膜製程來製造被動元件加以解決。

主動、被動元件最大的差異在於製造技術,主動元件用的是曝光、顯影、鍍膜、擴散、蝕刻等「薄膜製程」,每層的厚度很少超過一個微米。而被動元件使用的是網版印刷與高溫燒結等「厚膜製程」,每一層的厚度至少都有幾個微米,在線寬的解析度上兩者更相差了百倍以上!

因此,就先前提到的共燒陶瓷與積體電路,確實很難做在同一塊基板上,頂多只能用覆晶封裝等技術將積體電路的矽晶片直接黏貼到主機板上,以減少封裝所占的面積。

陶瓷被動元件在縮減體積的過程中,除了採用低溫共燒陶瓷的技術外,有人就使用薄膜製程來製造被動元件。前面提到過,薄膜技術的線寬只有網印技術的百分之一而已,所以使用薄膜製程可以使元件所占的體積縮得更小。在使用這些昂貴的製程之後,除了縮減了元件體積之外,更提供了一個與積體電路整合的可能性,讓主動、被動元件可以同時長在一塊基板上。

寫到這裡,令我想起家裡曾經有一臺五十年代可放唱片、聽廣播的電唱機,那時的主動元件是一根根亮著紅光的真空管,電阻粗得像筆桿一樣,電阻越大的,桿子越長,所有的接腳就在空中交會、連接,像極了一團扭曲的鐵絲。想像未來,打開電子產品後看到的可能只是一塊小小黑黑的元件集合體,再也看不見繁雜的電路和瑣碎的元件了!
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