PCBブログ - 集積受動デバイスがPCBボード技術の発展に与える影響

PCBボード技術が開発した集積受動素子技術は多種の電子機能を集積することができ、小型化とシステム性能を高める利点があり、体積の大きい個別受動素子に取って代わることができる。本文は主に集積受動素子技術の発展を紹介し、IPD薄膜技術を利用してコンデンサ、抵抗器とインダクタの加工を実現し、IPDがPCB板技術の発展に与える影響を討論した。はじめに、電子技術の発展に伴い、半導体のミクロンプロセスからナノプロセスまでの製造後、能動電子素子の集積度は大幅に向上し、能動素子と受動素子への需要は顕著に増加した。電子製品の市場動向は軽、薄、短である。そのため、半導体プロセス能力の向上により、同じ体積の能動素子の数が大幅に増加した。支持受動素子の数が大幅に増加したほか、これらの受動素子を配置するためのスペースがさらに必要になった。そのため、パッケージ全体のサイズが増加することは避けられず、市場の動向とは非常に異なる。コストの観点から見ると、総コストは受動部品の数に比例している。したがって、受動素子を大量に使用することを前提として、受動素子のコストと空間をどのように下げ、さらに受動素子の性能を高めるかは、現在の重要な問題である。そのトピックの1つ。IPD（Integrated Passive Devices、集積受動デバイス）技術は、コンパクトな集積受動デバイスを提供するために、センサ、RFトランシーバ、MEMS、電力増幅器、電力管理ユニット、デジタルプロセッサなどの様々な電子機能を集積することができる。IPD製品は小型化とシステム性能の向上の利点がある。そのため、製品全体のサイズと重量を小さくしても、既存製品の体積内に機能を追加しても、受動部品を集積する技術は大きな役割を果たすことができます。過去数年間、IPD技術はパッケージにおけるシステム（SiP）の重要な実現方法となり、IPDは「ムーアの法則を超える」統合多機能化のために道を開く、同時に、PCBボードの加工にIPD技術を導入することができ、IPD技術の総合的な優位性を通じて、パッケージ技術とPCBボード技術の間に日増しに拡大する格差を埋めることができる。IPD統合受動素子技術は最初の商用技術から現在まで分離受動素子の代わりに発展し、ESD/EMIなどの業界の推進の下で着実に発展している。RF、高輝度LED、デジタルハイブリッド回路。

2.薄膜IPD技術紹介IPD技術は技術技術によって厚膜技術と薄膜技術に分けることができる。ここで、厚膜プロセス技術はセラミックスを基板とする低温共焼セラミックスLTCC（low temperature co-fired Ceramics）技術とHDI高密度相互接続プリント配線板埋め込み受動素子（embedded Passives）技術に基づくPCB、および薄膜IPD技術を用いて、一般的な半導体技術を用いて回路とコンデンサ、抵抗器とインダクタを作製する。LTCC技術はセラミック材料を基板とし、セラミック基板にコンデンサ、抵抗器などの受動素子を埋め込み、焼結により集積したセラミック素子を形成することで、素子の空間を大幅に減らすことができる。しかし、層数が増加するにつれて、製造の難しさとコストが増加している。そのため、LTCC素子は特定の機能を有する回路に用いられることが多い、HDI埋め込み素子のPCBボード技術は、一般にデジタルシステムに使用され、分散溶接キャパシタと中低精度にのみ適用される。抵抗、素子のサイズが縮小するため、SMTデバイスは小さすぎる素子を処理しにくい。組み込み型プリント配線板の技術は成熟しているが、製品の特性は悪く、コンポーネントが多層板に埋め込まれているため、問題が発生した後に交換や修理調整が困難である。集積回路の薄膜IPD技術はLTCC技術やPCBボード組み込み素子技術に比べて高精度で高再現性がある。その体積が小さく、信頼性が高く、コストが低いという利点は、将来のIPDの主流になるに違いない。本文は主に薄膜IPD技術を紹介する。薄膜集積受動素子技術の発展現状薄膜IPD技術は、露光−現像−コーティング−拡散エッチングなどの薄膜技術を採用している。このプロセスは、さまざまな抵抗器、コンデンサ、インダクタンス素子、および受動素子を接続する低インダクタンス接地平面と伝送線を製造することができる。フィルム構造は同じキャリア基板材料上での製造に適しており、プロセスは必要な部品の性能と精度の指標を満たす必要があるだけでなく、複雑ではなく、マスクの数（通常は6〜10個）が必要である。各受動素子は、表面実装技術の個別素子と面積とコストの面で競争できるように、通常1 mm 2未満の面積を占めている。既存のIPD構造によると、開発メーカーは以下のように紹介している：（1）Telephus Telephusが開発したIPDは厚い銅プロセスを採用し、受動素子のみの線路の性能を高めることができる。フィルタやセパレータ、厚い銅金属層（10 mm）、シリコン絶縁表面などのコスト削減とサイズ削減により、無線通信システムと集積RFモジュールは高性能であり、低k材料は金属層間の寄生容量を削減するのに適している。（2）IMECIMECの薄膜技術は接続線として銅めっき、誘電体層としてBCB、最終接続表面の金属としてNi／Au層を用い、最大4つの金属層を用いた。（3）Dai Nippon社が開発したIPD抵抗器は主にTi/Crであり、コンデンサは陽極酸化によりTa 2 O 5を形成する。インダクタはマイクロストリップワイヤとヘリカルインダクタを用いて設計されている。（4）SyChipはSyChipが開発したIPDは抵抗材料としてTaSiを使用し、コンデンサの誘電体材料はSi 3 N 4、上電極はAl、下電極はTaSiであり、インダクタと回路材料はすべてアルミニウムから作られている。いくつかの企業はMEMSプロセスを使用してIPDを開発している。フィルム集積受動素子技術の構造とプロセスフィルムプロセスと厚膜プロセスの違いは、得られたフィルムの厚さである。一般に、いわゆる厚膜の厚さは5 Isla 188 m ~ 10 Isla 188 mより大きく、薄膜プロセスの厚さは約0.01 Isla 188 m ~ 1 Islaである。薄膜プロセスを使用して抵抗器、コンデンサ、インダクタを同時に形成する場合は、それらを製造するために異なるプロセスと材料が必要である。薄膜技術は半導体集積回路の製造過程に応用され、技術発展はかなり成熟している。したがって、プロセスを統合する際には、異なる部品間の材料の互換性に注意するだけで、プロセス設計を実現することができます。一般に、薄膜IPD統合受動素子は、異なる製品用途のために、異なる基板上で製造することができる。基板は、シリコンシート、アルミナセラミックス基板、およびガラス基板から選択することができる。薄膜IPD集積受動素子技術は薄膜抵抗器、コンデンサとインダクタを統合することができ、その技術発展は以下を含む：フォトリソグラフィ技術、薄膜堆積技術、エッチング技術、めっき技術、化学めっき技術。受動素子の集積に加えて、能動素子のプロセスもシリコンウエハ上で結合し、受動素子と能動素子回路を集積して、多機能要求を実現することができる。（1）薄膜抵抗器加工薄膜抵抗器は通常スパッタリングプロセスにより製造され、絶縁基板上に抵抗材料をめっきし、その後フォトレジストとエッチング技術を用いて抵抗パターンを加工し、設計された抵抗値を得る。材料の応用には、抵抗材料のTCR、すなわち異なる温度における抵抗変化率を考慮する必要がある。薄膜抵抗器の形成方法は真空蒸発、スパッタリング、熱分解、めっきを含み、一般的な抵抗材料は3種類の単成分金属、合金、金属セラミックスを含む。（2）薄膜コンデンサ加工MIS（Metal Insulator Semiconductor Metal-Insulator Semiconductor）薄膜コンデンサは半導体を底部電極として使用しているため、コンデンサ自体に寄生抵抗があり、これにより素子の共振周波数が低下し、200 MHz以上の周波数には適用できないため、高周波応用にはMIMを選択しなければならない。MIMキャパシタは、寄生抵抗値を低減して、素子の共振周波数を高めることができ、共振周波数は誘電体材料の固有周波数に依存する。薄膜抵抗器と同様に、薄膜キャパシタは容量変化率を考慮する必要があり、誘電率も考慮する必要がある。また、基板の表面粗さRa<0.3 Isla 188 mに注意する必要がある。粗さRa値が所定の範囲を超えると、誘電体層が底部電極の凹凸に穿孔されやすくなり、短絡を招く。（3）薄膜インダクタンスプロセス薄膜インダクタンスプロセスは抵抗器プロセスに似ているが、主な設計はその寄生容量を低減し、素子の品質因子（Q）を高める方法を考慮している。インダクタンス特性の比は、Q値を高めるために直流インピーダンスを下げる必要があることを考慮して、インダクタンスワイヤの薄膜厚は5μmから10μmの間でなければならないため、インダクタンスワイヤは通常、プロセス中にメッキによって形成され、要求を満たす。基板の表面粗さは薄膜インダクタの特性に影響を与え、特に高周波では高すぎる表面粗さ率はノイズの増加と高周波特性の低下を招きやすいため、基板の選択、製造、加工は薄膜素子全体の効率に影響を与える。IPD技術がPCBボード技術の発展に与える影響技術の進歩に伴い、PCBプリント回路ボードはより高精度、より高密度の方向に発展し、ICパッケージ分野と高度に融合しつつある。受動素子の集積は現在の電子システムの発展傾向に合致している。IPD技術はすでにパッケージにおけるシステム（SiP）の重要な実現となっている。IPD集積受動素子技術は配線密度が高く、体積が小さく、重量が軽い、集積度が高く、受動デバイスや能動チップ、例えば抵抗器、インダクタ、コンデンサを埋め込むことができる、良好な高周波特性を有し、マイクロ波、ミリ波などの分野に用いることができる。薄膜IPD集積受動素子技術をPCB板加工に応用し、パッケージ面積を節約し、信号伝送性能を高め、コストを下げる。信頼性の向上などの目的のために、IPD技術の集積優位性を通じて、パッケージ技術とPCBボード技術の間の日増しに増加する格差を埋めることができて、効果的に電子整機とシステムの体積と重量を下げることができて、広大な市場の見通しがあります。IPD統合受動部品の場合は、PCBボードを使用して処理することができます。高熱伝導性を有する金属、ダイヤモンド、セラミックスまたはアルミニウム、炭化ケイ素複合材料は、高密度で高出力の多層回路基板を製造するための基板として使用することができる。同時に、IPD受動集積回路基板を強化しなければならない。基板のプロセス改善。材料性能の向上とコストの低減、並びにマイクロ波通信、高密度集積、及び大電力分野における加速応用。結論：薄膜IPD集積受動素子技術は多種の電子機能を集積でき、小型化とシステム性能を高める利点があり、体積の大きい個別受動素子に取って代わることができる。同時に、PCBボードの加工にIPD技術を導入することができる。IPD技術の総合的な優位性により、パッケージ技術とPCBボード技術の間に拡大している格差を埋めることができる。薄膜IPD集積受動素子技術の急速な発展により、受動集積技術は実用化と産業化の段階に入った。次世代受動素子及び関連集積技術は航空宇宙、医療、工業制御と通信などの電子業界の各分野に広く応用されるため、IPD技術の発展はPCBボード企業自身の発展と国内産業競争力の向上に重要な意義を持つ。