高階製程專題 3：埋置元件 PCB 深度解析 — 從微型化到高良率挑戰

埋置元件 PCB 技術完整解析

產業背景與微型化需求

微型化不只是輕薄

對於研發工程師（RD）來說，微型化的核心意義在於縮短訊號傳輸路徑與提高運算密度。當元件與主晶片的距離越近，訊號延遲（Latency）與雜訊干擾就越小。在 5G/6G 高頻通訊與邊緣端 AI 應用的趨勢下，高密度互連板（HDI）搭配埋置元件已成為必然選擇。

從二維到三維：空間利用革命

• 表面節省： 導入埋置元件技術後，PCB 表面積最高可減少約 40%。這對於內部空間極度受限的智慧穿戴裝置或衛星模組而言，具有極高的商業價值。
• 訊號完整性提升： 由於元件嵌入內層，導通孔（Via）可直接垂直連接至相關電路層，大幅降低了傳統走線產生的寄生電感與電容，使高頻訊號更穩定、品質更好。

台灣 PCB 產業的壓力與機遇

根據台灣電路板協會（TPCA）數據，2024 年台灣 PCB 產業產值已達到 1.22 兆元台幣，年成長率達 8.1%。AI 伺服器與低軌衛星是帶動高階 HDI 板需求的主引擎。台廠必須透過埋置元件等高階製程建立差異化，避免陷入傳統多層板的價格戰。

| 驅動因素 | 技術需求 | 預期獲益 | | :--- | :--- | :--- | | AI 伺服器 / HPC | 高電流處理、極致散熱設計 | 提升散熱效率與電源轉換率 | | 低軌衛星 (LEO) | 高可靠性、極小體積要求 | 減少連接器使用，提升系統穩定度 | | 邊緣端 AI (Edge AI) | 高密度被動元件整合 | 縮小模組尺寸，延長電池續航力 | | 汽車電子 / EV | 熱膨脹匹配、耐振動性 | 提高機械應力耐受度，保護關鍵元件 |

核心技術路徑

埋置元件主要分為「被動」與「主動」兩大類，目前台灣產業界以被動元件的埋置技術較為成熟。

1. 埋置被動元件 (Embedded Passives)

• 電阻： 利用鎳磷合金（NiP）薄膜在內層直接蝕刻出精密電阻值。這種做法不僅節省表面打件空間，還能減少焊點（Solder Joint）數量，從而提升可靠性。
• 電容： 使用極薄的陶瓷樹脂夾層形成內層電容。這對於電源分配網路（PDN）的濾噪與降低電磁干擾（EMI）非常有幫助。

2. 埋置主動元件 (Embedded Actives)

又稱為 ECP（Embedded Component Packaging），是將未封裝的晶片或裸晶（Bare Die）直接嵌入 PCB 載板中。這要求製造廠具備極高的對位精度與無塵環境控管，因為晶片對於製程中的熱與應力極其敏感。

精密製程全流程

要生產一片合格的埋置元件 PCB，必須經歷以下嚴格關卡：

1. 內層空腔（Cavity）成型

• 雷射燒蝕法： 使用雷射精確移除基材材料，適合微小空腔。
• 機械銑削法： 利用高速 CNC 控深銑削，適合較大的元件空間。

2. 元件置放與固定

使用高精度 SMT 打件機（精度需達 ±25μm 以內），並透過非導電膠固定元件，防止在後續壓合過程中因樹脂流動而產生「位移（Swimming）」。

3. 層壓與樹脂控制

在高溫高壓下將各層結合成型。此階段需嚴格控制樹脂流動，避免產生空洞（Voids），否則在後續迴焊（Reflow）時會發生爆板。

4. 微盲孔導通與連接

使用雷射鑽孔精準擊中埋置元件的焊墊（Pad），隨後進行電鍍填孔，確保熱與電的傳導效率。

散熱與可靠性挑戰

材料限制與散熱策略

標準 FR-4 材料的導熱係數僅約 0.3 W/m⋅K，對於高功率 AI 晶片來說完全不夠用。RD 工程師通常採用的策略包括：

• 熱導孔陣列 (Thermal Vias)： 在元件下方佈置密集導孔，降低 Junction 溫度。
• 埋置銅塊 (Copper Inlay)： 直接將銅塊壓入板內，提供極佳的垂直熱傳導路徑。
• 高導熱基材： 選用金屬核心 PCB（MCPCB）或陶瓷基板提升散熱基礎。

可靠性測試與 IPC 標準

由於不同材料間的**熱膨脹係數（CTE）**失配，冷熱循環會產生應力，導致以下失效：

• 筒狀裂縫 (Barrel Cracking)： 導通孔壁斷裂。
• 微盲孔抬升 (Microvia Lifting)： 盲孔與焊墊分離。

因此，產品必須通過嚴格的熱衝擊（Thermal Shock）、高溫高濕（HAST）及多次迴焊模擬測試。

良率與成本管理：PM 的痛點

對於 PM 來說，埋置元件最大的挑戰在於其「不可修補性」。

• 缺陷不可修補： 一旦完成層壓封板，內部元件若有損壞或位移，整塊板子就必須報廢，無法像表面元件一樣進行後復（Touch-up）或維修。
• 先進檢測工具： 必須依賴 2D/3D X-Ray 檢測內部焊點品質與氣泡，並配合自動光學檢測（AOI）進行層壓前的攔截。
• 實務建議：
  1. DFM（為製造而設計）： RD 應在設計初期就讓 PCB 供應商參與，確認公差邊界。
  2. 材料匹配性： 選擇低 CTE 材料以降低熱應力風險。
  3. 製程監控： 針對壓合曲線與雷射能量進行即時數據分析。

台灣產業競爭格局

台灣 PCB 廠商在技術領先度上依然保有優勢，但在營運策略上正經歷轉型：

• 研發中心（台灣）： 專攻高階 HDI、埋置元件原型開發（Prototyping）與先進載板技術。
• 量產中心（泰國）： 受地緣政治影響，2025 年起台廠將陸續在泰國開出新產能，承接中高階多層板與汽車板。
• 挑戰： 台資廠商需面對金價上漲、台灣電價調升以及泰國新產線初期良率不穩的考驗。

小結

埋置元件 PCB 技術是現代高階電子產品不可或缺的核心能力。它不只是單純的縮減體積，更涉及了電氣設計、熱管理與精密製造的跨領域整合。

對於 RD 來說，這是達成訊號極致性能的關鍵；對於 PM 而言，這是掌握成本與良率的平衡木。掌握這項技術，不僅是台廠在 1.22 兆元產值中保持獲利的利器，更是台灣電子產業邁向 AI 與太空時代的重要基石。