專利名稱：無源器件結構的制作方法
技術領域：
電路結構和無源器件。
背景技術：
期望緊鄰著集成電路芯片或管芯設置去耦電容。隨著芯片或管芯的切換速度和電流需求變得越來越高，必須增大該電容。因此，高密度集成電路芯片或管芯需要極其大量的無源元件、作為結果增加的印刷線路板(PWB)的電路密度、以及趨向于數(shù)千兆Hz范圍內的更高頻率，這些因素結合在一起增加了封裝基板或PWB上的表面安裝的無源元件的壓力。通過將嵌入式無源元件(例如電容器、電阻器、電感器)與封裝基板或PWB一體化，可以得到改善的性能、更好的穩(wěn)定性、更小的占用空間以及更低的成本。
電容器在大部分電路設計中是主要的無源元件。適合嵌入式電容器元件的典型材料，例如，聚合物和高介電常數(shù)(高-k)的陶瓷粉合成物或高-k陶瓷粉和玻璃粉的混合物，通常限于毫微法拉/cm2和0.1微法拉/cm2的電容密度。已經(jīng)進行了多種將薄膜電容器嵌入到有機基板中的嘗試，例如利用以薄疊片形式使用聚酰亞胺或環(huán)氧樹脂中的陶瓷填充劑。然而，已經(jīng)證明加工和處理薄基芯疊片是困難的。


通過下面的詳細說明、所附權利要求和附圖，各個實施例的特點、方案和優(yōu)點將變得更加顯而易見，在附圖中圖1示出了適于安裝在印刷電路板或線路板上的芯片或管芯封裝的實施例的示意性橫截面?zhèn)纫晥D；圖2示出了圖1的封裝基板的示意性橫截面?zhèn)纫晥D；
圖3描述了形成嵌入式電容器的工藝流程圖；圖4示出了其上形成導電材料層的第一導體片的側視圖；圖5示出了沉積在圖4的第一導體片上的陶瓷粉；圖6示出了其上形成導電材料層的第二導體片的示意性側視圖；圖7示出了圖5的結構，其中第一導體(圖4)和第二導體(圖6)連接到陶瓷材料的兩側；圖8示出了燒結后并且在第一導體和第二導體上具有導體材料的覆蓋層的圖7的結構。
具體實施例方式
圖1示出了集成電路封裝的橫截面?zhèn)纫晥D，該集成電路封裝可以物理和電連接到印刷線路板或印刷電路板(PCB)以形成電子組件。該電子組件可以是電子系統(tǒng)的一部分，該電子系統(tǒng)例如是計算機(例如臺式電腦、膝上型電腦、手提式電腦、服務器等)、無線通信裝置(例如蜂窩電話、無繩電話、尋呼機等)、與計算機有關的外圍設備(例如打印機、掃描儀、監(jiān)視器等)、娛樂設備(例如電視機、收音機、立體聲系統(tǒng)、錄音機和CD播放器、錄像機、MP3(運動圖像專家組、音頻層3)播放器等)等。圖1示出了作為臺式電腦一部分的封裝。
圖1示出了電子組件100，該電子組件100包括物理和電連接到封裝基板101的管芯110。管芯110是集成電路管芯，例如處理器管芯。電氣接觸點(例如，管芯110的表面上的接觸焊盤)通過導電突起層(bump layer)125連接到封裝基板101。封裝基板101可以用于將電子組件100連接到印刷電路板130，例如主板或其它電路板。
在一個實施例中，封裝基板101包括一個或多個電容器結構。參考圖1，封裝基板101包括嵌入在其中的電容器結構140和電容器結構150。電容器結構140和電容器結構150連接到核心基板160的兩側。在一個實施例中，核心基板160是有機核心，例如包括玻璃纖維增強材料的環(huán)氧樹脂，也稱為預浸材料。可以將這種結構稱為集成薄膜電容器(iTFC)系統(tǒng)，其中該電容器被集成在封裝基板中，而不是集成在例如管芯和封裝基板之間的插入體中。粘附層175(例如預浸材料)覆蓋在電容器結構140的上面。粘附層185在電容器結構150的下面。內建層(build-up layer)176覆蓋在粘附層175的上面。內建層186在粘附層185的下面。粘附層175和粘附層185分別作為上方內建層176和下方內建層186的粘附層。每一內建層包括分別用于管芯110和封裝基板101之間以及封裝基板101和印刷電路板130之間的接觸點的側向平移的跡線(例如銅跡線)。此處，將由層185、150、160、140和175的組合所構成的區(qū)域稱為功能核心120。
圖2示出了功能核心120的一部分的放大視圖。功能核心120包括核心基板160并且在一個實施例中具有200μm到700μm數(shù)量級的厚度。在另一實施例中，核心基板160的厚度在200μm到300μm的數(shù)量級。在一個實施例中，核心基板160包括核心162(例如玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂)以及殼體165(例如二氧化硅顆粒填充環(huán)氧樹脂)。在另一實施例中，核心基板160僅包括一個核心162。
電容器結構140連接到核心基板160的一側(如圖所示的頂側)。電容器結構140包括第一導體210和第二導體230，該第一導體210最接近核心基板160。介電材料220設置在第一導體210和第二導體230之間。電容器結構150連接到核心基板160的相對側(如圖所示的底側)并且具有的結構類似于在兩個導體之間設置介電材料的結構。粘附層175和粘附層185分別覆蓋在功能核心120的電容器結構140和電容器結構150的上面(在面對核心基板160的兩側上)，這些粘附層例如由有機材料制成并且具有10μm到50μm數(shù)量級的典型厚度。將圖1的內建層176和內建層186沉積在這些粘附層上。如上所述，內建層可以包括跡線和接觸點以將封裝基板分別連接至芯片或管芯和印刷電路板。
在一個實施例中，電容器結構140的第一導體210和第二導體230是導電材料。適合的材料包括但不限于鎳或銅材料。在一個實施例中，介電材料220為具有較高介電常數(shù)(高-k)的陶瓷材料。代表性地，高-k材料為介電常數(shù)在100到1000的數(shù)量級的陶瓷材料。適于介電材料220的材料包括，但不限于，鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶鋇((Ba，Sr)TiO3)、和鈦酸鍶(SrTiO3)。
在一個實施例中，電容器結構140包括第一導體210和第二導體220，第一導體210和第二導體220的厚度在20μm至50μm的數(shù)量級，并且高-k陶瓷材料的介電材料220的厚度在1μm的數(shù)量級，而在另一實施例中，其厚度小于1μm。在一個實施例中，電容器結構150與電容器結構140相似。
在圖2所示的功能核心120的實施例中，電容器結構140包括在第二導體230上的覆層(overlayer)240。覆層240是任選的導電層，其可以應用在其中第二導體230是與功能核心120可能接觸(expose)的材料或加工工序不相容或不太相容的材料的情況中。例如，在一個實施例中，第二導體230是鎳材料。為了使得功能核心120對于隨后的加工工序透明或相容于功能核心120可能接觸的材料，覆層240是銅材料。典型地，如果存在覆層240，則其厚度可以在幾微米的數(shù)量級。
圖2示出了延伸穿過表面280和表面290之間的功能核心120的多個導電過孔。典型地，導電過孔250和導電過孔260是連接到管芯110(例如，通過導電突起層125接觸圖1的管芯110上的接觸焊盤)的電源或地接觸點的適當極性的導電材料(例如，銅或銀)。利用這種方式，導電過孔250和導電過孔260延伸通過電容器結構140、核心基板160和電容器結構150。在需要的情況下，可以利用介電材料的套管270將導電過孔250和260與電容器結構140或電容器結構150的部分隔離。
圖3介紹了形成封裝基板，例如封裝基板120的工藝。在一個實施例中，形成諸如電容器結構140和電容器結構150等電容器結構，然后分別連接到核心基板160。圖4-8示出了與如圖3所示的部分工藝流程有關的形成過程，特別是形成電容器結構的實施例。
在形成封裝結構的電容器結構的一個實施例中，提供第一導體材料的薄片(例如箔)作為初始基板。典型地，提供具有期望厚度的鎳薄片(例如，箔)。代表性的厚度依據(jù)特定設計參數(shù)在幾微米到幾十微米的數(shù)量級上。在一個實施例中，鎳薄片應該是標準包金箔或鍍敷的鎳片。適合作為第一導體的薄片的尺寸可以根據(jù)例如在它們的生產(chǎn)中涉及的板空間(board shop)的要求而變化。例如，可以期望加工長度和寬度尺寸在200-400毫米數(shù)量級的薄片，利用其可以對多個電容器結構單個化。單個電容器的大小可以在硅管芯尺寸到基板尺寸之間變化。
直接在第一導體的表面上，沉積作為印刷電路基板介電材料的陶瓷材料(方框310)。典型地，陶瓷粉顆粒可以沉積在表面上，該表面包括第一導體薄片或箔的整個表面。在一個實施例中，為了形成厚度在1微米數(shù)量級的高-k材料的介電層，在第一導體層上沉積平均直徑在0.05μm到0.3μm的數(shù)量級的陶瓷粉顆粒。在另一實施例中，在介電層的厚度小于1微米的情況下，可以使用更小的陶瓷粉顆粒。例如，為了形成厚度在0.1μm到0.2μm的數(shù)量級的介電層，粒子大小為30納米(nm)到40nm的粒子是適合的。
圖4示出了由例如鎳薄片或箔的第一導體410構成的結構425，在第一導體410的表面上(如圖所示的頂面)具有鎳漿料的層420。在一個實施例中，圖4的鎳漿料層420具有鈦酸鋇粉添加劑，以便在在下面的鎳箔和即將被沉積的上覆鈦酸鋇印刷電路基板之間設置粘附層。
圖5示出了具有高介電常數(shù)的陶瓷層430(例如BaTiO3)的結構435，其中該陶瓷層430沉積在結構425上。在一個實施例中，陶瓷層430或印刷電路基板層疊在下面的Ni漿料層420上。
圖6示出了與圖4中所示的結構425相似的結構455，其包括在其上形成鎳漿料層450的第二導體440(例如，鎳薄片或箔)。隨后將鎳漿料-鎳箔疊片455層疊在結構435的頂部(如圖所示)，以便形成圖7的結構475。在一個實施例中，對下面的疊片，即結構475進行熱處理以燒除有機成分。典型地，熱處理包括在300至500℃的溫度范圍內持續(xù)2小時到一天的時間。
再次參考圖3，在導體材料之間形成高-k介電材料的結構后，隨后在還原性氣氛中對復合結構熱處理，以便同時增加(例如，減少表面能)鈦酸鋇印刷電路基板和鎳漿料層的密度。一旦該熱處理完成，則產(chǎn)品將具有足夠的強度以進行封裝和加工，而且該產(chǎn)品將具有足夠密集的微結構，其中具有非常少量的孔隙，這導致陶瓷高的介電常數(shù)。圖7示出了復合結構475，該復合結構475包括設置在第一導體410和層420之間以及層440和第二導體450之間的陶瓷層430。
在熱處理后，圖3的方法提供在層410和層440中的一個或兩個涂覆不同的導電材料。圖8示出了結構495，其中兩個銅層已經(jīng)分別沉積在結構475的頂面和底面上。在一個實施例中，通過無電淀積沉積銅層460和銅層470。隨后，在銅層460和銅層470的各自表面上通過電鍍連續(xù)沉積銅層480和490。銅層480和490的厚度可以在幾微米的數(shù)量級?？蛇x擇地，銅層可以通過沉積包括銅顆粒的銅漿料并且燒結該漿料來形成。
期望銅涂層使電容器結構對于隨后的加工工序是透明的，其中該電容器結構或封裝基板可能暴露在該加工工序中。在該實例中，在第一導體410和第二導體450例如是鎳材料的情況下，期望使用銅材料涂覆第一或第二導體的暴露表面。
參考圖3的工藝或方法300，電容器結構可以附著到核心基板，例如上面論述的有機核心基板(方框350)。在該實例中，在銅層覆蓋導體的情況下，需要使銅表面粗糙化(例如，通過蝕刻)，以便增強疊層結構。電容器結構可以附著到基底基板的一個表面。以相似方式形成的單獨的電容器結構能夠被層疊到另一表面上，如圖2所示并且如附帶文本所述。
在將一個或多個電容器結構層疊到核心基板后，可以對封裝基板構圖(方框360)?？梢允褂脗鹘y(tǒng)的構圖方法，例如機械鉆孔、使用激光在環(huán)氧樹脂中鉆過孔、過孔形成中所使用的光刻和鍍銅操作。電容器結構還可以被構圖以形成單個電容器?？梢酝ㄟ^在基板上添加有機材料(例如，環(huán)氧樹脂或玻璃顆粒填充環(huán)氧樹脂)的內建層來形成完整的有機基板。
上面的說明涉及在封裝基板中形成電容器結構。可以使用類似工藝形成其它環(huán)境中的電容器結構，如在印刷線路板(例如，印刷電路板)中。所述工藝避免了以下加工工序將陶瓷和導體粉漿料沉積在載體薄片上并且彼此層疊(例如，在傳統(tǒng)制造多層陶瓷電容器(MLCC)中)。取而代之，陶瓷和可能的導體材料都直接在彼此上形成。
在前述詳細說明中，參照了其特定實施例。然而，在不脫離以下權利要求的較寬精神和范圍的情況下，顯然可以對其進行各種修改和變形。因此，說明書和附圖應被理解為是示例性的而非限制性的。
權利要求
1.一種方法，其包括直接在第一導電材料的薄片上形成陶瓷材料；在該陶瓷材料上形成第二導電材料；以及燒結該陶瓷材料。
2.如權利要求1所述的方法，其中該第二導電材料是漿料并且用于燒結該陶瓷材料的條件將該漿料轉變?yōu)楸∧ぁ?br> 3.如權利要求1所述的方法，其中在燒結后，使用銅材料涂覆該第一導電材料的暴露表面和該第二導電材料的暴露表面中的至少一個暴露表面。
4.如權利要求3所述的方法，其中涂覆包括鍍敷該銅材料。
5.如權利要求3的方法，其中涂覆包括沉積包含銅顆粒的銅漿料以及燒結該漿料中的該銅顆粒。
6.如權利要求1所述的方法，其中該第一導電材料、該陶瓷材料和該第二導電材料組成復合結構并且該方法包括將該復合結構耦合到有機基板上。
7.如權利要求6所述的方法，其中該復合結構是耦合到該有機基板的第一表面的第一復合結構，并且該方法包括將第二復合電容器結構耦合到該有機基板的相對第二表面上。
8.如權利要求1所述的方法，其中燒結該陶瓷材料包括在還原氣氛中燒結。
9.如權利要求1所述的方法，其中該第一導電材料和該第二導電材料均包括鎳材料。
10.如權利要求1所述的方法，其中該陶瓷材料的厚度在小于1微米的數(shù)量級。
11.一種方法，包括直接在第一導電材料的薄片上形成陶瓷材料；在該陶瓷材料上形成第二導電材料，使得該陶瓷材料設置在該第一導電材料和該第二導電材料之間；以足夠的溫度和持續(xù)時間進行熱處理以燒結該陶瓷材料；以及使用不同的導電材料涂覆該第一導電材料和該第二導電材料中的至少一個的暴露表面。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述不同的導電材料包括銅，并且涂覆包括鍍敷該銅材料。
13.如權利要求11所述的方法，其中該第一導電材料、該陶瓷材料和該第二導電材料組成復合結構，并且該方法包括將該復合結構耦合到有機基板上。
14.如權利要求13所述的方法，其中該復合結構是耦合到該有機基板的第一表面的第一復合結構，并且該方法包括將第二復合電容器結構耦合到該有機基板的相對第二表面上。
15.如權利要求11所述的方法，其中該第一導電材料和該第二導電材料都包括鎳材料。
16.如權利要求11所述的方法，其中該陶瓷材料的厚度在小于1微米的數(shù)量級。
17.一種器件，包括第一電極；第二電極；和該第一電極和該第二電極之間的陶瓷材料，其中該陶瓷材料被直接燒結在該第一和第二電極中的一個上。
18.如權利要求17所述的器件，其中該第一電極、該第二電極和該陶瓷材料組成電容器結構，該器件還包括有機基板，其中該電容器結構耦合到該有機基板的表面上。
19.如權利要求18所述的器件，其中該電容器結構是第一電容器結構，并且該器件還包括耦合到該有機基板的相對第二表面的第二電容器結構。
20.如權利要求17所述的器件，其中該第一電極和該第二電極中的至少一個包括第一薄膜和第二薄膜的復合物，該第一薄膜設置在該第二薄膜和該陶瓷材料之間。
21.如權利要求20所述的器件，其中該第一薄膜包括鎳，并且該第二薄膜包括銅。
22.如權利要求17所述的器件，其中該陶瓷材料包括厚度為1微米數(shù)量級的薄膜。
23.如權利要求18所述的器件，其中該器件包括封裝基板。
全文摘要
一種方法包括直接在第一導電材料的薄片上形成陶瓷材料；在該陶瓷材料上形成第二導電材料；以及燒結該陶瓷材料。一種方法包括直接在第一導電材料的薄片上形成陶瓷材料；在該陶瓷材料上形成第二導電材料，使得該陶瓷材料設置在第一導電材料和第二導電材料之間；以足夠的溫度進行熱處理以燒結該陶瓷材料并且形成第二導電材料的薄膜；以及使用不同的導電材料涂覆第一導電材料和第二導電材料中的至少一個的暴露表面。一種器件包括第一電極和第二電極；以及該第一電極和該第二電極之間的陶瓷材料，其中該陶瓷材料被直接燒結在第一電極和第二電極中的一個上。
文檔編號H01L27/01GK101032192SQ200580033160
公開日2007年9月5日 申請日期2005年10月13日 優(yōu)先權日2004年10月21日
發(fā)明者堅吉茲·帕蘭獨茲, Y·閔 申請人:英特爾公司