專利名稱：陶瓷互連基板上的厚膜電容器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及厚膜電容器，尤其涉及在陶瓷基板上形成的厚膜電容器。
背景技術：
隨著諸如集成電路(IC)之類的半導體器件運行的頻率升高、數(shù)據(jù)速率加快和電壓降低，供電線路和接地(回路)線路中的噪音以及供應足夠的電流來適應更快速的電路切換成為日益重要的問題，要求配電系統(tǒng)中的阻抗要低。為了向IC提供低噪音和穩(wěn)定的電力，用相互并連的表面組裝技術(SMT)電容器來降低傳統(tǒng)電路的阻抗。較高的工作頻率(較高的IC切換速率)要求電壓對IC作出響應時間更短。較低的工作電壓要求電壓變化(波動)的容許范圍和噪音更小。例如，當微處理器的IC切換并開始工作時，它需要電力來支持切換電路。如果電壓供應的響應時間太長，微處理器就會經(jīng)受超出電壓波動允許范圍和噪音極限的壓降即電力的下降，IC就會觸發(fā)假門。另外，當IC的電壓上升時，響應時間長的話會導致電壓過沖。必須用離IC足夠近的、在合適的響應時間內(nèi)產(chǎn)生或吸收電能的電容器將電力的下降或過沖保持在允許范圍內(nèi)。
抑制電力的下降或過沖幅度用的電容器往往置于盡可能靠近IC的地方以改善它們的性能。傳統(tǒng)設計是將電容器表面組裝在一個互連基板上并且簇擁在安裝同一互連基板上的IC周圍。按照這種排列方式，大數(shù)量的電容器要求復雜的電路接線，這將導致電感增加。當頻率升高并且電壓持續(xù)下降時，必須在越來越低的電感水平提供電容量。
發(fā)明內(nèi)容
公開一種在玻璃或陶瓷互連基板上制作一個或多個厚膜電容器的方法，該方法包括提供一事先制作好的玻璃-陶瓷或陶瓷互連基板；在該基板上形成第一導電層，其中，形成該第一導電層包括形成該第一導電層并在至少約800℃的溫度燒制；在該第一導電層上形成電容器電介質(zhì)層；在該電介質(zhì)層上形成第二導電層，并將電容器電介質(zhì)層與第二導電層聯(lián)合燒制，從而使第一導電層、電容器電介質(zhì)和第二導電層形成電容器。
第一導電層、電容器電介質(zhì)層和第二導電層可以聯(lián)合燒制或單獨燒制。
根據(jù)上述方法制成的電容器具有高電容量，還可具有其他所需要的電學性能和物理性能。電容器可以以陣列形式排布在玻璃-陶瓷或陶瓷互連基板表面上，以便連接于這些電容器接線端的那些焊盤能夠與IC的電源及接地端子對齊。這樣的排列方式可以在低電感提供電容量。
圖1為陶瓷互連基板的剖面正視圖。
圖2A-2F所示為根據(jù)本發(fā)明實施方式在圖1所示的制品表面形成電容器的步驟。
圖3為連接于器件D的沿A-A1線剖開的玻璃-陶瓷或陶瓷互連組件剖面正視圖。
具體實施例方式
公開了在陶瓷和玻璃陶瓷互連基板上形成厚膜電容器的方法。在玻璃-陶瓷或陶瓷互連基板上的厚膜電容器適合用作例如母板或插件?！安寮币话憧芍负邪惭b于印刷線路板上的電容器或其他無源組件的小型互連基板。具有一個或多個電容器的插件能夠為安裝于插件之上的集成電路管芯脫耦和/或電壓控制提供電容量。
本說明書中所討論的插件實施例可包含高電容量密度的電容器。本實施例中的“高電容量密度”是指電容量密度為約150毫微法/平方厘米。就本發(fā)明說明書的意圖而言，陶瓷和玻璃-陶瓷互連基板統(tǒng)稱為“陶瓷互連基板”。
根據(jù)本發(fā)明實施例的陶瓷互連基板上的高電容量電容器具有理想的電學性能和物理性能。一種理想的電學性能是低電感，因為電容器可以直接放置在IC的下面。因而可以最大限度地減少電路接線要求，顯著降低供電回路電感。陶瓷電容器實施例的一種理想的物理性能是其溫度膨脹系數(shù)(TCE)值介于有機印刷線路板的溫度膨脹系數(shù)值(約17×10-6/℃)和集成電路的溫度膨脹系數(shù)值(約4-6×10-6/℃)之間。這一性能能夠降低IC與印刷線路板之間的應力，這則提高電容器的長期可靠性。
參見圖1，提供了一種陶瓷互連基板10。圖1為陶瓷互連基板10的橫截面圖，圖示了接地平面14、電源平面15、信號線16、陶瓷絕緣層17、分別與接地平面和電源平面連接的表面焊盤18和19。參見圖1，陶瓷互連基板10具有適合厚膜電容器放置的表面焊盤18和19。陶瓷基板10可以是玻璃-陶瓷基板，諸如任何市售的鍍有貴金屬或銅的用例如杜邦公司的GREEN Tape材料制作的低溫共燒制陶瓷基板，或者任何市售的鍍有鎢或鉬的高溫共燒制陶瓷基板。
圖2A-2F所示為電容器的制作步驟。示于圖2A-2F并在下面詳細討論的方法闡述的是在陶瓷基板上形成一個或兩個電容器的過程。不過，可以形成若干個電容器。
在圖2A中，在陶瓷互連基板10上形成第一導電層20。第一導電層20用于形成成品電容器的第一電極并與接地焊盤18相連?？梢杂媒z網(wǎng)印刷法將厚膜導電糊料組合物在陶瓷互連基板表面上沉積出第一導電層20。然后對第一導電層20進行干燥，例如在125℃干燥10分鐘?？梢栽诤衲茥l件下對第一導電層20進行燒制以形成第一電極。燒制可以在800-1050℃溫度在空氣中進行。燒制后的第一電極的厚度可以為約3-5微米。第一厚膜導電層20可以是諸如鉑、鈀、金或銀之類的貴金屬或者是諸如銅之類的賤金屬成份。在一個特定實施例中，銅因其成本低而得以采用，所以下面參考組成和性能來加以說明。
圖2B所示為在陶瓷互連層表面上第一電極20的頂視平面圖，顯示了多個接地焊盤18和電源焊盤19以及其他信號焊盤。這些焊盤被設計成能與合適的IC接地端子、電源端子和信號端子連接。所有接地焊盤18都通過從第一電極本體延伸出來的導電指連接至第一電極20。圖2和圖2A所示的制品為沿圖2B的A-A1線剖開的截面視圖。
在Borland等人的美國專利公開US2005/0204864中揭示的適合用作第一導電層的一種厚膜銅糊料組成如下(以相對質(zhì)量計)銅粉 58.4玻璃A 1.7氧化亞銅粉5.8
載體(vehicle)11.7TEXANOL溶劑12.9表面活性劑 0.5總計 91.0在該組合物中，玻璃A包含 組成為Pb5Ge3O11的鍺酸鉛載體包含 乙基纖維素N200 11％TEXANOL 89％表面活性劑包含VARIQUATCC-9 NS表面活性劑TEXANOL可從Eastman化學公司購得。VARIQUATCC-9 NS可從Ashland有限公司購得。
在圖2C所示的步驟中，在第一電極20上形成電容器電介質(zhì)層30。電容器電介質(zhì)層可通過將厚膜電容器電介質(zhì)糊料絲網(wǎng)印刷在第一電極20上和陶瓷互連基板10的表面上來形成。然后電介質(zhì)層30例如在125℃干燥10分鐘。用厚膜電容器電介質(zhì)糊料進行一次印刷或許就足以產(chǎn)生所需要的厚度。但是常常用電容器電介質(zhì)糊料印刷兩次，其間穿插干燥過程，以免在第一次印刷層中形成的瑕疵貫穿整個電容器厚度方向。
圖2D所示為圖2C所示制品的頂視平面圖。電容器電介質(zhì)覆蓋了第一電極層主體。只有從第一電極延伸出的導電指未被電容器電介質(zhì)覆蓋。
在Borland等人的美國專利公開US2005/02070974中揭示的一種合適的厚膜電介質(zhì)材料的組成如下(以相對質(zhì)量計)鈦酸鋇粉 68.55氟化鋰 1.0氟化鋇 1.36氟化鋅 0.74玻璃A10.25玻璃B1.0玻璃C1.0載體 5.9TEXANOL溶劑8.7
氧化劑 1.0磷酸酯潤濕劑 0.5總計 100.00在該組合物中，玻璃A包含組成為Pb5Ge3O11的鍺酸鉛玻璃B包含Pb4BaGe1.5Si1.5O11玻璃C包含Pb5GeSiTiO11載體包含 乙基纖維素N200 11％TEXANOL 89％氧化劑包含 硝酸鋇粉84％載體16％在圖2E所示的步驟中，導電層40通過將第一電極20所用的厚膜導電性糊料組合物用絲網(wǎng)印刷到干燥后的電容器電介質(zhì)層30之上來形成。導電層40還通過從導電層主體延伸出來的導電指連接于電源焊盤19。導電層40隨后在例如125℃干燥10分鐘。
圖2F是圖2E所示制品的頂視平面圖，顯示了從電極40延伸出以連接至電源焊盤19的導電指。從圖2F所示的頂部平面透視圖來看，電介質(zhì)層30的表面積大于電極20和40的主體，所以從電極20和40延伸出的導電指被電容器電介質(zhì)分隔開。
現(xiàn)在可以對厚膜電容器電介質(zhì)層30和厚膜導電層40在氮氣氛中例如在900℃聯(lián)合燒制，于峰值溫度燒制時間達10分鐘，形成電容器的電容器電介質(zhì)層和第二電極。在燒制過程中，電容器電介質(zhì)材料中的玻璃組分在達到燒制峰值溫度之前即軟化并流動、聚結(jié)并包封功能相，產(chǎn)生高密度膜。此外，加到組合物中的摻雜劑可以轉(zhuǎn)變和降低居里溫度并促進適度的顆粒生長以實現(xiàn)所需要的電學性能。在一個實施方式中，燒制在空氣中進行。在另一個實施方式中，第一導電層、電容器電介質(zhì)層和第二導電層聯(lián)合燒制。在又一實施方式中，第一導電層、電容器電介質(zhì)層和第二導電層分開單獨燒制。燒制可以在800℃-1050℃范圍內(nèi)的溫度進行。在一個實施方式中，燒制在有氮氣氛的環(huán)境中進行。
電容器電介質(zhì)燒制后的厚度可在約10-50微米范圍內(nèi)；在一個特定實施方式中，電容器電介質(zhì)厚度在約10-30微米范圍內(nèi)；在另一個實施方式中，燒制后的電介質(zhì)厚度在15-25微米范圍內(nèi)。當在氮氣中于900-950℃燒制，在峰值溫度達10分鐘時，所得電介質(zhì)的介電常數(shù)約為3000。高介電常數(shù)的電介質(zhì)還可以在溫度穩(wěn)定特性方面具備電氣工業(yè)協(xié)會(Electrical Inductries Association)的Z5U特性，且耗散因子低。
在用諸如銅之類的賤金屬來形成第一和第二第電極20和40時，燒制在低氧氣分壓的環(huán)境中進行，比如厚膜氮氣燒制氣氛。加熱爐的燒盡區(qū)可以用少量添加氧氣的方法進行摻混以提高厚膜有機載體的氧化和去除，而燒制區(qū)的氧氣通常保持在幾個ppm。由此避免賤金屬層20和40的氧化。
圖3所示為帶有附接器件D的插件組件1000的截面正視圖。插件組件1000包含圖2E和F所示的制品，該截面圖是取自沿圖2F所示部件的B-B1線剖開的截面。電容器與器件D耦合。電極20與接地焊盤18連接，而后者與器件D的接地端子連接。類似地，器件D的電源端子與接地焊盤19連接，而后者與電極40連接。插件組件可以安裝在印刷線路板或另一塊陶瓷基板上。
例如，器件D可以是一個集成電路。一個或多個集成電路可以附接至在陶瓷互連基板表面上的電容器。
在上述實施例中，為了說明的目的，圖示了少量的電容器和端子焊盤。但是，為了向單個器件或多個器件供電，或者為了其他目的，在結(jié)構(gòu)中可以引入任何數(shù)量的此類元件。
如果需要的話，可以通過實施圖2A-2F所示的步驟并重復上述步驟多次來制作多層電容器。在每一個制作過程中可以制成多個獨立的電容器。需要多個電容器層，是因為對于給定的投影基板面積內(nèi)可以增加總電容量。
如上所述，可在厚膜電容器插件的頂部添加附加電路。例如，可以用厚膜導電體對插件的表面進行金屬化以采用標準厚膜技術形成電路圖案。
可以通過在陶瓷互連基板頂部添加包括電感器和電阻器在內(nèi)的其他無源元件的方式對本發(fā)明的厚膜電容器插件實施方式作進一步加工。電感器很容易用厚膜導電體制作。電阻器可以用絲網(wǎng)印刷厚膜電阻組合物并進行固化或燒制來制作。
可以向最終的結(jié)構(gòu)施用封裝劑，以便向陶瓷互連基板上的電容器或其他元件提供電絕緣隔離或者輔助環(huán)境保護。
在本說明書中所討論的實施例中，“糊料”一詞可對應于電子材料工業(yè)所用的傳統(tǒng)術語，統(tǒng)指厚膜組合物。一般而言，厚膜糊料包含分散在溶解于分散劑-有機溶劑混合物之中的聚合物中的陶瓷、玻璃、金屬、金屬氧化物或其他固體的細顆粒。在一個實施例中，要用在銅電極上的電容器電介質(zhì)糊料具有在氮氣氣氛中燒盡性能良好的有機載體。這樣的載體一般含有量很小的樹脂，比如高分子量的乙基纖維素，在那種場合只需少量樹脂就能產(chǎn)生適宜進行絲網(wǎng)印刷的黏度。此外，添加到粉末混合物中的諸如硝酸鋇粉末之類的氧化性組分有助于有機組分在氮氣氛中燒盡。固體與一種基本上是惰性的液體介質(zhì)(“載體”)混合，然后在軋制機中均勻分散形成一種適用于絲網(wǎng)印刷的糊狀組合物。任何基本上為惰性的液體均可用作載體。例如，各種有機液體，無論是否摻有增稠劑和/或穩(wěn)定劑和/或其他常用添加劑，均可用作載體。
高K厚膜電介質(zhì)糊料往往含有至少一種高K功能相粉末和至少一種玻璃粉，皆分散在由至少一種樹脂和一種溶劑組成的載體系統(tǒng)中。載體系統(tǒng)設計成可采用絲網(wǎng)印刷產(chǎn)生致密的膜。高K功能相粉末可包括通式為ABO3的鈣鈦礦型鐵電組合物。這類組合物的例子包括BaTiO3、SrTiO3、PbTiO3、CaTiO3、PbZrO3、BaZrO3和SrZrO3。還可以是A和/或B位置上的元素被其他元素替換了的組合物。如Pb(Mg1/3Nb2/3)O3和Pb(Zn1/3Nb2/3)O3。TiO2和SrBi2Ta2O9是其他可以使用的高K材料。
上述組合物的摻雜和混合金屬形式同樣適用。摻雜和混合的目的主要是達到必要的最終用途性能規(guī)格，比如必要的電容量溫度系數(shù)(TCC)，以便使材料滿足諸如“X7R”或“Z5U”標準之類的工業(yè)用要求。
糊料中的玻璃可以是例如硼硅酸鈣-鋁、硼硅酸鉛-鋇、硅酸鎂-鋁、稀土硼酸鹽和其他類似的玻璃組合物。在一個特定實施方式中，使用了諸如鍺酸鉛(Pb5Ge3O11)之類的高K玻璃陶瓷粉。
用于形成電極層(也稱為導電層)的糊料可以是基于銅、鎳、錳、鉬、鎢、銀、含銀貴金屬組合物、或基于這些化合物的混合物的金屬粉。在一個實施方式中，使用的是銅粉組合物。
在上述實施方式中，所描述的電極和電介質(zhì)層是采用絲網(wǎng)印刷法形成的。也可以使用其他沉積方法。
權(quán)利要求
1.一種在陶瓷互連基板上形成一個或多個厚膜電容器的方法，它包括提供玻璃-陶瓷或陶瓷互連基板；在上述基板上形成第一導電層，其中，形成所述第一導電層的步驟包括形成所述第一導電層并在至少約800℃的溫度燒制；在所述第一導電層上形成電容器電介質(zhì)；在所述電介質(zhì)上形成第二導電層，并將所述電容器電介質(zhì)與第二導電層一同燒制，使得所述第一導電層、電容器電介質(zhì)和第二導電層形成電容器。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一導電層、電容器電介質(zhì)層和第二導電層一同燒制或者各自分開燒制。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，燒制導致高介電常數(shù)的電介質(zhì)形成。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，所述第一和第二導電層包含至少一種選自下組的金屬鎳、銅、錳、鉬和鎢。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，燒制包括在800℃-1050℃的溫度和具有氮氣氛的環(huán)境中進行燒制。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，形成電容器電介質(zhì)的步驟包括形成含有摻雜的鈦酸鋇的玻璃電介質(zhì)，其中，所述電容器電介質(zhì)的厚度在約10-30微米的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于所述第一導電層包含至少一種選自下組的金屬鉑、鈀、金和銀；并且燒制在800℃-1050℃的溫度及空氣中進行。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于，提供陶瓷互連基板的步驟包括提供包含互連電路、電源焊盤和接地焊盤的基板。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述電容器的第一和第二電極與所述陶瓷互連基板的接地焊盤和電源焊盤連接，或反之。
10.權(quán)利要求1至8中任一項的方法制作的一個或多個電容器。
11.一種插件，它包含權(quán)利要求1至9中任一項的方法制作的一個或多個電容器。
全文摘要
在陶瓷互連基板上形成的厚膜電容器，具有高電容密度和其他需要的電學和物理性能。電容器電介質(zhì)在高溫下進行燒制。
文檔編號H01L27/01GK1988085SQ20061017119
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月21日
發(fā)明者D·I·小艾梅, W·J·博蘭 申請人:E.I·內(nèi)穆爾杜邦公司