专利名称：改进的电极、内层、电容器、电子器件及其制造方法
技术领域：
本技术领域为印刷线路板(PWB)中的埋入电容器。更具体地，本技术领域包括由厚膜电介质和电极制造的印刷线路板中的埋入电容器。
本发明的技术背景在印刷线路板中实施埋入式高电容密度的电容器可减小电路尺寸并改进电路性能。典型地，将电容器埋入叠置并通过互连电路连接的面板中；叠置面板形成多层印刷线路板。通常将叠置面板称作“内层面板”。
埋入通过箔上烧结(fired-on-foil)技术形成的印刷线路板中的无源电路元件是已知的。通过淀积并干燥至少一层厚膜介电层到金属箔衬底上，随后通过淀积并干燥厚膜电极材料到厚膜电容器介电层上，并随后在铜厚膜烧结条件下烧结电容器结构来形成“分离地箔上烧结(separately fired-on-foil)”电容器。Borland的美国专利申请公开No.U.S.2004/0099999 A1和U.S.2004/023361 A1(代理号EL-0495(分区的共烧结)(cofired divisional)公开了这种工艺。
烧结后，将形成的制品层叠到预浸介电层，并可蚀刻金属箔以形成电容器电极以及任何关联的电路以形成包括厚膜电容器的内层面板。然后将内层面板层叠并互连到其它的内层面板以形成多层印刷线路板。
烧结后厚膜介电材料应具有高介电常数(K)。通过将高介电常数粉(“功能相(functional phase)”)与玻璃粉混合并将混合物分散到厚膜丝网印刷载体来形成适于丝网印刷的高K厚膜介电胶糊。根据它的组成，玻璃可为琉态或晶态的。
在厚膜介电材料烧结期间，在达到最高烧结温度之前，介电材料的玻璃成分软化并流动。在保持在形成箔上烧结的电容器结构的最高温度期间，其聚结并密封功能相。随后玻璃结晶以沉淀为任意需要的相。
铜是形成电极的优选材料。通过将铜粉与少量玻璃粉混合并将混合物分散到厚膜丝网印刷载体来形成适合丝网印刷的厚膜铜电极胶糊。但是，厚膜铜和厚膜电容器介电质之间的大温度膨胀系数(TCE)差，以及在烧结期间的收缩差异常常导致电极周围外侧的电介质中的拉伸应力。如
图1A和图1B所示拉伸应力会导致电极周围的电介质破裂。在极端情况下，破裂会一直向下延伸至铜箔。由于这种破裂会影响电容器的长期可靠性，因此这种破裂是不希望的。减少导致这种破裂的情况的替代电容器结构设计是有利的。
本发明人已提供了形成电极和内层、埋入式厚膜箔上烧结电容器以及形成在电介质中避免这种破裂的印刷线路板的新方法。另外，本发明人已研制了由这些方法形成的电极、内层、电容器和印刷电路板。
发明概述本发明的第一实施方式是针对形成埋入电容器的方法，包括提供金属箔；在金属箔上形成介电层；在整个所述介电层上以及至少部分所述金属箔上形成第一电极；并烧结所述埋入电容器；蚀刻金属箔以形成第二电极。
本发明第二实施方式是针对制造器件的方法，包括提供金属箔；在金属箔上形成电介质，由此，形成所述金属箔的元件侧和箔侧；在整个电介质上以及部分金属箔上形成第一电极；将金属箔的元件侧层叠到至少一个预浸材料；蚀刻金属箔以形成第二电极，其中第一密封电极、电介质和第二电极形成电容器。
本发明进一步针对使用本发明的上述强调的和下面详细描述的方法形成的各种器件和电容器。另外，本发明针对包括本发明上面详述的和下面详细描述的电容器的器件。
附图描述详细描述将参考下面的附图，其中图1A-1B是描述在常规现有技术设计的箔上烧结电容器中观察到的破裂的视图。
图2A-2K是描述制造具有箔上烧结埋入电容器的印刷线路板的方法的系列视图，该箔上烧结埋入电容器具有覆盖整个电介质的印刷电极。
图3A-3J是描述制造具有箔上烧结埋入电容器的印刷线路板的方法的系列视图，该箔上烧结埋入电容器具有围绕电介质周围的绝缘隔离层以及覆盖整个电介质的印刷电极。
图4A-4L是描述制造具有箔上烧结埋入电容器的印刷线路板的变换方法(相对图3A-3J中的描述)的系列视图，该箔上烧结埋入电容器具有围绕电介质周围的绝缘层以及覆盖整个电介质的印刷电极。
图5A-5O是描述制造具有箔上烧结埋入两个介电层的电容器的印刷线路板的方法的系列视图，该电容器具有覆盖整个第一和第二介质层的印刷电极，并且其中隔离层也用作阻挡层以防止电容器电介质被化学蚀刻。
图6A-6K是描述制造具有箔上烧结埋入两个介电层的电容器的印刷线路板的变换方法的系列视图，该电容器具有覆盖整个第一和第二介电层的印刷电极。
根据通常的实践，附图的各种特征不必按比例作图。各种特征的尺寸可扩大或缩小以更清楚地描述本发明的实施方式。
具体实施例方式
第一实施方式是一种制造箔上烧结单个介电层电容器结构的方法，包括提供金属箔；在金属箔上形成电容器电介质；在整个电介质上以及部分或者全部金属箔上形成第一电极并在铜厚膜烧结条件下烧结电容器结构。
根据第二实施方式，一种制造箔上烧结单个介电层电容器结构的方法，包括提供金属箔；在金属箔上形成绝缘隔离层；在金属箔上在由绝缘隔离层产生的封闭中形成电容器电介质；在整个电介质上以及部分或者全部绝缘隔离层上形成第一电极，并在铜厚膜烧结条件下烧结电容器结构。
根据第三实施方式，第二实施方式的变形，一种制造箔上烧结单个介电层电容器结构的方法，包括提供金属箔；在金属箔上形成绝缘隔离层；在金属箔上在由绝缘隔离层产生的封闭中形成电容器电介质；在整个电介质上以及部分或者全部绝缘隔离层上以及部分金属箔上形成第一电极，并在铜厚膜烧结条件下烧结电容器结构。
根据第四实施方式，一种制造箔上烧结两个介电层的电容器结构的方法，包括提供金属箔；在金属箔上形成绝缘隔离层；在金属箔上在由绝缘隔离层产生的封闭中形成电容器电介质；在整个电介质上以及部分或者全部绝缘隔离层上以及部分金属箔上形成第一电极，并在铜厚膜烧结条件下烧结第一电容器结构；在第一电极上形成第二电容器介电层；形成覆盖整个第二电容器介电层和部分绝缘隔离层以及部分箔的第二电极，并在铜厚膜烧结条件下烧结该结构。
根据第五实施方式，一种制造箔上烧结两个介电层的电容器结构的方法，包括提供第一实施方式的制品；在第一电极上形成绝缘隔离层以便其形成封闭区域；在由隔离层限定的封闭区域中的第一电极上以及在部分隔离层上形成第二电容器介电层；形成覆盖整个第二电容器介电层以及部分绝缘隔离层的第二电极，并在铜厚膜烧结条件下烧结该结构。
根据另一实施方式，一种制造箔上烧结埋入电容器内层的方法，包括将箔上烧结电容器结构的元件侧层叠到预浸材料并蚀刻金属箔以形成第一实施方式情况中的第一和第二电极，或者第二实施方式情况中的第一、第二和第三电极。
根据进一步的实施方式；一种制造包括但不限于具有箔上烧结埋入电容器的多层印刷线路板的器件的方法，该方法包括将箔上烧结埋入电容器的内层层叠到另外的预浸材料并形成穿过预浸材料的至少一个通路以连接至少一个电极。
根据上述实施方式，电极覆盖整个电介质并密封电介质。密封电极在电介质的所有尺寸上设置压力以避免张应力。这可产生免于破裂的箔上烧结电容器以使免于破裂的电容器埋在多层印刷线路板内侧。另外，在上述实施方式中隔离层也可用作阻挡层以防止电容器电介质被化学蚀刻。由此改进了电容器的可靠性。
当根据印刷线路板的形成描述本发明时，本领域技术人员可理解本发明的实施方式在包括插件(interposer)、印刷线路板、多芯片组件、区域阵列封装(areaarray package)、系统上封装、以及系统中封装的各种器件中都是有用的。
本发明进一步针对一种制造器件的方法，包括提供具有元件侧和箔侧的金属箔；在金属箔上形成绝缘隔离层；在金属箔上形成电介质，其中电介质被绝缘隔离层围绕并与之接触；在整个电介质上、在部分绝缘隔离层上以及在部分金属箔上形成第一电极，由此形成密封电极；将金属箔的元件侧层叠到至少一种预浸材料；蚀刻金属箔以形成第二电极，其中第一密封电极、电介质以及第二电极形成电容器。
本发明的进一步实施方式针对一种器件，包括埋入至少一层介电材料中的至少一个电容器，该电容器包括金属箔，至少一层介电材料，以及第一电极，其中所述第一电极由覆盖整个第一层介电材料以及部分金属箔的印刷电极形成；与第一电极相邻的第二层介电材料；以及由金属箔形成并与所述第一层介电材料和第二层介电材料相邻的第二电极。
在进一步实施方式中，本发明针对一种器件，包括埋入至少一层介电材料中的至少一个电容器，该电容器包括金属箔，至少一层介电材料、绝缘隔离层以及第一电极，其中所述第一电极由覆盖整个第一层所述介电材料、部分绝缘隔离层以及部分金属箔的印刷电极形成；与第一电极和绝缘隔离层相邻的第二层介电材料；以及由所述金属箔形成并与所述第一层介电材料和第二层介电材料相邻的第二电极。
在阅读下面实施方式的详细描述后，本领域技术人员可理解上面陈述的本发明的各种其它实施方式的优点以及其它优点和益处。
图2A-2K描述制造在金属箔图案上具有箔上烧结电容器的埋入电容器的多层印刷线路板2000(图2K)的第一种方法，其中印刷电极覆盖整个电介质和部分金属箔。为描述目的，如图2A-2K描述形成两个埋入电容器。但是，通过在该说明书中描述的方法可在箔上形成一个、二个、三个或更多个电容器。为简化下面记录的描述强调只有一个所述电容器的形成。图2A-2D和2F-2I和2K是正面上的截面图。图2E是图2D的顶面图。图2J是图2I的底面图。
在图2A中，提供金属箔210。金属箔210可以是在工业中通常获得的一种。例如，金属箔210可为铜、铜-因钢-铜、因钢、镍、镀镍的铜、或具有超过厚膜胶糊烧结温度的熔点的其它材料和合金。适合的箔包括主要包含铜的箔，如反向处理(reverse treated)的铜箔、二次处理的铜箔、以及其它通常用于多层印刷线路板工业的铜箔。例如，金属箔210的厚度可在约1-100微米的范围。其它厚度范围包括3-75微米，更具体地12-36微米。这些厚度范围对应约1/3oz到1oz铜箔之间。
在一些实施方式中，通过施加并烧结背面印刷212到箔210来预处理箔210。背面印刷212显示为图2A中的表面涂层，并可以是施加到箔210的元件侧表面的相对较薄的层。背面印刷212较好地粘附到金属箔210和淀积在背面印刷212上的层。例如，通过将胶糊施加到在低于箔210的熔点的温度烧结的箔210上来形成背面印刷212。背面印刷胶糊可印刷为箔210的整个表面上的开口涂层，或者印刷在箔210的选定区域上。通常更经济的是在箔210的选定区域上印刷该背面印刷胶糊而不是在整个箔210上。但是，由于背面印刷中的玻璃含量(content)阻止铜箔210的氧化腐蚀，因此如果结合铜箔210使用氧掺杂烧结则可优选涂敷箔210的整个表面。
一种适合用作背面印刷的厚膜铜胶糊(Borland等人的美国申请No.10/801326中公开；代理号EL-0545，这里并入以引作参考)具有下面的组分(质量百分比)铜粉58.4玻璃A 1.7氧化亚铜粉 5.8载体11.7TEXANOL溶剂 12.9表面活性剂 0.5总计91.0在这些组分中，玻璃A包括 组分Pb5Ge3O11的锗酸铅载体包括 乙基纤维素N200 11％TEXANOL 89％表面活性剂包括VARIQUATCC-9NS表面活性剂TEXANOL从Eastman化学公司获得。VARIQUATCC-9NS从Ashland公司获得。
在预处理箔210的背面印刷212上淀积电容器介电材料220，形成图2A所示的第一电容器介电材料层220。例如，电容器介电材料可以是丝网印刷或钢印(stencil)到箔210上的厚膜电容器胶糊。然后干燥第一电容器介电材料层220。在图2B中，然后施加并干燥第二电容器介电材料层225。在可选实施方式中，以一个丝网印刷步骤，淀积与两个层220、225相同厚度的单层电容器介电材料。一种适合用作箔上烧结实施方式的厚膜电容器材料(Borland等人的美国申请No.10/801,257中公开；代理号EL-0535，这里并入引作参考)具有下面组分(质量百分比)钛酸钡粉 68.55氟化锂1.0氟化钡1.36氟化锌0.74玻璃A 10.25玻璃B 1.0玻璃C 1.0载体 5.9TEXANOL溶剂 8.7氧化剂1.0磷酸盐润湿剂 0.5总计 100.00在这些组分中，玻璃A包括 组分Pb5Ge3O11的锗酸铅玻璃B包括 Pb4BaGe1.5Si1.5O11玻璃C包括 Pb5GeSiTiO11载体包括乙基纤维素N200 11％TEXANOL溶剂 89％氧化剂包括 硝酸钡粉 84％载体 16％在图2C中，在整个第二电容器介电材料层225上并在电容器电介质周边附近的部分金属箔上形成导电材料层230以形成第一电极，并干燥。例如，通过在第二电容器介电材料层225上丝网印刷厚膜金属胶糊形成导电材料层230。用于形成背面印刷212的胶糊也适用于形成导电材料层230。
然后共烧结第一电容器介电材料层220、第二电容器介电材料层225、以及形成第一电极的导电材料层230，以一起烧结形成的结构。在图2D的前视图中显示了烧结后的结构部分。由于在共烧结中有效移除了电容器介电层220和225之间的边界，因此烧结会导致由电容器介电层220和225形成的单个电容器电介质228。密封电容器介电层228的顶电极232也由共烧结步骤形成。当从图2E所示的顶面透视观察时，电容器介电层228的表面面积小于导电材料层232的表面面积。当在铜箔上在约900℃的最高温度下在氮气中烧结10分钟时，形成的电容器电介质228具有约3000的介电常数以及近似2.5％的耗散因数。其它的烧结条件可用于获得电容器电介质228的不同材料性能。
在图2F中，用具有第一电极232的预浸材料240层叠箔，第一电极232覆盖在内面对预浸材料的电容器电介质228。例如，在标准印刷线路板工艺中使用FR4预浸进行层叠。在一个实施方案中，可使用106环氧预浸。例如，适合的层叠条件是在抽到28英寸汞柱的真空室内在208psig的185℃约1小时。将箔250施加到叠层材料240的相反侧以提供用于产生电路的表面。硅橡胶压垫和光滑的PTFE填充的玻璃释放薄片与箔210和250接触，以防止环氧树脂与叠层板粘合在一起。叠层材料240可以是任何类型的介电材料，例如，标准环氧树脂、高Tg环氧树脂、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、氰酸酯树脂、填充树脂系(filled resin system)、BT环氧树脂、以及其它树脂和在电路层之间提供绝缘的叠层。
参考图2G，在层叠后，将光致抗蚀剂施加到箔210和箔250。图像化和显影光致抗蚀剂以形成光致抗蚀剂图形260和262。
参考图2H，蚀刻箔210和250，并且使用，例如，标准印刷线路板工艺条件剥离光致抗蚀剂260和262，以形成图2I所示的制品。蚀刻形成箔210中的沟槽215并导致与箔的其余部分和第一电极232隔离的第二电容器箔电极218。第二电容器箔电极218、电介质228、以及第一电极232形成电容器200。蚀刻工艺也由箔210产生用作连接电容器电极232的通路的焊垫(pad)的铜垫217和219。电路252、254、256也由箔250形成。
图2J是图2I所示制品的底面图。在图2J中，显示由在箔210中蚀刻沟槽215形成的两个电容器200。该数字是示例性的，但是，根据在此讨论的实施方式可由箔形成任意个数的电容器。图2J描述相似结构的两个电容器200，但是，本实施方式允许形成不同尺寸和/或形状的电容器。
参考图2K，将另外的叠层和铜箔对层叠到图2I所示的制品并钻孔和电镀微通路2010和2020。将光致抗蚀剂添加到外铜层并图像化和显影。然后使用标准印刷布线条件，蚀刻外层铜箔并且剥离剩余的光致抗蚀剂，以完成印刷线路板2000。
描述的制备工艺是适用于在与印刷电路板2000的外层相邻的层中具有埋入电容器200的图2K所示的四个金属层印刷线路板2000。但是，可变化制备顺序并且印刷线路板可具有任意层数。也可将根据本实施方式的埋入电容器设置在多层印刷电路板的任意层。贯穿通路的机械钻孔电镀也可用作微通路2020的替换，以连接电路与电容器箔电极232。
图3A-3J描述制造具有埋入电容器的多层印刷线路板3000(图3J)的第二种方法，该埋入电容器具有在金属箔图案上的箔上烧结电容器，其中印刷电极覆盖整个电介质和部分绝缘隔离层。为说明目的，如图3A-3J描述了两个埋入电容器的形成。但是，通过该说明书描述的方法在箔上可形成一个、二个、三个、或更多个电容器。为了简化，下面的描述针对仅仅一个所述电容器的形成。图3A和3C-3J是正视的剖面图。图3B是图3A的顶面图。
在图3A中，提供金属箔310。金属箔310可以为第一实施方式中通常描述的类型，并与第一实施方式描述相似地通过施加并烧结背面印刷312到箔310进行预处理。
将绝缘隔离层313淀积在背面印刷312上以形成封闭。适合的绝缘隔离层可以是在铜厚膜烧结条件下与铜共烧结时不会破裂的绝缘的陶瓷填充的玻璃成分。图3B表示形成制品的顶面图。参考图3C，将第一实施方式描述的电容器介电材料淀积在由绝缘隔离层313形成的闭合区域中的预处理箔310的背面印刷312上，形成第一电容器介电材料层320。然后干燥第一电容器介电材料层320。然后施加并干燥第二电容器介电材料层325。在另一实施方式中，以一个丝网印刷步骤，单层电容器介电材料可淀积为与两个层320，325相同的厚度。
在图3D中，在整个第二介电材料层325上以及部分绝缘隔离层313上形成并干燥导电材料层330。例如，通过在第一实施方式中描述的在第二介电材料层325上丝网印刷厚膜金属胶糊形成导电材料层330。
然后共烧结绝缘隔离层313、第一电容器介电材料层320、第二电容器介电材料层325、以及形成第一电极的导电材料层330，以一起烧结形成的结构。图3E表示烧结后的结构部分的正面视图。由于共烧结中有效移除了电容器介电层320和325之间的边界，因此烧结会导致由电容器介电层320和325形成的单个电容器电介质328。连接到单个电容器电介质328的绝缘隔离层314由烧结形成。密封电容器介电层328的顶电极332也由烧结步骤形成。电容器介电层328的表面面积小于导电材料层332的表面面积。当在铜箔上在约900℃的最高温度下在氮气中烧结10分钟时，形成的电容器电介质328可具有约3000的介电常数以及近似2.5％的耗散因数。其它的烧结条件可用于获得电容器电介质328的不同材料性能。
在图3F中，用具有第一电极332的预浸材料340层叠箔，第一电极332覆盖在内面对预浸材料的电容器电介质328。可用第一实施方式中描述的材料和工艺进行层叠。将箔350施加到叠层材料340的相反侧以提供用于产生电路的表面。
参考图3G，在层叠后，将光致抗蚀剂施加到箔310和箔350。图像化并显影光致抗蚀剂以形成光致抗蚀剂图形360。在这个制备工序中在这个阶段不必图像化和显影箔350上的光致抗蚀剂362，通常在最后的外层工艺中构图铜箔350。
蚀刻箔310，并且使用，例如，标准的印刷线路板工艺条件剥离光致抗蚀剂360和362以形成图3H所示的制品。蚀刻形成箔310中的沟槽316，并形成不需要化学蚀刻而与箔的其余部分隔离的限定的第二电容器箔电极318以与电容器电介质接触。第二电容器箔电极318、电介质328、以及第一电极332形成电容器300。
参考图3I，另外的叠层345和铜箔370可层叠到图3H所示的制品。参考图3J，钻孔并电镀微通路3010和穿孔通路3020。将光致抗蚀剂添加到外铜层350和370并图像化和显影。然后并使用标准印刷布线条件，蚀刻外层铜箔以产生电路385并剥离剩余的光致抗蚀剂，以完成图3J所示的印刷线路板3000。
描述的制备工艺适合于在印刷电路板3000的中间层中具有埋入电容器300的三层金属层的印刷线路板3000。但是，可变化制备顺序并且印刷线路板3000可具有任意层数。也可将根据本实施方式的埋入电容器设置在多层印刷电路板的任意层。
图4A-4L描述制造具有埋入电容器的多层印刷线路板4000(图4L)的一种可选方法，埋入电容器具有在金属箔图案上的箔上烧结电容器，其中印刷电极覆盖整个电介质、部分绝缘隔离层和部分金属箔，并且在埋入电容器中隔离层也用作阻挡层以便防止电容器电介质化学蚀刻。为描述目的，如图4A-4L中描述了两个埋入电容器的形成。但是，通过该说明书中描述的方法在箔上可形成一个、二个、三个、或更多个电容器，为简化，下面的描述针对仅仅形成一个所述的电容器。图4A和4C-4E以及4G-4I以及4K-4L是正视的剖面图。图4B是图4A的顶面图。图4F是图4E的底面图，并且图4J是图4I的底面图。
在图4A中，提供金属箔410。金属箔410可以为第一实施方式中通常描述的类型并且也与第一实施方式描述相似通过施加并烧结背面印刷412到箔410进行预处理。
将绝缘隔离层413淀积在背面印刷412上以便形成封闭。适合的绝缘隔离层可以是在铜厚膜烧结条件下与铜共烧结时不会破裂的绝缘的陶瓷填充的玻璃成分。图4B表示形成制品的顶面图。参考图4C，将第一实施方式描述的电容器介电材料淀积在由绝缘隔离层413形成的闭合区域中的预处理箔410的背面印刷412上，形成第一电容器介电材料层420。然后干燥第一电容器介电材料层420。然后施加并干燥第二电容器介电材料层425。在可选实施方式中，以一个丝网印刷步骤，单层电容器介电材料可淀积为与两个层420，425相同的厚度。
在图4D中，在整个第二介电材料层425上、部分绝缘隔离层413上以及部分金属箔410上形成导电材料430并干燥。例如，在第二介电材料层425上通过第一实施方式中描述的丝网印刷厚膜金属胶糊形成导电材料层430。
然后共烧结绝缘隔离层413、第一电容器介电材料层420、第二电容器介电材料层425、以及形成第一电极的导电材料层430，以一起烧结形成的结构。图4E表示烧结后的结构部分的正面视图。由于共烧结中有效移除了电容器介电层420和425之间的边界，因此烧结会导致由电容器介电层420和425形成的单个电容器电介质428。绝缘隔离层414由隔离层413形成并连接单个电容器电介质428。密封电容器介电层428的顶电极432也由共烧结步骤形成。图4F显示图4E制品的顶面图。电容器介电层428的表面面积小于导电材料层432的表面面积。当在铜箔上在约900℃的最高温度下在氮气中烧结10分钟时，形成的电容器电介质428可具有约3000的介电常数以及近似2.5％的耗散因数。其它的烧结条件可用于获得电容器电介质428的不同材料性能。
在图4G中，用具有第一电极432的预浸材料440层叠箔，第一电极432覆盖在内面对预浸材料的电容器电介质428。可用第一实施方式中描述的材料和工艺进行层叠。将箔450施加到叠层材料440的相反侧以提供用于产生电路的表面。
参考图4H，在层叠后，将光致抗蚀剂施加到箔410和箔450。图像化并显影光致抗蚀剂以形成光致抗蚀剂图形460。在这个制备工序中在这个阶段不必图像化和显影箔450上的光致抗蚀剂462，通常在最后的外层工艺中构图铜箔450。
蚀刻铜箔410，并且使用，例如，标准的印刷线路板工艺条件剥离光致抗蚀剂460和462以形成图4I所示的制品。蚀刻形成箔410中的沟槽415并形成与箔的其余部分隔离的电容器箔电极418。第二电容器箔电极418、电介质428、以及第一电极432形成电容器400。图4J显示形成制品的底面图。
参考图4K，将另外的叠层445和铜箔470层叠到图4I所示的制品。参考图4L，钻孔并电镀穿孔通路4010和4020。将光致抗蚀剂添加到外铜层450和470并图像化和显影。然后使用标准印刷布线条件，蚀刻外层铜箔以产生电路485并剥离剩余的光致抗蚀剂，以完成印刷线路板4000。
描述的制备工艺适于在印刷电路板4000的中间层中具有埋入电容器400的三层金属层的印刷线路板。但是，可变化制备顺序并且印刷线路板4000可具有任意层数。也可将根据本实施方式的埋入电容器设置在多层印刷电路板的任意层。
图5A-5O描述制造具有埋入电容器的多层印刷线路板5000(图5O)的一种方法，埋入电容器具有在金属箔图案上的箔上烧结两个介电层的电容器，其中印刷第一电极覆盖整个第一电介质层、部分隔离绝缘层和部分金属箔，并且第二印刷电极覆盖整个第二介电层层、部分绝缘隔离层和部分金属箔。为描述目的，图5A-6O中描述了两个埋入电容器的形成。但是，通过该说明书中描述的方法在箔上可形成一个、二个、三个、或更多个电容器。为简化，下面的描述针对仅仅一个所述电容器的形成。图5A、5C-5D、5F-5L以及5N-5O是正视的剖面图。图5B是图5A的顶面图，图5E是图5D的顶面图，并且图5M是图5L的底面图。
在图5A中，提供金属箔510。金属箔510可以为第一实施方式中通常描述的类型，并且也与可第一实施方式描述相似通过施加并烧结背面印刷512到箔510进行预处理。
将绝缘隔离层513淀积在背面印刷512上以便形成封闭。适合的绝缘隔离层可以是在铜厚膜烧结条件下与铜共烧结时不会破裂的绝缘陶瓷填充的玻璃成分。图5B表示形成制品的顶面图。参考图5C，将第一实施方式描述的电容器介电材料淀积在由绝缘隔离层513形成的闭合区域中的预处理箔510的背面印刷512上，形成第一电容器介电材料层520。然后干燥第一电容器介电材料层520。然后施加并干燥第二电容器介电材料层525。在可选实施方式中，以一个丝网印刷步骤，单层电容器介电材料可淀积为与两个层520、525相同的厚度。
在图5D中，在整个第二介电材料层525上、在部分绝缘隔离层513上、以及部分金属箔510上和绝缘隔离层513的另一部分上形成导电材料530并干燥。例如，在第二介电材料层425上通过在第一实施方式中描述的丝网印刷厚膜金属胶糊形成导电材料层530。图5E表示形成制品的顶面图。
然后共烧结绝缘隔离层513、第一电容器介电材料层520、第二电容器介电材料层525、以及形成第一电极的导电材料层530，以一起烧结形成的结构。图5F表示烧结后的结构部分的正面视图。由于共烧结中有效移除了电容器介电层520和525之间的边界，因此烧结会导致由电容器介电层520和525形成的单个电容器电介质528。绝缘隔离层514由隔离层513形成并连接到单个电容器电介质528。密封电容器介电层528的顶电极532也由共烧结步骤形成。电容器介电层528的表面面积小于导电材料层532的表面面积。当在铜箔上在约900℃的最高温度下在氮气中烧结10分钟时，形成的电容器电介质528可具有约3000的介电常数以及近似2.5％的耗散因数。其它的烧结条件可用于获得电容器电介质528的不同材料性能。
参考图5G，在第一电极532上淀积电容器介电材料以形成电容器介电层534。在第一电容器介电层534上淀积第二电容器介电层535并干燥。在另一实施方式中，单层电容器电介质可淀积到与两个层534和535相同的厚度。在整个电容器介电层535上形成导电层536。如图5H前视图所示，导电层536在电容器电介质535上以及部分绝缘隔离层514上以及箔510上延伸。
然后在铜厚膜烧结条件下共烧结电容器介电层534、第二电容器介电层535、导电层536以一起烧结形成的结构。图5I表示烧结后的结构部分的正面视图。由于共烧结中有效移除了电容器介电层534和535之间的边界，因此烧结会导致由电容器介电层534和535形成的单个电容器电介质538。烧结还形成密封电容器介电层538的顶电极532。当在铜箔上在约900℃的最高温度下在氮气中烧结10分钟时，形成的电容器电介质538可具有约3000的介电常数以及近似2.5％的损耗因数。其它的烧结条件可用于获得电容器电介质538的不同材料性能。
在图5J中，用具有覆盖在内面对预浸材料的电介质538的第二电极539的预浸材料540层叠箔510。例如，使用第一实施方式中描述的材料和工艺进行层叠。将箔550施加到叠层材料540的相反侧以提供产生电路的表面。
层叠后，将光致抗蚀剂施加到箔510和550。图像化和显影光致抗蚀剂以形成图5K所示构图的光致抗蚀剂560。在该制备工序中在该阶段不图像化和显影箔550上的光致抗蚀剂562，通常在最后的外层工艺中构图铜箔550。
蚀刻箔510，使用标准印刷线路板工艺材料和条件剥离光致抗蚀剂560和562以形成图5L所示的制品。蚀刻形成箔510中的沟槽515，箔510形成与箔的其余部分和第一电极532隔离的电容器箔电极518。第一电容器电极532、第二电容器电极539、箔电容器电极518、第一电介质528、以及第二电介质538形成两个介电层电容器500的结构。图5M表示形成制品的底面图。
参考图5N，将另外的叠层545和铜箔570层叠到图5L所示的制品。然后钻孔并电镀通孔通路5010和5020。然后将光致抗蚀剂施加到外层铜箔510和570。图像化并显影光致抗蚀剂，蚀刻铜箔并且剥离剩余的光致抗蚀剂以完成形成在图5O所示的制品中的外电路。板可接受额外的处理，如防脱色涂覆以完成电路板5000。
描述的制备工艺适合在印刷线路板5000的中间层中具有埋入电容器500的三层金属层印刷线路板。但是，可变化制备顺序并且印刷线路板5000可具有任意层数。将根据本实施方式的埋入电容器设置在多层印刷线路板的任意层。
图6A-6K描述制造具有埋入电容器的多层印刷线路板6000(图4K)的另一种可选方法，埋入电容器具有在金属箔图案上的箔上烧结的两个介电层电容器，其中印刷的第一电极覆盖整个第一介电层以及部分金属箔，并且第二印刷电极覆盖整个第二介电层以及部分绝缘阻挡层。为说明目的，如图6A-6K描述了两个埋入电容器的形成。但是，通过该说明书中描述的方法在箔上可形成一个、二个、三个、或更多个电容器。为简化，下面的描述强调仅仅一个所述电容器的形成。图6A-6B、6D-6H以及6J和6K是正视的剖面图。图6C是图6B的顶面图并且图6I是图6H的底面图。
在图6A中，提供如图2D中通常代表的制品。将绝缘隔离层633淀积在覆盖在整个电容器电介质628的电极632上并干燥。图6C表示形成制品的顶面图。绝缘隔离层633在密封电极632上形成封闭。适合的绝缘隔离层可以是在铜厚膜烧结条件下与铜共烧结时不会破裂的绝缘填充的玻璃成分。在图6D中，将第一实施方式中描述的电容器介电材料淀积在第一电极632上和由绝缘隔离层633形成的封闭中，以形成电容器介电层634。将第二电容器介电层635淀积在第一电容器介电层634上并干燥。在可选实施方式中，单层电容器电介质可淀积为与两个层634和635相等的厚度。使用第一实施方式中描述的导电材料在整个电容器介电层635上形成导电层636。导电层636在电容器电介质635上和部分绝缘隔离层633上延伸。
然后在铜厚膜烧结条件下共烧结绝缘隔离层633、电容器介电层634、第二电容器介电层635、以及导电层636，以一起烧结形成的结构。图6E表示烧结后的结构部分的正面视图。由于共烧结中有效移除了电容器介电层634和635之间的边界，因此烧结会导致由电容器介电层634和635形成的单个电容器电介质638。烧结也导致在烧结工艺中不会破裂的绝缘隔离层637。密封电容器介电层638的顶电极639也在共烧结步骤中形成。当在铜箔上在约900℃的最高温度下在氮气中烧结10分钟时，形成的电容器电介质638可具有约3000的介电常数以及近似2.5％的耗散因数。其它的烧结条件可用于获得电容器电介质638的不同材料性能。
在图6F中，用具有覆盖在内面对预浸材料的电介质638的第二电极的预浸材料640层叠箔610。例如，使用第一实施方式中描述的材料和工艺执行层叠。将箔650施加到叠层材料640的相反侧以提供产生电路的表面。
层叠后，将光致抗蚀剂施加到箔610和650。图像化和显影光致抗蚀剂以形成图6G所示构图的光致抗蚀剂660。在该制备工序中在该阶段不构图和显影箔650上的光致抗蚀剂662，通常在最后的外层工艺中构图铜箔650。
蚀刻箔610，并使用标准印刷线路板工艺材料和条件剥离光致抗蚀剂660和662以形成图6H所示的制品。蚀刻形成箔610中的沟槽615，并产生与箔的其余部分以及第一电极632隔离的第三电容器箔电极618。第一电容器电极632、第二电容器电极639、第三电容器电极618、第一电介质628、以及第二电介质638形成两个介电层电容器600的结构。
图6I是图6H所示制品的底面图。在图6I中，两个电容器结构600显示为在箔610中蚀刻沟槽615形成。但是该个数是示例性的，并且根据本文讨论的实施方式可形成任意个数的电容器。图6I描述了相似结构的两个电容器600，但是，本实施方式允许形成不同尺寸和/或形状的电容器。
参考图6J，将另外的叠层645和铜箔670层叠到图6H所示的制品。然后钻孔并电镀穿孔通路6010和微通路6020。然后将光致抗蚀剂施加到外层铜箔610和670。图像化并显影光致抗蚀剂，蚀刻铜箔并且剥离剩余的光致抗蚀剂以完成图6K所示的制品中的外电路。板可接受额外的处理，如防脱色涂覆以形成电路板6000。
描述的制备工艺适合具有在印刷线路板6000的中间层中具有埋入电容器600的三层金属层印刷线路板。但是，可变化制备工序并且印刷线路板6000可具有任意层数。将根据本实施方式的埋入电容器设置在多层印刷线路的任意层。
在上述实施方式中，厚膜胶糊可包括陶瓷、玻璃、金属或其它固体的细微分离颗粒。所述颗粒具有1微米或更小的尺寸，并分散在包括聚合体的“有机载体”中，所述聚合体溶解在分散剂和有机溶剂的混合物中。
烧结后厚膜介电材料可具有高介电常数(K)。例如，通过将高介电常数粉(“功能相”)与掺杂物和玻璃粉混合并将混合物分散到厚膜丝网印刷载体中来形成高K厚膜电介质。在烧结期间，在达到最高烧结温度之前，电容器材料的玻璃成分软化并流动、聚结并密封形成烧结电容器成分的功能相。
高K功能相包括通式ABO3的钙钛矿、如结晶碳酸钡(BT)、锆钛酸铅(PZT)、钛酸锆酸镧铅(PLZT)、铌酸镁铅(PMN)和钛酸锶钡(BST)。由于碳酸钡相对不受用于烧结工艺中的还原条件的影响，因此碳酸钡用于铜箔上烧结的应用是有利的。
典型地，相对于高K功能相，介电材料的厚膜玻璃成分是惰性的，并基本用于一起紧密粘结复合材料(composite)以及将电容器复合材料与衬底粘结。优选地只使用少量玻璃以便高K功能相的介电常数不是过分稀释。例如，玻璃可以为钙-铝-硼硅酸盐、铅-钡-硼硅酸盐、镁-铝-硅酸盐、硼酸稀土金属盐(rare earthborate)或其它类似成分。由于稀释效应显著小并且保持复合材料的高介电常数，因此优选使用具有相对较高介电常数的玻璃。化合物Pb5Ge3O11的锗酸铅玻璃是铁电玻璃，其具有近似150的介电常数并且因此是适合的。锗酸铅的变形形式也是适合的。例如，可用钡部分地替代铅，而用硅、锆和/或钛部分地替代锗。
用于形成电极层的胶糊可基于铜、镍、银、银-钯成分的金属粉，或这些化合物的混合。优选铜粉化合物。
通过金属衬底熔融温度、电极熔融温度和介电成分的化学和物理特性限定需要的烧结温度。例如，适合用于上述实施方式中的一组烧结条件是在约900℃的最高温度具有10分钟滞留时间的氮气烧结工艺。
本发明在前的详述说明并描述了本发明。另外，公开显示并描述的只是本发明选定的优选实施方式，但可理解本发明可使用各种其它结合、变形和环境并能在此表述的本发明概念的范围、上述教导的相同情况、和/或相关领域的技术和知识内改变和变形。
此上描述的实施方式进一步解释已知实践本发明的最好模式，并能使本领域技术人员根据实践应用的需要以这种、或其它实施方式和各种变形使用本发明。因此，描述不限于在此公开的本发明形式。而且，指的是构造所附的权利要求以包括可选实施方式，而不明确限定在详细描述中。
实例制备了具有埋入电容器的PWB(印刷线路板)衬底，其中埋入电容器具有完全密封电介质的丝网印刷电极。将4-层设计用于陶瓷电容器滞留在层2(L2)的PWB结构。首先，制造包括L2/L3的内层，然后用层1和4层叠以完成PWB叠层。将loz.NT-TOI的铜箔用于L2。TOI箔是单侧无锌处理电镀箔，并被设计为在有机衬底的宽范围上提供较强粘结力。结果，具有电容器的内层不需要进行氧化处理，以保证对用于建板的1080 FR4预浸的足够粘附。在内层和最后叠层都使用了125psi的较低叠压，以避免引起对陶瓷电容器的任何机械损伤。电容器高度大约为35μm，并包括10μm的完全密封电介质的丝网印刷电极和20μm的陶瓷电介质。在完成的板中在每层中的两组FR4为～150μm。
在板上的外部完成是ENIG(无电极Ni/Au)。用强碱蚀刻剂蚀刻所有的铜。微通路用于将埋入电容器连接到衬底表面的铜焊盘。
制备了总计39个完成的PWB面板。每个面板都具有六个式样，所述式样具有含该专利中所讨论的设计的电容器。每个式样具有18个电容器。
权利要求
1.一种形成埋入电容器的方法，包括提供金属箔；在所述金属箔上形成介电层；在整个所述介电层上和至少部分所述金属箔上形成第一电极；并且烧结所述埋入电容器；蚀刻所述金属箔以形成第二电极。
2.如权利要求1的所述方法，其特征在于，所述方法还包括在所述金属箔上形成所述介电层之前，在所述金属箔上形成绝缘隔离层。
3.如权利要求1的所述方法，特征在于，所述方法还包括在所述介电层上形成绝缘隔离层。
4.如权利要求2或3任一项所述的方法，特征在于，所述方法还包括在所述第一电极上形成第二电容器介电层；在整个所述第二电容器介电层和至少部分所述绝缘隔离层以及至少部分所述金属箔上形成下一个电极，由此形成两个介电层结构；并烧结所述结构。
5.如权利要求4所述的方法，特征在于，所述方法还包括；在所述第一电极上形成第二绝缘隔离层。
6.一种电容器，它由权利要求1到5任一项所述的方法形成。
7.一种器件，它包括权利要求6的电容器。
8.一种制造器件的方法，包括提供金属箔；在所述金属箔上形成电介质，因此，形成所述金属箔的元件侧以及箔侧；在整个电介质上和部分金属箔上形成第一电极；将金属箔的元件侧层叠到至少一种预浸材料；蚀刻金属箔以形成第二电极，其中第一密封电极、电介质和第二电极形成电容器。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括在连接电容器的一种或多种预浸材料中形成一个或多个通路。
10.一种器件，包括至少一个埋入在至少一层介电材料中的电容器，该电容器包括金属箔，至少一层介电材料、以及第一电极，其中所述第一电极由覆盖整个第一层介电材料和部分金属箔的印刷电极形成；与第一电极相邻的第二层介电材料；以及由金属箔形成并与所述第一层介电材料和第二层介电材料相邻的第二电极。
11.一种制造器件的方法，包括提供具有元件侧和箔侧的金属箔；在金属箔上形成绝缘隔离层；在金属箔上形成电介质，其中电介质层被绝缘隔离层围绕并与绝缘隔离层接触；在整个电介质上、在部分绝缘隔离层上和部分金属箔上形成第一电极，由此形成密封电极；将金属箔的元件侧层叠到至少一种预浸材料；蚀刻金属箔以形成第二电极，其中第一密封电极、电介质以及第二电极形成电容器。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述绝缘层也用作阻挡层以防止蚀刻化学物质接触电容器电介质。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在蚀刻金属箔后将器件层叠到至少一种其它的预浸材料。
14.如权利要求13所述的方法，所述方法包括在连接电容器的预浸材料中形成一个或多个通路。
15.一种器件，包括埋入至少一层介电材料的至少一个电容器，该电容器包括金属箔，至少一层介电材料、绝缘隔离层和第一电极，其中所述第一电极由覆盖整个所述介电材料的第一层、部分绝缘隔离层和部分金属箔的印刷电极形成；与第一电极和绝缘隔离层相邻的第二层介电材料；以及由所述金属箔形成并与所述第一层介电材料和第二层介电材料相邻的第二电极。
16.一种器件，它由权利要求8、11或14中任一项所述的方法形成。
17.如权利要求7、10或15任一项所述的器件，其特征在于，所述器件选自插件、印刷线路板、多芯片组件、区域阵列封装、封装上系统、以及封装内系统。
全文摘要
一种埋入厚膜箔上烧结电容器的方法包括完全覆盖具有密封电极的电介质，以避免由于电极和电介质之间的收缩和温度膨胀系数差异在电介质中产生的破裂。
文档编号H05K1/16GK1929718SQ20061012126
公开日2007年3月14日 申请日期2006年6月20日 优先权日2005年6月20日
发明者W·J·伯兰德, S·弗古逊, D·马居达, R·R·特雷勒 申请人:E.I.内穆尔杜邦公司