CN100499361C - 电子器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

电子器件及其制造方法。一种电子器件，其包括：绝缘基板；直接形成在所述绝缘基板上的至少一个电容器和一电感器；从上方连接所述至少一个电容器和所述电感器的线路；以及外部连接焊盘单元，其由与所述线路相同类型的导体制成，并设置在所述绝缘基板上。

Description

电子器件及其制造方法
技术领域
本发明总体上涉及电子器件及其制造方法，更具体地，涉及一种用于RF(射频)系统中的射频模块的器件，该RF系统用于无线通信。对于这种器件，越来越需要具有较高性能、较小功耗以及较低制造成本的更轻、更小的器件。为了获得这种器件，IPD(集成无源器件)变得非常重要。IPD是通过对诸如电感器和电容器的无源器件进行集成而形成的。本发明涉及这种IPD的结构以及制造该IPD的方法。
背景技术
通常，无源器件包含在基板中或与基板集成在一起，因此可以使所得到的器件较小。然而，通过这种方式，很难满足以较低制造成本制造较小器件的要求。例如，无源器件形成在由LTCC(低温共烧陶瓷)制成的多层基板的多个层之间，并且通过导线将IC或SAW滤波器连接到这些层上。然而，对于较小的器件，必须制备大量的层，因此，生产成本增加并且设计复杂度增大。为了解决该问题，关注IPD的开发，在IPD中，通过在由陶瓷、玻璃、硅等制成的基板上堆叠薄膜来集成无源器件。例如，Harrier A.C.Timans等人在“MEMS for wirelesscommunications：’from RF-MEMS components to RF-MEMS-Sip’，IMECVzw.Division Microsystems，Components and Packaging，2003，pp.S139-S163”中公开了一种IPD，其中在玻璃基板上形成线路和电容器，并且在这些线路和电容器上形成电介质层(低介电常数树脂，例如ε为2.65的BCB)。在所得到的结构上形成螺旋电感器。此外，在该电感器上形成另一电介质材料，以覆盖该电感器，并且制备其上要形成导线和凸点以与线路和其他器件相连接的焊盘。与诸如SMT(表面安装技术)、CSP(芯片级封装)、SoC(片上系统)，或者SiP(封装内系统)的安装技术相结合的使用通过以上技术制造的IPD芯片，可以将该器件后安装(post-mount)在模块上。也可以将IC或SAW滤波器直接安装在该器件上。因此，有望实现模块的制造成本和尺寸的大大降低。Harrier A.C.Timans等人还公开了其上安装有IPD的RF模块的多个示例。除了HarrierA.C.Timans等人以外，日本未审专利公报No.5-3404和No.4-61264以及美国专利No.5,175,518中也公开了IPD。
然而，对于上述传统结构中的任何一种，需要大量的过程和材料，导致很高的制造成本。因此，对于要内置在移动电话中的低成本模块的使用，很难生产出廉价的器件。由于使用厚电介质膜的处理要执行两次或更多次，并且制造过程中要添加用于去除电镀过程中使用的金属膜的许多过程，所以很难使工艺条件稳定。大量的层还导致稳定性的下降，例如器件的耐热性下降。此外，由于使用了薄的多层电介质膜，所以如果基板很薄，则基板会由于该基板和电介质膜之间的热膨胀系数的差异而弯曲。这妨碍了大直径基板的使用。此外，由于将通过溅射或汽相淀积而形成的薄膜金属膜作为线路的一部分，所以电阻由于射频导致的趋肤效应而变得较高，从而器件特性劣化。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种电子器件以及制造该器件的方法，其中消除了以上缺点。
本发明的更具体的目的是提供一种高度稳定的电子器件，与传统器件相比，该电子器件是通过更简单的方法制造的，并且具有更简单的结构。本发明另一具体目的是提供一种制造该电子器件的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种电子器件，其包括：绝缘基板；直接形成在该绝缘基板上的电感器和至少一个电容器，所述至少一个电容器包括下电极和上电极；连接所述至少一个电容器的上电极和该电感器的线路，该线路连接到所述上电极的顶面；以及外部连接焊盘单元，其由与所述线路相同类型的导体制成，并设置在所述绝缘基板上。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造电子器件的方法，包括以下步骤：在绝缘基板上直接形成电容器和电感器，该电容器包括下电极和上电极；通过电镀工艺同时形成焊盘和用于连接该电容器的上电极和电感器的线路，以使所述线路连接到所述电容器的上电极的顶面。
因此，本发明提供了一种高度稳定的电子器件，与传统器件相比，其能够通过更简单的方法制造，并具有更简单的结构。本发明还提供了一种制造该电子器件的方法。
附图说明
通过结合附图来阅读以下详细说明，本发明的其他目的、特征和优点将变得更加明了，附图中：
图1是本发明的一个实施例的立体图；
图2是图1所示实施例的部分放大立体图；
图3A至图3F是本发明的第一至第六实施例的电子器件的剖视图；
图4A至4J表示根据第一实施例的结构和制造方法；
图5A至5J表示根据第二实施例的结构和制造方法；
图6A至6D表示根据第二实施例的另一制造方法；
图7A至7J表示根据第三实施例的结构和制造方法；
图8A至8F表示根据第四实施例的结构和制造方法；
图9A至9J表示根据第五实施例的结构和制造方法；
图10是表示绝缘基板的材料与电感特性之间的关系的曲线图；
图11表示具有图1所示结构的IPD芯片的通过特性；
图12表示具有图1所示结构的IPD芯片的输入侧反射特性；以及
图13表示具有图1所示结构的IPD芯片的输出侧反射特性。
具体实施方式
图1是根据本发明第一实施例的电子器件的立体图。图2是从不同角度观察的该电子器件的立体图。该电子器件包括：绝缘基板10；直接形成在绝缘基板10上的电容器12和13；电感器14；线路15至17，其从上方连接电容器12和13以及电感器14；以及外部连接焊盘18至21，它们是与线路15至17相同类型的导体，并形成在绝缘基板10上。该电子器件还包括覆盖电容器12和13以及电感器14的绝缘膜36(图1和2中未示出)。线路15至17设置在绝缘膜36上。绝缘膜36是保形绝缘膜，其以高覆盖度覆盖该电子器件的除了焊盘18至21的表面以外的电路形成表面(元件形成表面)。线路15至17可以通过气隙形成在电容器12和13以及电感器14的上方，这被称为“自立状态(free-standingstate)”。该电子器件还可以包括电阻器。另外，如稍后所述，焊盘18至21可以形成在绝缘基板10的凸面部分上。焊盘18至21还可以由与形成螺旋电感器14和线路15至17的层相同的两个层形成。例如，焊盘18由形成电感器14的层181以及形成线路15至17的层182形成。如稍后所述，形成线路15至17的层可以被设计为覆盖由与电感器14相同的层形成的多个区域中的至少一个的外周。此外，电容器12和13的上电极可以由与电感器14相同的层来形成。绝缘膜形成在电容器12和13的上电极上，并覆盖这些上电极的外周。未覆盖有绝缘膜的区域可以通过线路16和17与电感器14相连接。
下面将说明本发明的实施例。图3A至3F是根据第一至第六实施例的电子器件的剖视图。每一个剖视图都示出了图1和2中所示电子器件的焊盘18、线路15、电感器14、电容器12，以及焊盘21。下面将结合以下描述的各个实施例的制造方法来说明各个实施例的结构。
(第一实施例)
图4A至4J表示根据图3A所示的第一实施例的电子器件的制造方法。在由石英(或人造石英)或玻璃(例如Pyrex(注册商标)、Tempax、铝矽酸盐玻璃或者硼硅玻璃)制成的绝缘基板10上形成金属图案31(图4A)。该金属图案31用作具有MIM(金属-绝缘体-金属)结构的电容器12的下电极。第一层金属图案31的材料优选地包含电阻相对较低的Al、Au或Cu作为主要成分。金属图案31可以具有多层结构。例如，金属图案31可以具有Ti/Au/Ni/Au(20nm/500nm/20nm/500nm)的四层结构。接下来，形成电容器12的图案32。尽管在图4B中未示出，但是还形成了电容器13的图案。电容器12和13的图案32的材料可以是由SiO2、Si3N4、Al2O3、Ta2O5等制成的电介质膜，该电介质膜是通过溅射或PECVD(等离子体增强化学汽相淀积)形成的。例如，图案32是厚度为195nm的PECVDSiO2膜。接下来，形成用于电镀的种晶金属层33(图4B)。种晶金属层33的材料优选地与用于后期电镀的材料相同，并且例如可以是Ti/Cu(20nm/500nm)的溅射金属膜。
接下来，在种晶金属层33上形成用于对金属镀层进行构图的光刻胶图案34(图4C)。根据金属镀层高度、电镀液，以及形成图案的温度来形成抗蚀剂。例如，使用厚度为12μm的耐碱抗蚀剂来形成光刻胶图案34。螺旋电感器14被形成为具有宽度为10μm、间隔为10μm的图案。通过电镀方法形成电镀层35(图4D)之后，去除光刻胶34和种晶金属层33(图4E)。例如，形成高度为10μm的Cu电镀膜，并利用同一层形成电感器14和线路(例如图1所示的线路25至27)。然后利用特殊的抗蚀剂去除剂来去除抗蚀剂34，并且还去除种晶金属层33。可以通过离子铣削工艺来执行种晶金属层33的去除。接下来，形成具有保形膜厚度的电介质膜36(图4F)。电介质膜36的材料可以是聚酰亚胺、BCB(苯并环丁烯)等。电介质膜36具有可以覆盖整个电感器14的膜厚度。进一步形成图案，以暴露位于线圈14中心的焊盘18和底座，并且通过固化过程(curing procedure)形成种晶层37(图4G)。例如，种晶层37可以是Ti/Cu(20nm/500nm)的溅射金属膜。此外，以大于焊盘18至21的高度的2μm的高度形成电镀光刻胶图案38以及电感器14的上线路，电镀光刻胶图案38用于形成焊盘18至21的上线路(相当于图1所示的层182)(图4H)。
然后形成金属电镀层39，由此完成电感器14和焊盘18至21上的线路(图4I)。电镀层39可以形成为一个以上的层(例如，镍层和金层)。最后，去除光刻胶38和种晶金属层37(图4J)。这里，完成了图3A所示的IPD。在图4I所示的焊盘形成过程中，可以将电镀层或者溅射金属层添加到焊盘18至21上。由于电感器14与其上形成的线路39之间的距离随着由BCB制成的电介质膜36的厚度而变化，所以导致了寄生电容的差异。这导致特性的差异。因此，应该优选地使电介质膜36的膜厚能够保持上线路39和电感器14之间的足够距离。例如，在电感器14上施加BCB以形成厚度为2.5μm的膜，并在其上形成上线路39。仅有焊盘18至21以及线路15至17的某些部分(上部部分)通过电介质膜36暴露，而电感器14以及电容器12和13覆盖有BCB膜36。
在图3A和图4J中，焊盘18至21由两个层(相当于图1和2所示的层181和182)形成，这两个层还形成螺旋电感器14和线路15至17(电镀层39)。图3A和图4J所示的电镀层39具有通过在镍膜上镀金而形成的双层结构。形成线路15至17的层(电镀层39)覆盖由该层(其还形成电感器14)形成的多个区域中的至少一个的外周，即，由该层(其还形成电感器14)形成的焊盘18至21的第一层的外周。同样，电容器12和13的上电极也是由该层形成的，该层还形成电感器14。在电容器12和13的上电极上形成绝缘膜36，以覆盖上电极的外周。未覆盖区域通过线路16和17与电感器14相连接。
在第一实施例中，可以在线路25的区域中或者其他自由区域中形成电阻层。这样，可以获得除了电感器14以及电容器12和13以外，还具有电阻器的IPD。具有电阻器的这种结构并不限于第一实施例，还可以应用于稍后说明的第二至第六实施例的IPD中的任意一个。
(第二实施例)
图5A至5J表示根据图3B所示的第一实施例的电子器件的制造方法。除了图5A所示的过程外，该方法与图4B至4J所示的方法相同。第二实施例与第一实施例的区别在于具有第二金属层40。在第一实施例中，Cu镀层35用作形成在电容器层32上的上电极层。另一方面，在第二实施例中，第二金属层40用作该上电极层。如果在第一实施例中的Cu镀层35很厚，则构图精度会很低，并且难以获得所需的电容。为了解决这个问题，形成第二金属层40，并在第二金属层40上形成Cu镀层35，由此保持了高的电容精度。由于第二金属层40的材料以及对第二金属层40进行处理的方式，使得可以在种晶层去除过程中去除第二金属层40。在这种情况下，执行图6A至6D所示的工艺。如图6A至6D所示，在第二金属层40的上部部分的边缘附近形成电介质膜(例如氧化物膜)41，从而电容器膜32可以具有所需的面积。然后形成种晶层33和Cu镀层35。在镀Cu之后去除种晶层33时，形成在第二金属层40上的电介质膜41防止对第二金属层40的蚀刻。因此，对形成有氧化物膜的电容器膜32的膜厚度以及形成在第二金属层上的电介质膜41的图案宽度进行控制，以确定电容。
(第三实施例)
图7A至7J表示根据图3C所示的第三实施例的电子器件的制造方法。通过图4A至4E所示的过程，形成用于形成电感器14的电镀层35。在去除种晶层33后，形成光刻胶图案43(图7A)，而不是第一和第二实施例中的用于覆盖电感器14的电介质膜36。在光刻胶图案43上形成种晶层37(图7B)之后，还形成光刻胶图案38(图7C)。利用光刻胶图案38，对用于在焊盘18至21和电感器14上形成上线路的电镀层39进行构图(图7D)。然后去除光刻胶图案38(图7E)。在去除种晶层37之后，还去除光刻胶图案43(图7F)。通过去除光刻胶图案43，使形成在电感器14上方的线路15处于自立状态(电感器14和线路15之间形成有气隙)。因此，可以降低电感器14和线路15之间的寄生电容。接下来，为了防止暴露在空气中的电感器14和线路15至17的氧化，在整个表面上形成保形膜44(图7G)。此处，使用聚对二甲苯在“自立”线路15至17上形成保形膜44。由聚对二甲苯制成的保形膜44是通过CVD方法形成的，并且可以覆盖线路15至17的下侧。接下来，执行聚对二甲苯膜的蚀刻，以暴露焊盘18至21。形成光刻胶图案45(图7H)，然后执行O2等离子体处理，以对焊盘18至21上的聚对二甲苯进行蚀刻(图7I)。在聚对二甲苯蚀刻之后，去除光刻胶图案45，以完成IPD(图7J)。
(第四实施例)
图8A至8F表示根据图3D所示的第四实施例的电子器件的制造方法。在图4A至4E所示的过程之后，在图4F中形成厚电介质膜36。然而在第四实施例中，如图8A所示，使用了光刻胶43。没有使用成本很高的BCB或聚酰亚胺，可以大大地降低制造成本。由于光刻胶图案43被保留作为器件层，所以优选地在200℃或更高温度下执行后焙烘。图8A至8F所示的过程与图7A至7E所示的上述程序相同。
(第五实施例)
在图4A至8F所示的制造方法中，为了增大焊盘18至21中的每一个的金属镀层高度，在用于形成电感器14的电镀过程期间，在焊盘18至21中的每一个的内侧形成相同的电镀层。通过增大焊盘高度，可以提高安装时的稳定性，并且可以降低制造成本。例如，当将本发明的IPD芯片安装在具有高焊盘的另一芯片上时，可以将凸点做得较低，并且可以增大IPD芯片与其他芯片之间的间隙。由于凸点做得较低，所以可以大大地降低制造成本，特别是在凸点由Au制成的情况下。同时，芯片之间的间隙的裕度(即使该间隔很小时，芯片也不会彼此接触)变得更大。因此，可以提高安装过程的稳定性。电镀层形成在每个焊盘的内部，因为如果焊盘由诸如Cu的相对软的金属制成，则在后期形成凸点或引线接合时焊盘可能会变形。优选地，围绕各个Cu部分的外周形成相对较硬的Ni镀层。在本实施例中，还可以形成双层结构。
同时，可以采用根据图9A至9J所示的第五实施例的制造方法。图9A至9J表示图3E所示的电子器件的制造方法。此处，在焊盘18至21中的每一个的内侧上没有形成与在电镀过程中形成的用于形成电感器14的相同电镀层。该单层方法在下述的情况下是有效的：各个区域都很小，并且在各个焊盘下面形成与电感器14的相同的电镀层之后的后处理程序中，焊盘发生变形。
图9A至9J所示的过程与图4A至4J所示的过程相对应。图9A和9B所示的过程与图4A和4B所示的过程相同。图9C所示的过程与图4C所示的过程的区别在于，在焊盘形成区域中还形成了光刻胶图案34。图4D至4J所示的过程与图9D至9J所示的过程相同。在图9J所示的电子器件中，焊盘18至21形成有Ni镀层39，Ni镀层39在其表面上具有Au镀层。由于焊盘18至21不包括软的Cu层，所以可以增大接合时的稳定性。
(第六实施例)
图3F是根据第六实施例的电子器件的剖视图。绝缘基板10在要形成焊盘18至21的位置处具有凸面部分10A。通过这种结构，可以使焊盘18至21更高。因此，可以使IPD芯片和要将该IPD芯片安装到其上的另一芯片之间的间隔更大，而不会增大焊盘18至21中的每一个的电镀膜厚度。
图10是表示在绝缘基板10由玻璃D263(1MHz时ε＝6.7)(Schott AG公司制造)制成的情况下，以及在绝缘基板10由人造石英(1MHz时ε＝4)制成的情况下，绝缘基板10的材料与电感特性之间的关系的曲线图。在图10所示的曲线图中，横坐标轴表示频率(GHz)，左纵坐标轴表示Q因子，而右纵坐标轴表示电感(nH)。电感器14的内径为150μm，匝数为3.5。在D263和人造石英两种情况下，直到2GHz，Q因子和电感值都几乎相同。更具体地，直到2GHz，在电感器14形成在由人造石英(具有低介电常数)制成的绝缘基板10上的情况下，可以获得与下述情况相同的特性：与现有技术一样，电感器14形成在高介电常数的层上。因此，在本发明中，D263玻璃基板应该优选地在2GHz或更低的频率下使用。
图11、12和13表示具有图1所示结构的IPD芯片的所测量的S21特性、所测量的S11特性以及所测量的S22特性。在图11所示的曲线图中，横坐标轴表示频率(GHz)，而纵坐标轴表示参数。在该测量中，图1所示的焊盘20用作信号端子，而焊盘21用作接地端子，以设置端口1。另外，焊盘18用作信号端子，而焊盘19用作接地端子，以设置端口2。如图11所示，图1所示的IPD芯片直到2.05GHz都几乎没有损耗。此外，如图12和13所示，实现了优异的输入侧和输出侧反射特性。
尽管示出并描述了本发明的几个优选实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和范围的情况下，可以对这些实施例进行修改，所附权利要求及其等价物限定了本发明的范围。

Claims (16)

1、一种电子器件，其包括：
绝缘基板；
直接形成在所述绝缘基板上的电感器和至少一个电容器，所述至少一个电容器包括下电极和上电极；
连接所述至少一个电容器的上电极和所述电感器的线路，该线路连接到所述上电极的顶面；以及
外部连接焊盘单元，其由与所述线路相同类型的导体制成，并且设置在所述绝缘基板上。
2、根据权利要求1所述的电子器件，其中所述电感器的下电极与所述至少一个电容器的下电极在相同的平面内。
3、根据权利要求1所述的电子器件，还包括：
绝缘膜，其覆盖所述电感器和所述至少一个电容器，并且所述线路设置在该绝缘膜上。
4、根据权利要求1所述的电子器件，其中所述电子器件覆盖有绝缘膜，除了所述焊盘单元的表面以外。
5、根据权利要求1所述的电子器件，其中所述线路被形成为通过气隙与所述电感器和所述至少一个电容器交叉。
6、根据权利要求1所述的电子器件，还包括电阻器。
7、根据权利要求1所述的电子器件，其中所述焊盘单元设置在所述绝缘基板的凸面部分上。
8、根据权利要求1所述的电子器件，其中所述焊盘单元由与形成所述电感器的层相同的层以及与形成所述线路的层相同的层形成。
9、根据权利要求8所述的电子器件，其中形成所述线路的层覆盖由与所述电感器相同的层形成的多个区域中的至少一个区域的外周。
10、根据权利要求1所述的电子器件，其中所述至少一个电容器的上电极由与所述电感器的下电极相同的层形成。
11、根据权利要求1所述的电子器件，其中所述至少一个电容器的所述上电极上形成有绝缘膜，以覆盖该上电极的外周，并且未覆盖有该绝缘膜的部分通过所述线路与所述电感器相连接。
12、根据权利要求1所述的电子器件，其中所述电子器件在2GHz或更低的频率下使用。
13、根据权利要求1所述的电子器件，其中：
所述外部连接焊盘单元包括下电极和上电极；
所述电感器包括下电极和上电极；
所述外部连接焊盘单元的下电极由与所述电感器的下电极相同类型的导体制成；并且
所述外部连接焊盘单元的上电极由与所述电感器的上电极和所述线路相同类型的导体制成。
14、一种制造电子器件的方法，包括以下步骤：
在绝缘基板上直接形成电容器和电感器，该电容器包括下电极和上电极；以及
通过电镀处理同时形成焊盘和用于连接所述电容器的上电极和所述电感器的线路，以使所述线路连接到所述电容器的上电极的顶面。
15、根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：
形成绝缘膜，以覆盖所述电容器和所述电感器；以及
在所述绝缘膜上形成图案，以连接所述焊盘和所述线路。
16、根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：
形成绝缘膜，以覆盖所述电容器和所述电感器；
在所述绝缘膜上形成图案，以连接所述焊盘和所述线路；
去除所述绝缘膜；以及
使用另一绝缘膜覆盖所述电容器、所述电感器，以及所述线路。
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