CN104661432B - 电子元件嵌入式印刷电路板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子元件嵌入式印刷电路板。本发明的电子元件嵌入式印刷电路板包括：具有腔的芯；插入腔中的电子元件；绝缘层，层压在芯的顶部和底部上并且混合有偶联剂以接合至电子元件的外周表面，该偶联剂具有分别对有机材料和无机材料起作用的官能团；以及电路图案，设置在绝缘层上。

Description

电子元件嵌入式印刷电路板

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年11月21日提交的韩国专利申请第10-2013-0142245号的外国优先权权益，通过引用将其全部内容结合于本申请中。

技术领域

本发明涉及电子元件嵌入式印刷电路板(electronic component embeddedprinted circuit board)及其制造方法。

背景技术

由于基板的尺寸有限，并且电子设备的多个功能需要包括移动电话的IT电子设备的微型化和薄型化，故需要在基板的有限的面积中安装用于实现更多功能的电子元件。

然而，由于基板的尺寸有限，因为不能确保电子元件足够的安装面积，存在着在基板中插入类似诸如IC和半导体芯片的有源器件和无源器件的电子元件的技术的需求。最近，通过堆叠有源器件和无源器件而将它们嵌入相同层中的技术或者将它们嵌入基板中的技术已发展起来。

典型地，用于制造电子元件嵌入式印刷电路板的方法在基板的芯中形成腔并且将诸如各种器件、IC和半导体芯片的电子元件插入腔中。之后，在腔的内部和其中插入电子元件的芯上施加诸如预浸料(prepreg)的树脂材料以形成绝缘层以及固定电子元件，在绝缘层中形成过孔(via hole)或通孔(through hole)并且通过电镀形成电路以允许电子元件与基板的外部导电。

这时，通过电镀在过孔或通孔内部和上面形成电路图案以被用作与嵌入于基板中的电子元件的电连接设备，并且可通过在基板的上表面和下表面上依次层压绝缘层来制造其中嵌入了电子元件的多层印制电路板。

在像这样的传统的电子元件嵌入式印刷电路板中，因为在每个制造过程中重复焊接和回流处理，故高温热量被施加于层压体，并且每当以高温加热层压体时，会出现基板的翘曲(warpage)。这时，因为嵌入基板中的电子元件是由具有与接合至其外部的绝缘层不同的热膨胀系数(CTE)的材料制成，由于在每一次加热过程中基板的重复翘曲，应力被集中于与绝缘层的接合界面上，并且随着过程继续进行，由于热冲击接合界面出现分层或掀起。

[相关技术文献]

[专利文献]

专利文献1：韩国专利公开第2012-0071938号

发明内容

为了克服上述问题而发明了本发明，并且因此，本发明的目的是提供一种能够改善嵌入印刷电路板中的电子元件与覆盖在电子元件上的绝缘层之间的机械特性和可靠性的电子元件嵌入式印刷电路板。

根据用于实现该目的的本发明的一个方面，提供了一种电子元件嵌入式印刷电路板，包括：具有腔的芯；插入腔中的电子元件；绝缘层，层压在芯的顶部和底部上并且与偶联剂(coupling agent)混合以接合至电子元件的外周表面，该偶联剂具有分别对有机材料和无机材料起作用的官能团；以及电路图案，设置在绝缘层上。

电子元件可以是MLCC，该MLCC包括设置在两侧上的外部电极和设置在外部电极之间的主体。

混合在绝缘层中的偶联剂可由至少两个官能团组成并且由以下化学式表示。

化学式

(XO)_n-Ti-(OY)_4-n

这里，X是烷基，Y是有机官能团并且n是包括1、2、3的自然数。

有机钛酸酯(organotitanates)可以是单烷氧基的(monoalkoxy)、螯合物(chelate)、配位物(coordinate)、季盐(quat salt)、新烷氧基的(neoalkoxy)、杂环(cycloheteroatom，环杂原子)中的一个。

绝缘层可以用包含无机填料的热固性树脂组合物制成并且可以用包含基于混合在热固性树脂组合物中的无机填料的重量的0.1wt％至3.0wt％的有机钛酸酯的预浸料(PPG)制成。

过孔可以进一步被包括在绝缘层的内部以电连接电路图案和外部电极，并且预定图案的电路层可以形成在芯的上表面和下表面上以通过通孔电连接

绝缘层可以被填充在腔与电子元件之间的空间中以包围电子元件的整个外周表面。

附图说明

通过下述结合附图对实施方式的描述，本发明的总体发明构思的这些和/或其他方面以及优点将变得显而易见并且更容易理解，在附图中：

图1是根据本发明的实施方式的电子元件嵌入式印刷电路板的截面图；

图2A至图2E是制造根据本发明的实施方式的电子元件嵌入式印刷电路板的处理的过程图；

图3是用于评估电子元件与施加于根据本发明的电子元件嵌入式印刷电路板的绝缘层(预浸料)之间的粘附力的设备的示意图；

图4是根据本发明的电子元件嵌入式印刷电路板的弯曲测试的示意图；以及

图5是电子元件和绝缘层未被分层的正常产品与电子元件和绝缘层被分层的有缺陷的产品的比较图片。

具体实施方式

通过以下参考示出本发明的优选实施方式的附图的详细描述，将清晰地理解有关包括用于根据本发明的电子元件嵌入式印刷电路板及其制造方法的目的的技术构造的操作效果的实质。

电子元件嵌入式印刷电路板

首先，图1是根据本发明的电子元件嵌入式印刷电路板的截面图。

如图所示，在根据本发明的电子元件嵌入式印刷电路板100中，电子元件200可嵌入在具有腔111的芯110中，并且绝缘层120可以被层压在芯110的顶部和底部上。绝缘层120可由包含有机钛酸酯的热固性树脂组合物制成。

在电子元件嵌入式印刷电路板100中，虽然示出了嵌入在芯110中的电子元件200被嵌入在一个位置中，但不限于此。电子元件200可以以规则的间隔嵌入在每个单元的印刷电路板中，并且可根据嵌入的电子元件的类型嵌入一个或多个电子元件200。

腔111可以以通孔的形状形成在芯110中，其被定位在电子元件嵌入式印刷电路板100的中心，并且可通过利用CNC的激光处理或钻孔来形成腔111。这时，优选地将腔111形成为具有等于或大于插入其中的电子元件200的宽度的宽度。

此外，电路层112可以以预定图案分别形成在芯110的上表面和下表面上，并且相应的电路层112可通过穿过芯110的过孔或通孔113电连接。

同时，电子元件200被插入芯110的腔111中。除了诸如MLCC或LTCC的无源器件以外，电子元件200可以是诸如IC、半导体芯片或CPU的有源器件。这时，优选地是电子元件的高度等于芯的高度。

这里，当通过采用在附图中示出的MLCC的情况描述电子元件200时，内部电极可以形成在主体201中，正极和负极外部电极202可以形成在主体201的两侧上，并且两侧上的外部电极202可分别物理地且电连接至外部电路。

绝缘层120可分别层压在具有其中嵌入了电子元件200的芯110的顶部和底部上。可通过层压绝缘材料(即，诸如预浸料(PPG)的绝缘树脂材料)并对该绝缘材料进行固化来形成绝缘层120。这时，绝缘层120可被压制在电子元件200的顶部和底部上以与电子元件200的外周表面直接接触，并且绝缘层120可通过接合至电子元件200的外周表面而相互耦接。

此外，绝缘层120可由包含诸如二氧化硅的无机填料的热固性树脂组合物制成。这时，有机钛酸酯可被添加至绝缘层。可以以基于被包括在绝缘层120中的无机填料的重量的0.1wt％至3.0wt％的量混合有机钛酸酯。在施加绝缘层120之前，在制造预浸料时，通过搅拌可将有机钛酸酯与无机填料均匀地混合在一起。

作为用于提高无机材料与有机材料之间的粘附力的偶联剂的有机钛酸酯是用于提高各种类型的粉末与组成绝缘层的树脂之间的粘附力的材料。

此外，有机钛酸酯通过两个官能团，即，与有机材料结合的官能团-OY，和与无机材料结合的官能团XO-，由以下化学式提高无机材料与有机材料之间的粘附力。

[化学式]

(XO)_n-Ti-(OY)_4-n

这里，X是烷基，Y是有机官能团并且n是包括1、2、3的自然数。

同时，通常，烷基可以是正丙基、异丙基、正丁基、异辛基乙基等，并且有机官能团可以是羧基、酯、磷酰氧基(phosphato，磷酸根)、焦磷酰氧基(pyrophosphato，焦磷酸根)、磺酰氧基(sulfonato，磺酸根)等。另外，可以使用用于与极性或非极性热塑性聚合物和热固性聚合物结合的各种类型的官能团。

这样，尽管在印刷电路板的制造过程期间绝缘层反复翘曲并且向绝缘层施加热冲击，通过由在绝缘层120中混合的有机钛酸酯的官能团的偶联加强了电子元件200与绝缘层120的接合界面上的相互的粘附力，故可以防止绝缘层与电子元件200的表面分离。

这时，通常，作为混合在绝缘层120中的偶联剂的有机钛酸酯可以是单烷氧基的、螯合物、配位物、季盐、新烷氧基的、杂环等。

当以低于基于绝缘层中无机填料的重量的0.1wt％的量在绝缘层120中混合有机钛酸酯时，在电子元件200与绝缘层120的接合界面上不能获得足够的粘合强度，并且当超过3.0wt％时，增大电子元件200和绝缘层120的接合界面上的粘附力的效果会下降。这时，当以大于3.0wt％的量包括有机钛酸酯时，由于绝缘层中有机钛酸酯的聚集，与电子元件200的粘附力会减小并且可能难以移除通过与组成MLCC的陶瓷元件的反应生成的酒精副产品，MLCC是应用于本实施方式的电子元件200。

绝缘层120可以形成为层压在包括电子元件200的芯110的顶部和底部上，并且当压制以包围电子元件200的整个外周表面时被部分地引入电子元件200与芯110之间的界面中。

多个过孔121可形成在绝缘层120中。类似于在芯110中形成腔111，可通过利用CNC进行激光处理或钻孔来形成过孔121。在形成过孔121之后，可通过在包括过孔的绝缘层120的上表面上形成电镀层并且对电镀层进行蚀刻来形成电连接至电子元件200的电路图案130。

像这样配置的电子元件嵌入式印刷电路板100能够通过混合于绝缘层120中的有机钛酸酯的偶联作用来改善嵌入芯110中的电子元件200的表面与层压在芯110的顶部和底部上的绝缘层120之间的接合界面上的粘附性能。

用于制造电子元件嵌入式印刷电路板的方法的实施方式

将参考以下附图描述制造如上述配置的本发明的电子元件嵌入式印刷电路板的方法。

首先，图2A至图2E是示出制造根据本发明实施方式的电子元件嵌入式印刷电路板的处理的过程图。

首先，如图2A中所示，腔111以通孔的形状形成于由绝缘材料制成的芯110中。可通过激光处理或钻孔形成腔111。腔111形成具有预定尺寸并且可形成具有等于或大于插入其中的电子元件200的宽度的宽度。

此外，载体C可附接至芯110的下表面。载体C是当电子元件200被插入形成为通孔的腔111中时的用于固定电子元件200的位置的构件，该载体C防止电子元件200从腔111分离并且通过在其上表面上施加的粘合构件而临时固定电子元件200。

接下来，如图2B中所示，电子元件200被插入在待放置于载体C上的芯110的腔111中。优选地，电子元件200是具有与芯110的厚度相同高度的电子元件。当电子元件200的高度高于芯110的厚度时，需要增大芯110的厚度以构造相同的高度。

如图2C和图2D中所示，在将电子元件200插入芯110的腔111中后，上绝缘层120a和下绝缘层120b可分别层压在芯110的顶部和底部上。首先，上绝缘层120a可层压在芯110的顶部上。可通过层压绝缘材料形成上绝缘层120a并且通过加热和压制绝缘材料来固化上绝缘层120a。这时，当加热并压制时可将绝缘材料部分地引入芯110的腔111与电子元件200之间的空间中，并且固化以固定电子元件200。除此之外，在形成上绝缘层120a之前，在电子元件200与腔111的侧壁之间注入分离的粘合剂以固定电子元件200。

并且，当完成了上绝缘层120a的层压时，移除附接至芯110的下表面的载体C。此后，如在图2D中，将芯110翻转，并且以与上绝缘层120a相同的方式将下绝缘层120b层压在形成上绝缘层120a的芯110的相对的表面上，并且通过加热和压制进行固化以完成如图2D中所示的绝缘层120a和120b的形成。

同时，在层压上绝缘层120a和下绝缘层120b之前，上绝缘层120a和下绝缘层120b可由包含预定量的诸如二氧化硅和有机钛酸酯的无机填料的预浸料(PPG)材料制成。

出于此，在将上绝缘层120a和下绝缘层120b层压在芯110上之前，可以通过混合无机填料和以基于在热固性树脂组合物的无机填料的重量的0.1wt％至3.0wt％的有机钛酸酯并且搅拌混合物来制备预浸料。这里，包含有机钛酸酯的预浸料可通过官能团-OY和-XO在其是有机材料的绝缘层的陶瓷材料和其是无机材料的电子组件上的相应作用而被用作改善有机材料与无机材料之间的粘附力的偶联剂。

最终，如图2E中所示，过孔121形成在上绝缘层120a和下绝缘层120b中，电镀层形成在过孔121的内部和绝缘层120a和120b上，并且通过对电镀层进行蚀刻形成电路图案130以完成电子元件嵌入式印刷电路板的制造。

电子元件嵌入式印刷电路板的电子元件的接合强度的评估

通过标准规范测试通过上述制造过程的如图1中制造的电子元件嵌入式印刷电路板的电子元件的接合可靠性。观察测试的结果，可以理解的是与当通过在绝缘层中没有包括有机钛酸酯来制造印刷电路板时相比，在通过在绝缘层中包括有机钛酸酯制造印刷电路板增强了绝缘层与电子元件之间的粘附力。

电子元件与绝缘层之间的粘附力的评估

首先，在被用作粘附于嵌入在根据本发明的电子元件嵌入式印刷电路板中的电子元件200的绝缘层120的代表性材料的预浸料(PPG)与MLCC(电子元件)接合并且该预浸料被固化以将绝缘层与MLCC紧密耦接之后，根据JESD 22-B 117的标准规范通过施加剪切应力(shear stress)执行评估。

这时，组成绝缘层120的预浸料(PPG)可具有其中无机填料被混合在诸如环氧树脂的热固性树脂中并且将有机钛酸酯以基于混合的无机填料的重量的0.1wt％至3.0wt％的量均匀混合的组合物。

通过根据上述规范的如图3中的评估设备，评估处于其中MLCC被接合在不包含有机钛酸酯的预浸料上的状态中的剪切强度(通过向一侧施加剪切应力使接合部分分离时的力)为平均1293kgf，并且处于其中MLCC接合在包含有机钛酸酯的预浸料上的状态中的剪切强度提高了约44％，为平均1860kgf。

这时，图3是示出根据JESD 22-B 117的标准规范用于评估剪切应力的评估设备的示意图。

嵌入在印刷电路板中的电子元件的接合可靠性的评估

在通过本发明的制造方法制造的电子元件嵌入式印刷电路板中，当完成了印刷电路板的制造时，如图4中所示，根据JESD 22-B 113的标准规范通过弯曲测试对嵌入在基板和绝缘层中的电子元件的接合可靠性进行评估。通过商业弯曲评估测试器向四个点施加压力来执行印刷电路板的弯曲测试，按压至2mm的深度以产生翘曲，并且一旦以1Hz的频率每秒重复弯曲20000次，并且对结果进行评估。

因为通过上述规范所评估的结果，通过由包含有机钛酸酯的绝缘层120构成的印刷电路板和由不包含有机钛酸酯的绝缘层构成的印刷电路板中的超声显微镜来检查电子元件200与绝缘层120的分层(delamination)。图5示出了在电子元件嵌入式印刷电路板的弯曲测试之后，电子元件与绝缘层未分层的正常的产品和电子元件与绝缘层分层的有缺陷的产品的比较图片。当电子元件与绝缘层分层时，将电子元件的分层位置标记为如位于右边的图片的黑色。因此，通过印刷电路板的截面分析来检查电子元件与绝缘层之间实际出现的分层。

此外，如表1中所示，当观察其中有机钛酸酯被施加于绝缘层的印刷电路板以及其中有机钛酸酯未被包括在绝缘层中的印刷电路板的弯曲测试的结果时，检查与通过在绝缘层中未包括有机钛酸酯而制造印刷电路板的情况相比，在通过绝缘层中包括有机钛酸酯来制造印刷电路板的实施方式中极大地提高了接合可靠性。当有机钛酸酯以基于之前混合的无机填充物的重量的0.1wt％至3.0wt％的量被包括在绝缘层中时，可检查出接合可靠性有所改善。

[表1]

如上所述，根据本发明的电子元件嵌入式印刷电路板通过将有机钛酸酯偶联剂混合在包围嵌入芯中的电子元件的绝缘层中，可改善层压在芯的顶部和底部上以及电子元件的表面的绝缘层的接合和粘附性能，并且能够通过改善绝缘层与电子元件的耦接性能以防止绝缘层从电子元件分层及掀起来防止基板缺陷并且改善印刷电路板产品的产率。

尽管出于示例性目的已公开了本发明的优选实施方式，本领域技术人员将理解的是，在不脱离如所附权利要求公开的本发明的范围和精神的条件下，各种替代、修改以及变形都是可能的。由此，这样的替代和修改旨在落在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种电子元件嵌入式印刷电路板，包括：

具有腔的芯；

电子元件，插入在所述腔中；

绝缘层，层压在所述芯的顶部和底部上并且混合有偶联剂以接合至所述电子元件的外周表面，所述偶联剂具有分别对有机材料和无机材料起作用的官能团；以及

电路图案，设置在所述绝缘层上，

其中，混合在所述绝缘层中的所述偶联剂是由至少两个官能团组成并由(XO)_n-Ti-(OY)_4-n化学式表示的有机钛酸酯，

其中，X是烷基，Y是有机官能团，n是包括1、2、3的自然数，

其中，以基于被包括在所述绝缘层中的无机填料的重量的0.1wt％至3.0wt％的量混合所述有机钛酸酯。

2.根据权利要求1所述的电子元件嵌入式印刷电路板，其中，所述电子元件是MLCC，所述MLCC包括设置在两侧上的外部电极和设置在所述外部电极之间的主体。

3.根据权利要求1所述的电子元件嵌入式印刷电路板，其中，所述烷基是正丙基、异丙基、正丁基和异辛基乙基中的一个。

4.根据权利要求1所述的电子元件嵌入式印刷电路板，其中，所述有机官能团是羧基、酯、磷酰氧基、焦磷酰氧基和磺酰氧基中的一个。

5.根据权利要求1所述的电子元件嵌入式印刷电路板，其中，所述有机钛酸酯是单烷氧基的、螯合物、配位物、季盐、新烷氧基的和杂环中的一个。

6.根据权利要求1所述的电子元件嵌入式印刷电路板，其中，所述绝缘层是用包含无机填料的热固性树脂组合物制成并且用包含基于混合在所述热固性树脂组合物中的所述无机填料的重量的0.1wt％至3.0wt％的有机钛酸酯的预浸料(PPG)制成。

7.根据权利要求1所述的电子元件嵌入式印刷电路板，进一步包括：

过孔，形成在所述绝缘层的内部以电连接所述电路图案和外部电极。

8.根据权利要求1所述的电子元件嵌入式印刷电路板，其中，所述绝缘层被填充在所述腔与所述电子元件之间的空间中以包围所述电子元件的整个外周表面。

9.根据权利要求2所述的电子元件嵌入式印刷电路板，其中，预定图案的电路层形成在所述芯的上表面和下表面上以通过通孔电连接。