CN105957712B - 用于多电压的分裂式薄膜电容器 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成分裂式薄膜电容器的设备和方法,可以用在空间受限的应用中,以及在电耗装置和电源之间需要非常紧密的电连接的应用中,分裂式薄膜电容器用于向诸如集成电路之类的电器件提供多个功率和参考电源电压电平。空间受限的应用和紧密耦合应用的实例都可以是诸如微处理器之类的集成电路(IC)。向微处理器提供并调节功率的电容器需要紧密耦合,以便响应可能在高时钟率的微处理器中出现的瞬时功率需求,并且微处理器封装中的空间非常受限。微处理器可以对微处理器的快速核心逻辑部中的最小尺寸快速晶体管使用低压电源电平,并对微处理器的高速缓存部件和I/O晶体管部件使用高于正常的电压电源电压电平。因而可以需要用具有多功率和参考电压电平的紧凑电容器来提供高频IC所需的功率。

Description

用于多电压的分裂式薄膜电容器
技术领域
[0001] 在此描述的各种实施例涉及电容器设计,通常包括和诸如集成电路之类的电子器 件一起使用的薄膜电容器。
背景技术
[0002] 许多电子器件具有不是总能由电源适当地供给的局部瞬时电流需求,导致局部电 压电平移动和可能错误的信号传播。在电气和电子器件的局部功率滤波应用中使用电容器 是已知的。然而,当电子器件中的时钟周期率随着器件变小而持续增加时,特别是在诸如微 处理器和存储器之类的集成电路器件中,则紧密耦合的电容器的需求增加。另外,随着电子 器件变小,需要在该器件的某些部分减少操作电压,以把电场保持在器件可靠性降低的临 界电平之下。在器件的临界可靠性部分中减少操作电压的同时保持电子器件性能的一种方 法是用具有不同电源电压电平的两个电源进行操作。例如,集成电路(即,1C)的内部逻辑部 分可以使用最小尺寸的晶体管,以便获得最快的可能操作速度,并且因而可能需要低压电 源,而1C外围处的输入和输出(S卩,I/O)驱动器可以使用较大且更大功率的晶体管,这种晶 体管需要高压电源,并且在不降低可靠性的情况下可以经受的电压电平比小逻辑晶体管可 以容许的要高。作为刚刚讨论的两个电源电压情形的结果,可能存在对与同一集成电路芯 片相关联的两个不同的紧密耦合电容器的需求。使用具有不同电源电平的两个不同的电容 器可能发生例如在IC封装中的电子器件的空间问题,因而存在对于具有多电压电平能力的 单个电容器的需求。也有对具有两个独立的电源以隔离噪声的电容器的需求。
附图说明
[0003] 图1是本发明示意性实施例的侧视图;
[0004] 图2是本发明另一示意性实施例的俯视图和侧视图;
[0005] 图3是本发明其他示意性实施例的俯视图和侧视图;
[0006] 图4是使用本发明实施例的部件的侧视图;
[0007] 图5是使用本发明实施例的系统的框图。
具体实施方式
[0008]在下面的详细描述中,参考构成详细描述的一部分的附图,在附图中经由对本发 明原理的说明,示出了本发明可被最佳实施的手段的具体实施例。在附图中,在实施例的全 部各种视图中相同的数字基本上描述相似的组件。对这些实施例进行足够详细的描述以使 得本领域技术人员能够实施本发明。可以使用这种公开的原理的其他实施例,并且在不脱 离本发明精神和原理的情况下可以对在此公开的实施例进行各种结构和材料上的改变。 [0009]如在此用于介电常数(即,高k和低k)的术语“高”和“低”是涉及以下材料的相对术 语,这些材料具有相对于诸如二氧化硅和氮化硅之类的的标准介电材料的介电常数。当术 语“高”和“低”在此用于电压时,它们涉及电源电压值中的相对值,并且术语“接地,,涉及参 考电压电源。咼电压的值将依赖于可以实施这些实施例的电气系统中的各种因素而变 化,诸如在电气系统中发现的集成电路的工艺和尺寸,以及其他这样的区别。例如,当1(:变 小时,它们变得对MOSFET的栅氧化层和双极结晶体管的结击穿的高电压降低更灵敏,并且 经常降低操作电压以增加器件寿命。
[0010]参考图1,示出了薄膜电容器的内部结构的侧视图,其具有通常由标准或低值介电 材料(即,低k)制成的衬底100,并具有顶面上的第二介电层102,该第二介电层1〇2通常由低 k材料制成,以减少以诸如从顶面到底面的直线方向之类的各种方向穿过衬底的许多电通 路和多个信号线中的信号串扰,连接器件不同部分的侧面导线利用顶面、内表面以及底面, 并产生到其他电器件和印刷电路板(S卩,PCB)的外部电触点。在这个示意性实施例中在横截 面上示出了形成薄膜电容器(即,TFC)的顶板并把顶板连接到衬底1〇〇的背面的许多电线和 通路104。还示出了形成埋藏在第二介电层102中的TFC的底板并把底板连接到衬底100的背 面的许多电线和通路106。用高介电值(g卩,高k)的介电材料108来隔离两个电容器板104和 106,以形成高值电容器。任一高k材料可被用作层108。高k材料的示意性实例包括钛酸锶 钡、钛酸钡、或钛酸锶,如果介电材料108是带状铸造陶瓷,这是非常有用的。对于本领域技 术人员来说众多其他的高k介电材料都是公知的,并且可以根据用在特定应用中的材料和 工艺的需要而被用在本实施例的实施中。
[0011]图1中示出的示意性实施例可以被清楚地延伸到包括诸如110的垂直电导线,以把 顶面部分连接到在顶面或底面上使用接触点的外部电子器件,并且把衬底100上的一位置 上的部分TFC连接到其他位置。例如,通过本领域技术人员所公知的方法,通过利用底部、顶 部的或埋藏在衬底100中的水平电导体,所有上面的电容器电极板部分104可以连接在一 起,以形成一个大电容器。然后结合的顶板电极线可以连接到垂直导体110,并且因而经由 顶面或底面上的接触点连接到外部电源。替换地,结合的顶板电极线可以通过位于衬底100 的底面上的连接焊点连接到外部电子器件,而不需要垂直连接器110。按照类似的方式,通 过上述那些类似的装置,埋藏的底部电容器板106可以被连接在一起,以形成一个大电容 器,并通过顶面或底面上的连接被连接到诸如1C或电源的外部电子器件。
[0012]图1中示出的示意性实施例可以被延伸到包括这样的布置,其中还可以在底面上 形成在衬底的顶面上所示出的结构,以在附着了电容器的电子器件的全部使用面积的相同 大小中提供具有基本上两倍的面积和容量的电容器。还应当理解,垂直电导体110不限于示 出的围绕在电容器外围的单行,而可以具有多行的垂直连接器和接触点,并可以形成连接 器的区域阵列(area array),以减少输出和输入的电流的电阻和电感。因而,在图1中示出 的示意性实施例中,借助于包括的诸如垂直连接器110之类的电导体,上面的电容器板104 中的每一个可以连接到不同的电压电源,同时下面的电容器板106可以都连接到参考电压, 以提供可以被叫做地电压的参考电压。替换地,因诸如接地跳动隔离之类的种种原因,下面 的电容器板106可以与上面的电容器板104相隔离地连接到单独的参考电压电源。通过这种 布置,可以给诸如1C之类的电路提供两个不同的电源电压,这在诸如向1C的内部最小尺寸 的晶体管逻辑部件提供的低电压电平,同时向同一1C的存储器高速缓存或输入/输出(即, I/O)部件提供高电压电平时是很有用的。
[0013] 在图2中,在该图的上部示出了薄膜电容器(S卩,TFC)的俯视图,薄膜电容器具有被 示意性分为两个独立部分的上面的电容器板。在这个示意性实例中,电容器的左侧202被选 择为提供操作电压电平给紧密耦合的电子器件的存储器高速缓存部件,该电子器件诸如是 直接安装在TFC的顶部的1C。示意性TFC的右侧204被选择为提供不同的操作电压电平给1C 的电压敏感的逻辑核心。替换地,由于同步转换问题或其他设计原因,两侧202和204可以单 独地提供需要相互电隔离的内部1C信号。
[0014] 在图2下面的详细侧视图中,示出了上面的电容器板间隔周围的区域。在这个示意 性实例中,上面的电容器板被示为仅被分成两部分,并且下面的电容器板208被示为电导体 的单片。在此描述的实施例明显不是被限定为上面参考图1的示意性实例讨论的那样,其中 下面的电容器板被分开。电容器被形成在衬底210上并且用高k介电材料206覆盖下面的电 容器板208,为了简单起见,在这个示意性实例中把高k介电材料206示为连续的。高k介电材 料206的选择将依赖于使用该实施例的具体应用。例如,在低温共同点火(co-fired)陶瓷领 域中高k介电材料可以被选为钛酸锶钡或其他类似的材料。为了简单起见,高k介电材料206 被示为连续的单层,但是实施例不被这样限制,并且当对于实施的具体应用来说最有用的 时候,高k介电层也可以被分解为多个独立的部分。
[0015]在图3中示出了具有俯视图的示意性实施例,该俯视图具有被选择向1C的最小尺 寸晶体管核心逻辑区提供较低电源电压电平的区域302,以及被选择向同一 1C的存储器高 速缓存区提供较高、或较低、或者不同的电源电压电平的区域304。在展开的顶视图中看到, 借助于上面的电容器板导体的交替条纹,例如与条纹308相比具有到不同外部电源的连接 的条纹306,在这个示意性实施例中对区域302进行布置,以向1C的核心区的不同区域提供 两个不同的较低电源电压值。因为信号隔离问题,不同的电源可以具有相同的电压电平并 且彼此独立,或者依据应用的具体需求,不同的电源可以响应各个区域晶体管的操作差别 来提供不同的电压电平。电源的相同隔离也可以出现在为1C的高速缓存部件使用所选择的 区域304中。例如,高压电源电平区304可以对高速缓存部件和I/O部件使用两个不同的电源 电压电平。在已知为BiCMOS工艺的情况下的I/O部件、或者其他I/O类型的器件,可以使用双 极结晶体管作为输出器件,并且因而可能需要不同于高速缓存M0S晶体管的电源电平。
[0016] 如在示意性实施例的侧视图中可以看到的,上面的电容器板302的隔离导体条纹 306和308,位于为了简单起见在图3中被不为连续层的高k介电层310上。该实施例不应被限 制为上面示出的情况。在这个示意性实施例中形成下面的电容器板312的底部导体被示为 分离成单独的导体条纹,每一条与上面的电容器板3〇2的导体条纹相关联,但是在多种具体 应用中附加了参考电压电源(例如,地)的不间断的下面的电容器板可以是优选的方法。下 面的电容器板导体312被形成在衬底314上,如同先前连同图1和2的描述所公开的,衬底314 也可以具有位于衬底314的底部上的通孔导体、内部水平导体、和/或另一电容器结构,就像 刚刚描述过的那样。
[0017] 通过这种布置,可以给1C的高速缓存区提供高电源电压电平电容器304,同时使用 低电源电压电容器区302的部分3〇6和3〇8向内部核心逻辑区的部分提供两个不同的低压电 源电平。借助于改变条纹3〇6对条纹3〇8的相对尺寸,可以很容易地把向较低部分3〇2的不同 部分提供的电容总量调整到具体应用的需求。
[0018] 在图3底部的侧视图中示出了控制向1C的低压电源区302或高压电源区304的不同 部分提供的电容总量的替换方法,其中示出了具有两个不同高k介电层310和311的示意性 实施例。仍可以通过如前所述改变导体条纹306和308的相对面积来控制向1C的不同部分提 供的电容总量,但是通过这种示意性布置,也可以改变两个高k介电层的厚度,如图所示,其 中层311被示为比另一高k介电层310薄,或者对于两个层来说用作高k介电的材料可以不 同,或者可以使用两种方法的组合来适合于实施该实施例的具体应用。
[0019]除已经讨论过的特征之外,在图3中示出的示意性实施例的堆叠的电容器布置、衬 底314可以具有如前面已讨论过的关于图1和2和关于并排条纹实施例所讨论的垂直通孔连 接器、内部导体以及两侧的顶部和底部形成的电容器结构。
[0020]在图仲,示出了以直接安装1C的方式使用的TFC的示意性实施例。TFC电容器402 被示为具有有机衬底404并具有顶部形成的电容器406和底部形成的电容器408,有机衬底 404可以是多层印刷电路板。电容器也可以被嵌入在衬底中。顶部和底部电容器可以以各种 方式进行连接,例如它们可以相互之间完全隔离并适合安装的1C 412的不同部分,或者它 们可以相互连接以基本上使可用电容量加倍,或者按照应用了 TFC的特定应用所需要的任 意连接组合。
[0021] TFC电容器4〇2的底面具有可能连接外部触点的多个连接焊点。例如,示意性实施 例示出了用于连接通孔印刷电路板的引脚410的区域阵列。可替换的连接可以包括用于表 面安装应用的鸥翼导线、球形栅格阵列、或者诸如在图中所示的全栅格插口(g卩,FGS)之类 的接插件引脚。
[0022]在这个示意性实施例中TFC电容器402的顶面具有连接焊点的面阵,连接焊点被布 置为使用焊球阵列414来容纳并焊接封装好的1C 412。替换连接方法可以包括使用电镀焊 锡或金焊盘的未封装硅芯片的倒装法安装、或者具有附着的散热片的陶瓷引线的1C封装的 表面安装。
[0023]通过这种布置,1C 412具有从TFC电容器402的各个部分到任意期望数量的不同功 率或参考电源电压源的短电连接。TFC电容器402也可以有利地被用来使用电连接引脚410 提供把IC 412附着于电子器件上的装置。这种布置可以具有这样的好处,由于全速1C测试 所需的电容量的适当放置,在装配在完整的电子器件中之前允许1C 412的更完整测试。 [0024]图5是依据各种实施例的产品502的框图,这些诸如是通信网络、计算机、存储器系 统、磁盘或光盘、某些其他信息存储器件、和/或任意类型的电子器件或系统。产品502可以 包括耦合到诸如存储相关信息(例如,计算机程序指令508、和/或其他数据)的存储器506的 机器可访问介质的处理器504、以及通过诸如总线或电缆512的各种装置连接到外部电气器 件或电子器件的输入/输出驱动器510,当被访问时,使机器执行诸如计算数学问题的答案 之类的动作。产品5〇2的各个元件,例如处理器504,可以具有受益于使用本实施例以使用紧 密耦合电容器来减轻和缓和电流变化的瞬时电流问题。作为示意性实例,处理器504可以被 有利地封装在直接位于TFC顶部的陶瓷封装中,如之前在图4中讨论和示出的。本实施例可 以被应用到处理器504的产品502的任意组件部分。
[0025]作为另一示意性实例,产品502可以是诸如经由总线电缆512附着于其他网络元件 (未明示)上的通信网络元件的系统。通信网络可以包括由诸如图中所示的电缆512之类的 总线互连的多个耦合网络元件。网络元件可以包括代替或者与有线电缆512—起使用的偶 极天线、单向天线、或者其他形式的无线互联能力。在示意性通信网络中出现的各种元件 中,可以有受益于使用上述TFC的示意性实施例的电子电路。可以受益于描述的紧密耦合 TFC的通信网络中的电子电路可以包括局部微处理器5〇4、以及诸如在图中示出沿着电缆 512发送信号的输入/输出驱动器510之类的外部线路驱动器。依赖于具体应用或系统的使 用,本实施例对所示系统的任意单独的组件来说是有利的。
[0026]作为另一示意性实例,替换地,产品502可以是计算机系统,具有包括诸如微处理 器之类的计算元件5〇4、存储程序代码508的存储器元件506、通信元件和输入/输出驱动元 件510的多个元件,并且可以经由总线或电缆512或者通过无线连接(未示出)连接到其他计 算机系统。这些元件中的一个或多个可以受益于使用上述的TFC,特别是I/O驱动器510、和/ 或计算元件504,它们两个都可能具有紧密耦合TFC可以改进的瞬时电流问题。依赖于这种 用途,本实施例对于系统中任意的独立组件均是有利的。在使用电容器的多个其他实例中, 本实施例对于用在每一所述元件中的多于一个,或者任意数量的所述电容器也是有用的, 所述元件也包括诸如电荷栗、滤波器、射频应用、以及差分AC耦合器之类的元件。
[0027] 形成详细描述一部分的附图借助于说明而非限制示出了实施了公开的主题的具 体实施例。说明的实施例以足够详细的方式进行了描述,以使得本领域技术人员能够实施 在此公开的教导。从中也可以利用或获得其他实施例,使得在不脱离公开的精神的情况下, 可以进行结构和逻辑替代以及变化。因此,这种详细的描述不被理解为限制意义,而是享有 仅用附加权利要求和所有等价物所限定的各种实施例的精神的权利。
[0028] 仅为了方便起见,这些创造性主题的实施例在此可以单独地或者共同地被称为术 语“发明”,并且如果实际上公开了多于一个主题,则不想要随意地把这种应用的精神限制 到任一单个发明或发明的概念。因而,尽管已在此说明和描述了具体实施例,但是应当理 解,进行计算以达到相同目的的任意装置可以代替示出的特定实施例。这种公开想要覆盖 各种实施例的任意和所有修改或变化。在此没有逐一描述的上述实施例的组合、以及其他 实施例,对于本领域技术人员来说一看过上面的描述就能显而易见。
[0029]遵照37 C.F.R. §1.72(b),需要能允许读者快速确定技术公开的性质的摘要,提 供公开的摘要。按照这种理解提交摘要不是用来解释或者限制权利要求的含义的精神。另 夕卜,在前面的详细描述中,为了公开的流畅性和增强其清楚性的目的,可以看到各种特征被 集中在单个实施例中。公开的这种方法不被解释为反映下述目的,要求的实施例需要有比 在每一权利要求中明确叙述的更多的特征。相反,按照下面的权利要求反映,发明主题在于 少于单个公开的实施例的所有特征。因而,在此把下面的权利要求引入详细描述中,同时每 一权利要求依赖于其自身作为单独的实施例。

Claims (21)

1. 一种电子设备,包括: 衬底,所述衬底包括顶面、底面、把顶面的选定部分连接到底面的选定部分的多个电通 路、以及被布置为连接至少一个外部电路的多个电连接;以及 至少一个面包括至少两种多个电极,通过至少一个介电层把每种多个电极与其他的多 个电极电隔离,所述多个电极包括第一多个电极、第二多个电极以及第三多个电极,第二多 个电极位于第一多个电极与第三多个电极之间,多个接触孔通过间隙穿过第二多个电极, 其中第一多个电极中的至少一个电极连接到所述多个接触孔中的第一接触孔,以及第三多 个电极中的至少一个电极连接到所述多个接触孔中的第二接触孔。
2. 如权利要求1所述的电子设备,其中,所述多个电极中的至少一个包括至少两个部 分,每一部分连接到不同的电源。
3.如权利要求1所述的电子设备,其中,所述介电层中的至少一个是高介电常数材料, 所述高介电常数材料包括从基本上由钛酸锶钡、钛酸钡、钛酸锶及其混合物组成的组中选 择的一种或更多种材料。
4.如权利要求1所述的电子设备,其中,被布置为连接至少一个外部电路的多个电连接 被分别电连接到集成电路上的多个倒装法安装焊盘中的一个。
5.如权利要求1所述的电子设备,其中,所述电连接包括面阵,所述面阵包括从由引脚、 焊料块、导线及其混合物组成的组中选择的一个或更多个连接器。
6.如权利要求1所述的电子设备,其中,电连接包括具有至少一个同轴导线行的外围阵 列。
7.如权利要求1所述的电子设备,其中,所述衬底基本上由单晶硅、多晶硅、玻璃、单晶 体氧化物、半导体材料、金属箔、带状铸件陶瓷、无机聚合物、有机聚合物及其混合物组成。
8.—种电子系统,包括: 多个耦合元件,其中包括偶极天线和电子电路; 所述电子电路包括衬底,所述衬底包括顶面、底面、把顶面的选定部分连接到底面的选 定部分的多个电通路、以及被布置为连接至少一个外部电路的多个电连接;以及 至少一个面包括至少两种多个电极,通过至少一个介电层把每种多个电极与其他的多 个电极电隔离,所述多个电极包括第一多个电极、第二多个电极以及第三多个电极,第二多 个电极位于第一多个电极与第三多个电极之间,多个接触孔通过间隙穿过第二多个电极, 其中第一多个电极中的至少一个电极连接到所述多个接触孔中的第一接触孔,以及第三多 个电极中的至少一个电极连接到所述多个接触孔中的第二接触孔。
9.如权利要求8所述的电子系统,其中,至少一种多个电极包括至少两个部分,每一部 分连接到不同的电源。
10.如权利要求8所述的电子系统,其中,所述介电层中的至少一个是高介电常数材料, 所述高介电常数材料包括从钛酸锶钡、钛酸钡和钛酸锶中选择的一种或更多种材料。 ’
11.如权利要求8所述的电子系统,其中,被布置为连接至少一个外部电路的多个电连 接被分别电连接到集成电路上的多个倒装法安装焊盘中的一个。
12.如权利要求8所述的电子系统,其中,所述电连接包括面阵,所述面阵包括从由引 脚、焊料块、导线及其混合物组成的组中选择的一个或更多个连接器。
13.如权利要求8所述的电子系统,其中,电连接包括导线的外围阵列。
14. 如权利要求8所述的电子系统,其中,所述衬底包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、玻璃、 掺杂玻璃、单晶体金属氧化物、半导体材料、金属箔、带状铸件陶瓷、无机聚合物、有机聚合 物及其混合物。
15. —种计算机系统,包括: 多个元件,所述多个元件至少包括计算元件、存储器元件、通信元件和输入/输出元件, 这些元件中的至少一个包括衬底,所述衬底包括顶面、底面、把顶面的选定部分连接到底面 的选定部分的多个电通路、以及被布置为连接到至少一个外部电路的多个电连接;以及 至少一个面包括至少两种多个电极,通过至少一个介电层把每种多个电极与其他的多 个电极电隔离,所述多个电极包括第一多个电极、第二多个电极以及第三多个电极,第二多 个电极位于第一多个电极与第三多个电极之间,多个接触孔通过间隙穿过第二多个电极, 其中第一多个电极中的至少一个电极连接到所述多个接触孔中的第一接触孔,以及第三多 个电极中的至少一个电极连接到所述多个接触孔中的第二接触孔。
16.如权利要求15所述的计算机系统,其中,至少一种多个电极包括至少两个部分,每 一部分连接到不同的电源。
17.如权利要求15所述的计算机系统,其中,所述介电层中的至少一个是高介电常数材 料,所述高介电常数材料包括从基本上由钛酸锶钡、钛酸钡、钛酸锶及其混合物组成的组中 选择的一种或更多种材料。 I8•如权利要求15所述的计算机系统,其中,被布置为连接至少一个外部电路的多个电 连接被分别电连接到集成电路上的多个倒装法安装焊盘中的一个。 I9•如权利要求I5所述的计算机系统,其中,所述电连接包括面阵,所述面阵包括从由 引脚、焊料块、导线及其混合物组成的组中选择的一个或更多个连接器。
20.如权利要求15所述的计算机系统,其中,电连接包括具有至少一个同轴导线行的外 围阵列。
21.如权利要求15所述的计算机系统,其中,所述衬底基本上由单晶硅、多晶硅、玻璃、 单晶体氧化物、半导体材料、金属箔、带状铸件陶瓷、无机聚合物、有机聚合物及其混合物组 成。
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