CN1662122A - 具有散热性能的多层电路板及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种具有改善的散热性能的多层电路板。在绝缘层和互连导电层交替堆叠配置的多层电路板结构中，该互连导电层包括顶互连导电层、底互连导电层和内电源导电层，其中该顶互连导电层具有一其上安装电路元件的主表面，该底互连导电层作为底表面层面对着顶互连导电层，该内电源导电层具有预定的厚度且置于该顶互连导电层和底互连导电层之间，该顶互连导电层和底互连导电层之间设有一些绝缘层。为便于散热，该互连导电层可以为多种厚度。可以利用绝缘层或导电层厚度的变化实现散热。与常规电路板相比散热性能得以改善，由此最小化或减小了散热器元件的尺寸，或者省去了散热器的安装。

Description

具有散热性能的多层电路板及其制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2004年2月23日提交的韩国专利申请No.2004-11779的优先权和权益，在此全文引入其公开内容以做参考。

技术领域

本发明涉及印刷电路板(PCB)，尤其是涉及多层电路板结构及其制作方法。

背景技术

一般地，多层电路板广泛适用于个人计算机等电子系统中。多层电路板相对于单层电路板具有多种优势。例如，优势包括更高的空间使用效率以及总体物理尺寸的减小。多层电路板上安装有微处理器、电容等电子电路元件以及DRAM等半导体存储器件，以便提供多芯片模块。

由于电子系统更高速度和更高容量的趋势的缘故，这种多层电路板产生的热量增大了。如果多层电路板产生的热量不能迅速散出，电子组件的温度就可能升高。温度升高足够大后，就可能发生运行故障，或者系统性能会劣化。以前，为便于热量扩散和消散，在常规多层电路板上安装了散热器(heatdiffuser)或放热器(heat spreader)等。不过，结合多层电路板使用这些散热器占用了相当大的空间。散热器减少了放置组件可用的空间并限制了用于信号走线的空间。

下面参考附图更详细地解释常规多层电路板产生的热以及因安装散热器或放热器所引起的问题。

图1A和1B示出了典型的多层电路板中的其中安装有散热器的多芯片模块的结构。多层电路板10上安装有诸如电容的电路元件25、通过焊盘23、24固定在板10上的半导体集成电路芯片20、21以及散热器40。在图1A中，该安装结构示出了多层电路板10窄尺寸的截面。图1B中的安装结构仅示出了该多层电路板长度方向上的上部。

图1A和1B所示的多层电路板10可以具有如图2和3所示的多层结构。图2示出了如美国专利No.5764491公开的多层电路板的层结构的例子，其中多层电路板包括组件层11、VDD层13、绝缘层15和接地层17。

图3示出了如美国专利No.6175088所公开的多层电路板的例子，其中，电源层、接地层和走线层101-104被绝缘层105隔开。这里，在外层101上能够安装电子电路组件。电源层102和接地层103用于向安装的电子电路组件提供电源和地。信号走线导电层104和电源及地提供导电层102、103置于外层101的相对内部，因此将它们称为内层。

图3的内层的厚度在图4中相对地示出。图4为示出图1的多层电路板的层结构的视图，其中，置于外层101a、108a之间的内层102a、103a、105a、107a一般具有相同的厚度且可以由同样的材料，例如铜，构成。用于绝缘以上诸层的绝缘层201a、202a、203a、204a可以由半固化片层构成，并且，它们的厚度可以在设计或制作过程中加以调整，以便确保得到所需的如阻抗的电气特征以及满足组装后多层电路板的预定总厚度。

图5A和5B分别为示出图4的八层结构和十层结构的视图。导电层(conductive layer)或传导层(conducting layer)101a用作具有其上将安装电路元件的主表面的顶互连导电层，而导电层108a用作具有面对该顶互连导电层101a的表面层的底互连导电层。内导电层102a、103a、104a、105a、106a、107a中的每一个都可以是内电源导电层或内信号走线导电层。内电源导电层通过在顶互连导电层101a和底互连导电层108a之间插入一些绝缘层201a～207a进行设置。内信号走线导电层通过在顶互连导电层101a和底互连导电层108a之间插入另一些绝缘层201a～207a进行设置。八个导电层L1～L8由，例如铜层，构成，举例来说，每一层具有约18μm的厚度。

在如图5B所示的十层堆叠结构的情况下，形成十个由相应绝缘层间隔的导电层L1-L10，使其每一层具有相同厚度。

在日本公开公告No.2001-53421中，公开了一种平滑印制衬底(smoothing printed substrate)，其中集成了小电流信号电路和大电流信号电路以方便所得装置的紧凑化、高可靠性和低价格。然而，这种结构未能在形成多芯片模块时为衬底优化其散热性能，这是因为导电层在高度上有跳变(step)。一层的厚度基本上等于其他类似层的厚度。

使用图4、图5A和5B所示的结构，在图1所示的多芯片模块(或存储系统)的情况下，可能会发生多芯片模块的运行故障或性能劣化，因为在多芯片模块运行期间不能迅速而均匀地散出热量。由于热是从图1中的半导体集成电路芯片20、21和电路组件25发出的，热通过多层电路板中的导线传输到多层电路板。在这种情况下，由于通过多层电路板10的热扩散效率可能非常低，因此在组装部件上贴附了具有良好散热特性的带子30，并在电路板顶部安装了散热器或放热器40。不过，使用散热器散热带来了其他问题。向多层电路板安装和连接散热器占用了宝贵的空间。这使得多芯片模块或获得的电子系统的尺寸变大。此外，使用这种类型的散热器带来了进一步分隔组件和信号走线复杂化的问题。由于安装散热器既增加了它们的尺寸又限制了可入性(accessibility)，因此不能容易或高效地实现组件的布置和/或信号走线。

发明内容

本发明旨在提供一种多层电路板结构及其制作方法。本发明的实施例基本消除了因现有技术的局限和缺点带来的一个或更多问题。

本发明一些实施例的一个目的是要提供一种用于最小化或减小外部散热器尺寸的多层电路板结构。

本发明一些实施例的另一个目的是要提供一种多层电路板结构，其中，与常规多层电路板相比其散热性能得到了显著改善。

本发明的另外一些实施例提供了一种用于在不安装外部散热器的条件下有效散热的多层电路板结构及其制作方法。

此外，本发明的一些实施例提供了一种用于在不添加额外的或外部散热层的条件下最大化或改善散热效率的改进的多层电路板结构及其制作方法。

本发明的有些实施例提供了一种绝缘层和互连导电层交替堆叠配置的多层电路板结构，其中在互连导电层中，诸内互连导电层置于具有一其上能够安装电路元件的主表面的外互连导电层之下且具有不同的厚度。

在多层电路板结构的其他实施例中，绝缘层可以由半固化片层构成，而互连导电层可以由铜层构成。此外，内互连导电层可以包括电源导电层和信号走线导电层，并且优选地，电源导电层的厚度大于信号走线导电层的厚度。在该多层电路板结构的一些实施例中，内绝缘层可以具有各不相同的厚度，以改善散热性能。

在其他实施例中，信号走线导电层的厚度大于电源导电层的厚度。根据一典型实施例，本发明提供了一种制作绝缘层和互连导电层交替堆叠配置的多层电路板的方法，其中，外层之间的内互连导电层中的一些层形成得比其余内互连导电层厚，由此改善了该多层电路板的散热性能。

根据本发明“多层电路板结构及其制作方法”的一些实施例，散热性能与常规结构相比得到了显著改善，由此获得了最小化或减小外部散热器尺寸、省去外部散热器的安装的优点。

附图说明

参照附图对本发明的优选实施例进行详细描述后，本发明的上述的和其他特点和优点将会变得对于本领域的普通技术人员更加显然，在附图中：

图1A和1B为示出其中在典型的多层电路板上安装有散热器的多芯片模块的简图；

图2和3为示出常规多层电路板的层结构的例子的简图；

图4为示出图1的多层电路板的层结构的简图；

图5A和5B分别示出了图4的八层和十层堆叠结构；

图6示出了依据本发明一实施例的多层电路板的结构；

图7A和7B分别示出了图6的八层和十层堆叠结构；以及

图8为用于比较图6和4所示的结构在测试中的组件温度的实验数据曲线图。

具体实施方式

现在将参考附图更充分地描述本发明，附图中展示了本发明的实施例。不过，不应将本发明解释为仅限于此处所述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并向本领域的普通技术人员充分传达本发明的范围。附图中，为了清晰起见放大了诸层和区域的厚度。在所有附图中相同的附图标记指代相同的要素。如此处所用的，术语“和/或”包括一或多个所列相关项的任一和所有组合。

此处所用术语仅用于描述特定实施例，并非意在限制本发明。如此处所用的，单数形式“一(a，an)”和“该(the)”意在同时包括复数形式，除非上下文中有其他明确说明。还要理解的是，术语“包括(comprise，comprising)”，当用在本说明书中时，指定所述特性、整数、步骤、操作、要素，和/或组件的存在，但并不排除一或多个其他特性、整数、步骤、操作、要素、组件，和/或其组合的存在或添加。

要理解的是，当称如层、区域或衬底的要素“在”或扩展到另一要素“上”时，其可以直接在或者直接扩展到另一要素上或者也可以存在中间要素。相反，当称一要素“直接在”或“直接”扩展到另一要素“上”时，就不存在中间要素。同样要理解的是，当称一要素被“连接”或“耦合”到另一要素时，其可以直接连接或耦合到其他要素，或者可以存在中间要素。相反，当称一要素“直接连接”或“直接耦合”到另一要素时，就不存在中间要素。

要理解的是，尽管这里会使用术语第一、第二等等描述各种要素、组件、区域、层和/或部分，这些要素、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个要素、组件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区分开来。因此，在不背离本发明的精神的前提下，以下讨论的第一要素、组件、区域、层或部分可以被称为第二要素、组件、区域、层或部分。

此外，这里可能会用相对性术语，诸如“下”或“底”和“上”或“顶”，描述如附图中所示的一要素和另一要素的关系。要理解的是，相对性术语意在涵盖除图示方向之外的诸不同方向。例如，如果图中的器件反转过来，被描述为在其他要素的“下”侧的要素则会处于其他要素的“上”侧。因此，根据附图的特定方向，示范性术语“下”能够包括“下”和“上”两个方向。类似地，如果一副图中的器件反转过来，被描述为在其他要素“之下”或“底下”的要素则会位于其他要素“之上”。因此，示范性术语“之下”或“底下”能够涵盖之上和之下两种方向。

这里参考截面(和/或平面视图)图解描述本发明的实施例，这些图解为本发明的理想化实施例的示意性图解。照此，可以预料，作为，例如制作技术和/或裕量的结果，可能会与图解的形状有所变化。因此，本发明的实施例不应被解释为限于此处示出的区域的特定形状，而应包括因，例如，制作而引起的形状偏差。举例来说，图解或描述为矩形的被蚀刻区域，典型地将具有圆形或曲线形特征。因此，图中所示的区域其实质为示意性的，而它们的形状并非意在示出器件区域的精确形状也并非意在限制本发明的范围。

除非另行定义，此处所用的所有术语(包括技术和科学术语)都具有如本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的相同意义。还要理解的是，除非此处加以明确定义，诸如通用词典中所定义的术语，应当被解释为具有与其在相关技术背景中的意义相一致的意义，不应被解释为理想化的或过分形式化的意义。本领域的普通技术人员还要明白的是，在提到一结构或部件“邻近”另一部件设置时，其可以有一些部分与邻近部件重叠或位于其下。

如此处所用的，术语“导电(conductive)”或“传导(conducting)”是指要素(诸如多层电路板中的导电层)，与其相关的阻抗在基本上全部期望的工作频率下基本由关系：阻抗＝V/I给出，其中V为该要素两端的电压，I为电流(即，与该要素相关的阻抗在所有工作频率下基本上相同)。

图6示出了依据本发明的某些实施例的多层电路板的层结构。导电层101b、102b、103b、105b、107b、108b由绝缘层201b、202b、203b、204b分隔开。导电层中的内层102b、103b、105b、107b置于外层101b和108b之间。如附图所示，内层102b、103b可以具有互不相同的厚度。内层107b和105b可以形成不同的厚度。这里，外层101b、108b和内层102b、103b、105b、107b可以由同样的材料，例如铜构成。绝缘层201b、202b、203b、204b绝缘内导电层，可以由能够确保如阻抗等电气特性的材料构成。每一层绝缘层的厚度可以在设计或制作中进行调整以满足所需的多层电路板的厚度，而且可以为，例如，半固化片层。

在PCB的设计过程中，确定总层数。根据使用性质或者PCB的用途预先确定层数。在本发明的一个实施例中，设计者可以使用该预定的层数并利用本发明的其他方面。例如，如果空间允许的话，设计者可以增加某些层相对于其他层的厚度，同时维持预定的层数。

在图6所示的多层电路板的n层(n为大于2的自然数)中，可以将外层、第一内层和第二内层形成一堆叠结构，其中第二内层由与第一内层相同的材料构成。例如，第一内层和第二内层可以形成不同的厚度。这里，外层、第一内层和第二内层优选由导电材料构成，以改善散热。可以选择地，它们可以由非导电材料构成或可以是半固化片层。例如，如果第一内层102b用作传送电源电压或地电压的电源导电层，而第二内层103b用作传送输入/输出信号或嵌入电路元件的内部信号的信号走线层，就具有更大散热性能来说，第一内层102b的厚度优选厚于第二内层103b的厚度。

图7A和7B分别示出了依据图6的例子的八层和十层的层压层结构。在图7A中，导电层101b可以用作顶互连导电层，作为在其上安装电路元件的主表面，而导电层108b可以用作底互连导电层，作为面对顶互连导电层101b的底表面。这里，顶和底互连导电层101b、108b为外表面层。

内导电层102b、103b、104b、105b、106b、107b可以是内电源导电层和/或内信号走线导电层。内电源导电层置于顶互连导电层101b和底互连导电层108b之间，其间插入绝缘层201b～207b中的一些层。即，内电源导电层102b置于内信号走线导电层103b之上且其间插入绝缘层202b，而内电源导电层107b置于内信号走线导电层106b之下且其间插入绝缘层206b。在本例中，该多层电路板具有关于绝缘层204b对称的结构。在一个实施例中，在八个导电层L1～L8中，除导电层L2、L7之外的导电层可以由厚度约为18μm的铜层压层构成，而导电层L2、L7可以由厚度约为52到108μm的铜层压层构成。

此外，在图7B所示的十层堆叠结构的例子中，在十个导电层L1～L10中，导电层L2、L9形成得比其他导电层厚。层102b和109b的最小厚度大于其他内导电层103b～108b的最小厚度。照此，在本发明的实施例中，所有内层中某些预定的内层形成得比其他层厚，这样安装的电子部件所产生的热就可以通过更厚的内导电层迅速扩散。这样，通过极大地改善散热性能，多芯片模块、存储系统等造成的温度升高的问题就可以得到显著的降低或消除。

如上所述，可以使用由，例如美国专利No.6395329所公开的常规方法进行上述多层电路板的制作。出于散热的目的，电源导电层的厚度优选形成得比信号走线导电层的厚度多高达6倍。

尽管有时参考铜示出了导电层，还可以使用其他材料，包括铝和硅化物，如硅化钨。

图8为一数据曲线图，其示出了相对于图4的结构依据图6的结构所获得的效果。附图中，横轴代表五个测量项，而纵轴代表温度(℃)。诸测量项中的测量项1到测量项3是指DRAM芯片的发热测试，DRAM芯片在每个测试程序的全过程运行，而测量项4和测量项5是指运算放大器等的有源器件的发热测试。测试在一其上安装有工作在200MHz的DDR DRAM模块的印刷电路衬底上进行。器件在一温度维持在约50℃的测试室内。图中，PI为对应本发明实施例的曲线，PA为依据现有技术的曲线。由于在每个测量项中测量器件的表面温度时，本发明的实施例呈现出相对低的温度，因此得到的结论是，本发明的该实施例表现出相对现有技术的实施例改善了的散热性能。

从而可以得出结论，如果一个或多个电源层形成得比信号走线层厚的话，热导率就能够得到提高。照此，在不改变电路板结构的多层性质的前提下通过改变内层的厚度，或者在某些情况下，通过改变信号走线层的厚度，可以有效地发散出安装在多层电路板上的电子部件所发的热。

根据如上所述的本发明，与常规电路板结构相比，多层电路板的散热性能可以得到相当大的改善。因此，本发明提供了包括最小化或减小分离于多芯片模块的电路板诸层的散热部件的尺寸的优点。此外，可以不安装分离于或外置于电路板诸层的散热器而构造本发明。

尽管已经参考其典型实施例和附图对本发明进行了详细的展示和描述，本领域的普通技术人员要理解的是，在不背离如权利要求所界定的本发明的精神和范围的前提下，可以在本发明中做出多种形式和细节的变化。例如，在不背离本发明的精神的前提下，可以以多种形式变化内层的数量和相对厚内层的位置。同样，相对较厚的层可以是信号走线层而不是电源导电层。此外，在安装了散热器的情况下，尺寸可以得到显著减小，或者可以省去散热器的安装。此外，在本发明的实施例中示出了多芯片模块的多层电路板，不过本发明还可以应用在印刷电路板中。

Claims (39)

1.一种具有堆层结构的多层电路板，其包括：

外层；

第一内层；以及

第二内层，其包括与所述第一内层相同的材料；

第三内层，其置于所述第一和第二内层之间，所述第三内层包括与所述第一和第二内层不同的材料；

其中第一内层和第二内层具有互不相同的厚度。

2.如权利要求1所述的多层电路板，其中所述外层、第一内层和第二内层包括导电材料。

3.如权利要求1所述的多层电路板，其中所述第一内层比所述第二内层厚。

4.如权利要求1所述的多层电路板，其中所述更厚的层为VDD层。

5.如权利要求1所述的多层电路板，其进一步包括外部散热器。

6.一种多层电路板，其包括：

由导电材料构成的外层；

由导电材料构成的第一内层；以及

由导电材料构成的第二内层，

其中所述第一内层的连续截面厚度比所述第二内层的连续截面厚度大。

7.一种多层电路板，其包括：

包括导电材料的外层；

包括导电材料的第一内层；以及

包括导电材料的第二内层，

其中所述第一内层的最小厚度比所述第二内层的最小厚度大。

8.如权利要求7所述的多层电路板，其中所述第一内层设置得距所述外层比所述第二内层近。

9.如权利要求8所述的多层电路板，其中所述第一内层设置得距最近外层的距离比所述第二内层设置得距最近外层的距离近。

10.如权利要求7所述的多层电路板，其中所述第一内层为电源导电层，且所述第二内层为信号走线层。

11.一种多层电路板，其包括：

由导电材料构成的第一外层；

由导电材料构成的第一内层；

由导电材料构成的第二内层；

由导电材料构成的第二外层；

由导电材料构成的第三内层；以及

由导电材料构成的第四内层，

其中所述第一内层比所述第二内层厚，且所述第四内层比所述第三内层厚。

12.如权利要求11所述的多层电路板，其中所述第一内层和第四内层基本上关于所述多层电路板的多层的中心对称地设置。

13.一种多层电路板，其包括：

用于传送电源的第一内层；以及

用于传送信号的第二内层，

其中所述第一内层比所述第二内层厚。

14.如权利要求13所述的多层电路板，其中所述第一内层比所述第二内层厚大约二或更多倍。

15.一种多层电路板，其包括：

用于传送电源的第一内层；

用于传送信号的第二内层；

用于传送信号的第三内层；以及

用于传送电源的第四内层，

其中所述第一内层比所述第二内层厚，且所述第四内层比所述第三内层厚。

16.一种制作多层电路板的方法，其包括：

形成预定厚度的包括导电材料的第一内层；以及

形成厚度小于所述第一内层的包括导电材料的第二内层。

17.一种其上安装有存储模块的印刷电路板，其包括：

外层；

第一内层；以及

第二内层，其包括与所述第一内层相同的材料，

其中所述第一内层和所述第二内层具有不同的厚度。

18.如权利要求17所述的印刷电路板，其中所述外层、所述第一内层和所述第二内层包括导电材料。

19.如权利要求17所述的印刷电路板，其中所述第一内层和所述第二内层由导电材料构成。

20.如权利要求17所述的印刷电路板，其中所述第一内层比所述第二内层厚。

21.一种其上安装有存储模块的印刷电路衬底，其包括：

包括导电材料的外层；

包括导电材料的第一内层；以及

包括导电材料的第二内层，

其中所述第一内层比所述第二内层厚。

22.一种绝缘层和互连导电层交替堆叠配置的多层电路板结构，其中

在所述互连导电层之中，至少一个内互连导电层厚度不同于至少另一内导电层，各内互连导电层位于外互连导电层之下，其中该外互连导电层具有其上能安装电路元件的主表面。

23.如权利要求22所述的多层电路板，其中所述内互连导电层包括电源导电层和信号走线导电层。

24.一种绝缘层和互连导电层交替堆叠配置的多层电路板结构，其中

所述互连导电层包括：

顶互连导电层，其具有其上可操作地连接有电路元件的主表面；

底互连导电层，其面对所述顶互连导电层；

内电源导电层，其具有预定厚度，置于所述顶互连导电层和所述底互连导电层之间；以及

内信号走线导电层，其具有小于所述内电源导电层的厚度，置于所述内电源导电层和所述底互连导电层之间。

25.如权利要求24所述的多层电路板结构，其中所述绝缘层为半固化片层，且所述互连导电层为铜层。

26.一种制作绝缘层和互连导电层交替堆叠配置的多层电路板的方法，其包括在外导电层之间形成内互连导电层，其中至少一个内互连导电层形成得比至少另一个内互连导电层厚，由此改善所述多层电路板的散热性能。

27.如权利要求20所述的方法，其中所述内互连导电层由铜构成，且包括电源导电层和信号走线导电层。

28.如权利要求27所述的方法，其中所述电源导电层的厚度比所述信号走线导电层的厚度大。

29.一种绝缘层和互连导电层交替堆叠配置的多层电路板结构，其中

所述互连导电层包括：

顶互连导电层，其具有其上能安装电路元件的主表面；

底互连导电层，其作为底表面层面对着所述顶互连导电层；

内电源导电层，其具有第一预定厚度，置于所述顶互连导电层和底互连导电层之间，所述顶和底互连导电层之间插有绝缘层；以及

内信号走线导电层，置于所述内电源导电层和底互连导电层之间，具有大于所述第一预定厚度的第二预定厚度。

30.如权利要求29所述的多层电路板结构，其中所述绝缘层为半固化片层，且所述互连导电层为铜。

31.如权利要求30所述的多层电路板结构，其中所述内电源导电层为用于传送电源电压或地电压的铜层。

32.一种多芯片模块结构，其上安装有电子电路元件且使用了绝缘层和互连导电层交替堆叠配置的多层电路板，其包括：

外互连导电层，其具有其上安装有电子电路元件的主表面；

内互连导电层，其置于所述外互连导电层之下，其中至少一个所述内互连导电层具有不同于至少另一个内互连导电层的厚度；

散热器，其安装于一些电子电路元件的管壳表面和所述多层电路板的表面之间，用于将所述电子电路元件工作所发的热扩散到所述电路板之外。

33.如权利要求32所述的多芯片模块结构，其中所述内互连导电层包括电源导电层和信号走线导电层。

34.如权利要求33所述的多芯片模块结构，其中所述电源导电层的厚度比所述信号走线导电层的厚度大。

35.如权利要求33所述的多芯片模块结构，其中所述信号走线导电层的厚度比所述电源导电层的厚度大。

36.如权利要求33所述的多芯片模块结构，其中所述电子电路元件包括至少一个DRAM芯片。

37.一种形成多层电路板的方法，其包括：

确定所述多层电路板中导电层和绝缘层的数量；

形成选定层使其具有相对其他层不同的厚度。

38.如权利要求37所述的方法，其中所述具有相对不同厚度的选定层为绝缘层。

39.如权利要求37所述的方法，其中所述具有相对不同厚度的选定层为导电层。

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