CN1823555A - 具有嵌入式元件的电路板及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种衬底组件(10)及其制造方法，具有至少一个在衬底核(22)的孔(24)中的嵌入式元件(25)，并且包括连接至该衬底核的第一附着层(20)，和在该衬底核的至少部分顶部表面上和部分该嵌入式元件上的第二附着层(26)。该衬底组件还可包括附着至该衬底核底部表面的第一传导层(18)和在该第二附着层上的第二传导层(28)。该衬底组件还可包括该嵌入式元件传导表面和该第一传导层与该第二传导层中至少一个间的互连(36)。该互连可通过至少临时暴露该嵌入式元件的至少一个传导表面(32)的开孔(34)而形成。

Description

具有嵌入式元件的电路板及制造方法
技术领域
本发明主要涉及电路板，更具体地，涉及具有嵌入式元件的电路板。
背景技术
精细间距球栅阵列(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)和其它演进技术规格日益广泛的使用意味着必须使用新制造技术生产印刷电路板(PCB)和在其上布置元件的结构。此外，降低成本的努力还包括与正在演进的更小、更密集、更轻、和更快速系统相关联的问题。
随着集成不断缩小在电子装置内安装元件所需的空间，伴随的无源元件的布线密度和安装密度变得越来越成问题。芯片元件布局中的电容器和电阻器实际上比有源电路元件占据更多的空间，并在电路设计方面导致极大的困难。许多这些无源元件用于集成电路输入和输出上的噪声保护和接地分流。理想地，它们应尽可能近地位于实际的IC引脚线路。由于目前许多IC以球栅阵列形式封装，因而有可能将芯片元件直接与其将要连接的引线相邻定位。
提出的一个解决方案是将无源元件集成至集成电路上的硅。由于集成至硅通常不是非常可行，因而设计人员已经寻求将这些无源元件集成至衬底。该最为成本有效的衬底通常是有机印刷线路板。将电容器集成至这些类型的结构导致明显的尺寸问题。可用空间和分层仅允许使用标准的有机层结构集成少量的非常低值的电容器。
存在几种方法用于集成电阻器。电阻薄膜层(ohmega-ply)和真空淀积电阻器法的每一个都带来成本和结构的障碍。聚合物厚膜电阻器极为不可靠并且易变，带来了实现紧密公差的问题。
从而，希望一种可靠的方法和组件，用于在例如多层板的电路板上集成元件，其克服至少一些上述损害。
发明内容
遵照本发明的实施例实现了一种在PCB中集成元件的方法，例如集成分离的电阻器、电感和电容器元件或其它适当的元件。一个方面，这些实施例能够使用在Z轴组件中以新颖方式布置的现有的表面安装芯片元件。通过以基本垂直的方位将分离的元件埋入衬底，此技术允许旁路器件的真Z轴组件穿过衬底。该方法便利了非常简洁的自屏蔽设计，但本发明当然不是仅限于这样的布置。Z轴方位和列出的元件仅仅作为示例结构列出，并不是要限制本发明的范围。
通常，遵照本发明的实施例可在电路板上埋孔中包括单个或多个元件，并且该板的封装包括在施加的介电层内的元件。然后可制造开孔，使用孔和电镀技术以允许这些元件与所需的电子电路相连。
在遵照本发明实施例的第一方面中，在衬底组件中形成嵌入式元件的方法可包括以下步骤：在第一载体上施加第一附着层，在该附着层上放置具有至少一个孔的衬底，在该孔中放置具有至少两个传导端子的嵌入式元件，在至少部分预处理的衬底上和至少部分嵌入式元件上施加第二附着层，在该第二传导层上放置第二载体，并且彼此相对偏置该第一和第二载体，以在第一和第二附着层间生成具有嵌入式元件的衬底组件。附着层优选地由介质材料制成，例如环氧树脂和其它热固性有机材料，或PTFE以及其它热成形有机材料，但这里当然可预见其它用于电路板的可想得到的材料。
第二方面，一种在衬底组件中形成嵌入式元件的方法包括以下步骤：在第一载体上施加第一传导层，在该第一传导层上施加第一附着层，在该附着层上放置预处理的衬底，其中该预处理的衬底可包括至少一个孔(和在该预处理的衬底的任一面上的可选的传导图案)，以及在该孔中放置具有至少两个传导端子的嵌入式元件。该方法还可包括以下步骤：在至少一部分该预处理的衬底和至少一部分该嵌入式元件上施加第二附着层，在该第二附着层上施加第二传导层，在该第二传导层上放置第二载体，以及彼此相对偏置第一和第二载体，以在第一和第二传导层间生成具有嵌入式元件的衬底组件。该方法进一步包括以下步骤：去除第一载体和第二载体中的至少一个，形成穿过由第一传导层和第一附着层形成的第一对和由第二传导层和第二附着层形成的第二对中的至少一个对层的开孔，以暴露该嵌入式元件的至少一个传导表面，以及在该嵌入式元件传导表面和具有开孔的第一传导层和第二传导中的至少一个间形成互连。该第一传导层和/或第二传导层可具有在其上形成的传导图案。互连还可在该嵌入式元件、该第一或第二传导层表面和该衬底核上一部分传导图案间形成。
在本发明的第三方面，在衬底核的孔中具有至少一个嵌入式元件的衬底组件可包括与该衬底核底部表面相连的第一附着层、该孔中的嵌入式元件以及在至少一部分该衬底核顶面和至少一部分该嵌入式元件上的第二附着层，其中第一附着层和第二附着层中的至少一个至少部分地填充该孔。该衬底组件可进一步包括使用第一附着层附着至该衬底核底面的第一传导层和第二附着层上的第二传导层。该衬底组件可进一步包括该嵌入式元件传导表面和第一传导层与第二传导层中至少一个间的互连。该互连可通过开孔形成，该开孔至少临时地暴露该嵌入式元件的至少一个传导表面。如上面提到的，也可在该第一或第二传导层，该嵌入式元件的传导表面和该衬底核上的一部分传导图案间形成互连。
附图说明
图1为具有暴露的传导层的衬底组件的俯视图，其遵照本发明。
图2为衬底组件的剖视图，其遵照本发明。
图2A为在衬底组件中具有钻孔的衬底核的剖视图，其遵照本发明。
图2B为衬底核传导层成像之后，图2A的衬底核的剖视图，其遵照本发明。
图3为包括具有孔的预处理衬底核的一部分衬底组件的剖视图。
图4为图3的部分衬底组件的剖视图，进一步包括嵌入式元件，其遵照本发明。
图5为图4的部分衬底组件的剖视图，进一步包括嵌入式元件和衬底核上的附着层，其遵照本发明。
图6为图5的部分衬底组件的剖视图，进一步说明在迭片工艺期间在孔中的一部分附着层，其遵照本发明。
图7为图6的部分衬底组件的剖视图，进一步说明孔的产生，以暴露嵌入式元件的传导表面，其遵照本发明。
图8为图7的部分衬底组件的剖视图，进一步说明电镀步骤，其遵照本发明。
图8A或8B为图7的部分衬底组件的剖视图，进一步说明电镀和蚀刻(或图案)步骤，其遵照本发明。
图9为球栅阵列(BGA)载体的剖视图。
图10为图8的衬底组件的剖视图，进一步说明几个BGA载体的连接，其遵照本发明。
具体实施方式
通常，根据本发明的实施例采取不同的方法集成多层板中的元件。在几个实施例中，衬底组件及其制造方法采用最普通的制造高密度互连(HDI)结构和印刷电路板的方法。在详细说明制造过程之前，在图1和2中示出的结构中的元件的简要说明将利于对制造过程的描述。
包括引脚对齐系统的部分衬底组件10的俯视图示于图1，其包括第一或底部载体12，以及引脚14和16。此例中的俯视图表示，例如，当第二或顶部载体30移去时(并且没有传导层(28))，附着层(adhesive layer)26作为顶层。第一和第二载体12和30可作为迭片工艺中的夹具(press)，如下进一步的讨论。衬底组件10的更为完整的视图以剖视图的形式示于图2。该组件10从下至上可包括第一载体12和主要用于对齐目的的引脚14与16，通过附着层20与预处理衬底核21相连的可选的第一传导层18。该预处理的衬底核21可包括在衬底22任一面上具有传导图案27且具有孔24的衬底22。该孔可为钻孔或以其它方式形成的通孔。应当理解，在本发明的构思中，该预处理的衬底核21还可为裸衬底，在任一面上没有任何传导图案，或仅在衬底22的一面上具有传导图案。单个或多个元件25可放置于单个或多个孔24中。尽管在Z轴方位示出单个元件，但应当理解，可在孔24中放置多个元件，并且可采用其它方位，只要该元件的传导表面相继暴露，参考图7的说明，这将变得更加显而易见。第二附着层26施加在该元件的顶部和至少部分预处理的衬底核21之上。第二可选传导层28可使用附着层26连接至预处理衬底核21。在该传导层28的顶部具备第二载体或夹具板30。
实际上，在图2，2A和2B中示出的大多数实施例中，可在尽可能靠近IC引脚的优化位置钻通衬底22和传导表面27(其形成衬底核板21)形成一系列孔或通孔24。通过HDI结构，这通常意味着直接在该IC引脚焊盘之下的孔(参见图10)。然后可在孔24中布置芯片元件(25)，其长度达到基本上等于核心PCB(21)的厚度。接下来，在衬底核21的两面上施加HDI层，例如附着层或介质层(20与26)，封装该核及其无源芯片元件。然后按照需要生成该HDI孔，以完成该电路，并且使该无源元件的两端从该衬底的相对侧面接触。最后，电镀该孔并完成该电路。下面使用简单的1-2-1HDI电路板的示例，利用最普通的HDI工艺，其涉及使用具有激光孔的涂覆有树脂的箔片外层，进一步详细说明制造这种组件的工艺。该涂覆有树脂的箔片层作为此例中的第一和第二附着层，以及第一和第二传导层。应当理解，本发明并不限制于此，可使用其它附着层，例如环氧树脂涂层、环氧和其它热固性有机材料，和PTFE以及热成形有机材料、玻璃纤维增强浸渍层、热塑介质层、浆料介质和液体介质。传导层通常为铜，但可使用其它导体，这也在本发明的考虑中。
参考图2A和2B，该工艺可从衬底核21开始，其可为合适厚度的铜包层。优选地，该合适的厚度基本上等于要集成的元件(例如芯片元件)的长度。可对该衬底核21钻孔，穿过该铜包层或传导图案27和衬底22，该衬底中设计有图案，以容纳在单个和多个孔24中以希望的位置或方位施加的元件。在此实例中，选择钻头大小以允许该芯片元件在孔中垂直朝向，使得该芯片元件的金属化端在可预见的位置。在此步骤中，还要钻所有所需的迭片加工孔(未示出)。这些迭片加工孔将容纳在图2中示出的引脚14和16。
接下来，参考图2B，可使用标准的光刻和蚀刻技术与本领域任何技术人员公知的材料形成内层电路图案或传导图案。优选地，然后清洗该形成图案的核心板(21)，并用还原的氧化物或一些其它粗加工技术涂覆，用于在后面的迭片步骤中促进附着。
参考图3和4，一旦完成该衬底核21，下一步可包括元件的放置。但是首先，利用用于HDI迭片步骤的加工板或载体12和对齐引脚14与16制备衬底核21。该具有适当加工引脚的加工板放置在迭片层叠工作站上。第一传导层18可施加至载体12，然后是附着(介质)层20。第一传导层18可由铜薄片形成，能够可选地增加该层，以允许加热期间各层的相对移动。该第一传导层18还可通过涂覆有树脂的铜箔中的铜箔形成，其可置于加工板之上，并使用加工引脚定位，环氧树脂侧向上。该附着层20可在涂覆有树脂的铜箔上由环氧树脂形成。图2B的完整的衬底核21可置于涂覆有树脂的箔片顶部上的加工引脚14和16之上的适当位置，以形成图3中所示的衬底。元件25可放置在孔24中，如图4所示。可通过利用取放机将芯片元件放置在洞或孔24中处理图3的整个组件，来完成将元件25放置在孔24中的处理。这些芯片元件可放置在连续竖直排列的孔中。例如，修改的Nitto联合置放机可将这些芯片元件放置在钻孔内垂直定位的位置中，并检查丢失的器件。
随着按照需要将元件25置于所有洞或孔中，图4的组件可放回至迭片层叠站，用于放置第二附着层(介质)层26和第二传导层28，如图5中所示。层26和28可为第二涂覆树脂的铜箔层，其置于该堆叠的顶部，环氧树脂侧对着该衬底核21。可选地，可在上面放置另一铜薄片(形成部分传导层28)和另一加工板或第二载体30。参考图6，可按照标准的工业处理在真空压合机中偏置或挤压和固化图5所示的整个堆叠。在挤压期间，形式上为涂覆在铜箔上的环氧树脂的附着层26和/或20将在元件25周围流动填充前述孔24，如图6所示。在流动时间后，该环氧树脂将凝结并固化，在该衬底核的顶面和底面将该箔片粘附到该衬底核21。从而在适当的地方固定该无源元件，并将其集成至板中。在挤压操作后，图6中的组件在外观上类似于图5的组件，除了粘合剂现在围绕该元件的主要部分。
参考图7，可将图6的组件从载体12和30与引脚14和16中去除，但通过每次仅去除一个载体和处理对应侧，还可能进行另外的处理。在任何情况下，此时，图6的组件可形成通孔44，例如按照标准方法钻的孔，以按照需要形成前后或层间通孔连接。也是在这时，可使用激光或其它技术形成开孔或孔34，暴露元件25的传导表面32。理想地，激光器可在埋于核心衬底中的芯片元件的端部上精确地形成开孔。存在几种普通方法用于制作激光孔，但本发明当然并不限于这些技术。这些示例方法包括：1)利用紫外线(UV)激光器切割铜箔和介质；2)利用UV激光器切割铜，然后用红外线激光器去除暴露的介质；以及3)利用本领域技术人员公知的光刻和蚀刻工艺蚀刻该铜箔中的孔，并且然后使用红外线激光器去除因此而暴露的介质。
在产生孔34和孔44之后，包括通向元件传导表面或该芯片元件焊盘端部的开孔，可使用本领域任何技术人员熟知的标准电镀、光刻和蚀刻技术进一步处理图7的组件并将其完成，以形成图8所示的组件52。镀层36形成镀孔38，并形成嵌入式元件25的传导表面32和第一传导层20与第二传导层28中至少一个间的互连。还可在第一或第二传导层(20或28)，嵌入式元件25的传导表面32以及衬底核上的一部分传导图案27间形成互连。在一个实施例中，这些互连可以用作有效的屏蔽。如果需要，如图8A所示，可通过选择性电镀、或光刻和蚀刻或其它手段，由镀层36形成图案19。类似地，可在镀层36和传导层(20和28)中按照需要形成图8B中所示的图案39。该第一传导层20和/或第二传导层28在图7中开始的形成孔的处理前还可在其上具有传导图案。
此工艺的改动是可能的，这对于本领域的任何技术人员是显而易见的，但此处公开的实施例预见到在HDI结构内的埋孔中垂直(或以其它方位)安装芯片元件(或其它元件)，然后利用HDI孔使掩埋的芯片元件端部接触的任何工艺。这些改动包括，但不限于，使用光孔或等离子孔替代激光器，或使用液体或浆料替代涂覆树脂的箔片，或使用任何集成电路或具有至少两个用于嵌入式元件的传导端子的其它元件，而不仅是芯片元件。例如，针对诸如压控振荡器、RF前端电路和功率放大器(仅列举这几种)的小型、压缩模块构思实施例。随着更为复杂的电路或器件变得越小，这些器件就越有可能作为此处的嵌入式元件。还可预见到增加嵌入式元件另外的层或其它级，如通过顺序迭片技术。
根据本发明的实施例还可用于制造任何PCB，但有可能特别适用于细线高密度互连设计。最直接的好处是应用至高引脚数集成电路封装上的旁路器件。参考图9和10，球栅阵列(BGA)封装60是示例高引脚数集成电路封装。最简单形式的BGA封装60可包括衬底62和焊球64阵列。如图10中所示，一个或多个BGA封装可连接至衬底组件52的任一侧。这种结构在每个引线插脚(或此例中的焊球)都需要经由电容器分路至地的情况下有用。从而，该嵌入式元件(25)可为电容器，并且衬底核上的所有或部分镀层36、第一传导层20、第二传导层28和传导层27能够作为地。
此外，上述说明仅作为示例，并不是在任何方面限制本发明，除了所附权利要求中列出的。

Claims (10)

1.一种在衬底组件中形成嵌入式元件的方法，包括以下步骤：
在第一载体上施加第一传导层；
在所述第一传导层上施加第一附着层；
在所述第一附着层上放置预处理衬底，其中，所述预处理衬底包括至少一个孔；
在所述孔中放置嵌入式元件，其中，所述嵌入式元件包括至少两个传导端子；
在至少部分所述预处理衬底上和至少部分所述嵌入式元件上施加第二附着层；
在所述第二附着层上施加第二传导层；
在所述第二传导层上放置第二载体；以及
彼此相对地偏置所述第一与第二载体，以在所述第一和第一传导层间产生具有所述嵌入式元件的衬底组件。
2.权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
去除所述第一载体和所述第二载体中的至少一个；
形成穿过由第一传导层和第一附着层形成的第一层对以及由第二传导层和第二附着层形成的第二层对中的至少一个层对的开孔，以暴露所述嵌入式元件的至少一个传导表面；以及
在所述嵌入式元件的传导表面与具有开孔的所述第一传导层和所述第二传到层中的至少一个间形成互连。
3.权利要求2所述的方法，其中，所述方法还包括在第一传导层和第二传导层中的至少一个上产生传导图案的步骤。
4.权利要求1所述的方法，其中，所述的放置嵌入式元件的步骤包括在孔中以垂直方位放置所述嵌入式元件的步骤。
5.权利要求1所述的方法，其中，所述的放置嵌入式元件的步骤包括利用取放机将所述嵌入式元件放置在孔中的步骤，并且所述方法还包括为检查所述嵌入式元件的存在而检查所述孔的步骤。
6.一种衬底组件，其在衬底核的孔内具有至少一个嵌入式元件，所述衬底组件包括：
第一传导层上的第一附着层，其中，所述第一附着层将所述第一传导层连接至所述衬底核的底部表面；
所述孔中的嵌入式元件，其中，所述嵌入式元件包括至少两个传导端子；
在至少部分所述衬底核的顶部表面上和至少部分所述嵌入式元件之上的第二附着层，其中，所述第一附着层和所述第二附着层中的至少一个至少部分地填充所述孔；以及
在所述第二附着层上的第二传导层。
7.权利要求6所述的衬底组件，其中，所述衬底组件还包括所述嵌入式元件的传导表面与所述第一传导层和所述第二传导层中的至少一个间的互连。
8.权利要求7所述的衬底组件，其中，所述互连是通过至少临时暴露所述嵌入式组件至少一个传导表面的开孔而形成的，并且其中所述开孔穿过由第一传导层和第一附着层形成的第一层对以及由第二传导层和第二附着层形成的第二层对中的至少一个层对。
9.权利要求6所述的衬底组件，其中，所述衬底组件还包括所述嵌入式元件第一传导端子与所述第一传导层间的第一互连以及所述嵌入式元件第二传导端子与所述第二传导层间的第二互连。
10.权利要求9所述的衬底组件，其中，所述第一互连是通过第一传导层和第一附着层中的开孔而形成的，并且所述第二互连是通过第二传导层和第二附着层中的开孔而形成的。
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