DE69128208T2 - Gedruckte Leiterplatten und Karten mit eingefügten Dünnfilmkondensatoren und Herstellungsverfahren für diese Leiterplatten und Karten - Google Patents
Gedruckte Leiterplatten und Karten mit eingefügten Dünnfilmkondensatoren und Herstellungsverfahren für diese Leiterplatten und KartenInfo
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Description
- Diese Erfindung bezieht sich auf eine Mehrschicht-Schaltkreispackung mit integralen, vergrabenen Dünnfilm-Kapazitätsmitteln. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Mehrschicht-Schaltkreispackung, z.B. eine keramische Mehrschicht-Schaltkreispackung oder eine Mehrschicht-Schaltkreispackung mit strukturellen Elementen aus Polyimid oder mehrschichtigem, mit Epoxid imprägniertem Glasgewebe, mit mindestens einem leistungsführenden Kern, einem Massekern, einem ersten Dünnfilmsignalkern, einem zweiten Dünnfilmsignalkern und einem Dunnfilmdielektrikum dazwischen, bereitgestellt, wobei der erste und der zweite Dünnfilmsignalkern und das Dünnfilmdielektrikum einen Dünnfilmkondensator bilden.
- Ein elektronischer Schaltkreis kann viele elektronische Schaltkreiskomponenten enthalten, z.B. Tausende oder sogar Millionen von einzelnen Widerständen, Kondensatoren, Induktoren, Dioden und Transistoren. Diese einzelnen Schaltkreiskomponenten müssen untereinander verbunden werden, um die Schaltkreise zu bilden, und die einzelnen Schaltkreise müssen untereinander verbunden werden, um funktionale Einheiten zu bilden. Leistungs- und Signalverteilung werdenüber diese Zwischenverbindungen bewerkstelligt. Die einzelnen funktionalen Einheiten erfordern einen mechanischen Träger und strukturellen Schutz. Die elektrischen Schaltkreise erfordern elektrische Energie, um zu funktionieren, und die Abführung von thermischer Energie, um funktionsfähig zu bleiben. Mikroelektronische Packungen, zum Beispiel Chips, Module, Schaltungskarten und Leiterplatten, werden dazu verwendet, Schaltkreiskomponenten und Schaltkreise zu schützen, aufzunehmen, zu kühlen und untereinander zu verbinden.
- Innerhalb eines integrierten Schaltkreises werden Zwischenverbindungen von Schaltkreiskomponente zu Schaltkreiskomponente und von Schaltkreis zu Schaltkreis, Wäremdissipation und mechanischer Schutz durch einen integrierten Schaltkreis-Chip bereitgestellt. Dieser Chip, der innerhalb seines Moduls eingeschlossen ist, wird als die erste Packungsebene bezeichnet.
- Es gibt mindestens eine weitere Packungsebene. Diese zweite Packungsebene ist die Schaltungskarte. Die Schaltungskarte ist mindestens für drei Funktionen notwendig. Erstens wird die Schaltungskarte deshalb verwendet, weil die gesamte erforderliche Schaltkreis- oder Bitanzahl zur Durchführung einer gewünschten Funktion die Bitanzahl der ersten Packungsebene, d.h. des Chips, übersteigt. Zweitens stellt die zweite Packungsebene, d.h. die Schaltungskarte, eine Stelle für Komponenten bereit, die nicht ohne weiteres in die erste Packungsebene, d.h. den Chip oder das Modul, integriert werden können. Diese Komponenten umfassen z.B. Kondensatoren, Präzisionswiderstände, Induktoren, elektromechanische Schalter, optische Kopplungseinheiten und dergleichen. Drittens sorgt die Schaltungskarte für eine Signalverbindung mit anderen Schaltkreiselementen.
- In den meisten Anwendungen gibt es eine dritte Packungsebene. Dies ist die Leiterplatten-Packungsebene. Die Leiterplatte enthält Verbindungseinheiten, um eine Mehrzahl von Schaltungskarten aufzunehmen.
- Das Packungsdesign, das heißt das Schaltungskarten- und Leiterplatten-Design, wurde durch die Notwendigkeit einer Anpassung an eine immer weiter steigende Dichte von Zwischenverbindungen auf einer kleinen Fläche vorangetrieben. Zur Anpassung an diese höhere Dichte von Zwischenverbindungen weisen Schaltungskarten und Leiterplatten Mehrschichtstrukturen auf.
- Schaltungskarten und Leiterplatten finden, wenngleich sie sowohl in digitalen als auch analogen Schaltkreisen verwendet werden, ihre größte Anwendung in digitalen Schaltkreisen. In digitalen Schaltkreisen entspricht ein schmales Band um einen diskreten Spannungswert herum einer logischen "0", und ein anderes schmales Band um einen zweiten diskreten Spannungswert herum entspricht einer logischen "1". Signale mit diesen Eigenschaften sind "digitale Signale". Digitale Informationsverarbeitung ist von der Übertragung, Speicherung und Anwendung dieser digitalen Signale abhängig.
- In der digitalen Informationsverarbeitung wechselt ein Signal von einem binären Pegel auf einen anderen. Dieser Wechsel wird idealerweise als eine "Stufenfunktion" übertragen. Diese ideale Stufenfunktion wird jedoch aufgrund von Widerstands-, Kapazitäts-, Induktivitäts- und Übertragungsleitungseffekten in der Übertragungsleitung und in anderen Übertragungsleitungen in der Packung verzerrt. Aüßerdem verürsacht diese Stufenfunktion unabhängig davon, ob sie ideal oder verzerrt ist, noch weitere Verzerrungen und unechte Signale, d.h Rauschen, sowie induzierte Signale auf anderen Leitungen in der Schaltkreispackung. Somit ist es notwendig, Rauschen aus digitalen Schaltkreisen herauszufiltern.
- Filtern kann in digitalen Schaltkreispackungen durch Bereitstellen von internen RC-Filterschaltkreisen mit geeigneter RC- Zeitkonstante und geeigneten Bandpaß-Charakteristika und dadurch kapazitiver Kopplung oder Entkopplung von Signalleitungen mit/von zum Beispiel leistungsführenden Leitungen, Masseleitungen oder anderen Signalleitungen ausgeführt werden.
- Versuche zur Bereitstellung interner Kapazitäts- und RC- Schaltkreise, um diese Zwecke zu erreichen, sind auf dem Fachgebiet allgemein bekannt. Zum Beispiel beschreibt United States Invention Registration H416 von Kevin W. Colvin für HIGH CA- PACITANCE FLEXIBLE CIRCUIT, veröffentlicht am 5. Januar 1988, einen flexiblen Mehrschicht-Schaltkreis mit darin eingebetteten diskreten keramischen Kondensatoren. In der Schaltkreispackung von Colvin bestehen die kapazitiven Elemente aus Chips oder Wafern aus einem Material, das sich von dem flexiblen Substrat unterscheidet und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, wobei die entgegengesetzten Oberflächen jedes derartigen Chips eine leitfähige Beschichtung besitzen.
- United States Patent 4 682 414 von Sheldon H. Butt für MULTI- LAYER CIRCUITRY beschreibt eine Mehrschicht-Schaltkreispackung mit einer Vertiefung auf einer Oberfläche. Wie von Butt beschrieben, ist ein diskretes elektronisches Element innerhalb der Vertiefung positioniert, während ein zweites diskretes elektronisches Element auf der Oberfläche der Packung positioniert ist.
- United States Patent 4 705 917 von Louis E. Gates et al. für MICROELECTRONIC PACKAGE beschreibt eine mikroelektronische Pakkung mit inneren Öffnungen zur Bereitstellung von Vertiefungen, in denen Chips und diskrete Kondensatoren angeordnet und verbunden werden können. Speziell beschreiben Gates et al. eine mikroelektronische Packung, die aus einer Mehrzahl von Schichten aus Keramik gebildet ist, wobei einige der Schichten Öffnungen im Inneren derselben aufweisen. Diese inneren Öffnungen bilden Vertiefungen innerhalb der Packung, um diskrete Komponenten zu tragen. Offenbarte diskrete Komponenten beinhalten Kondensatoren. United States Patent 4 729 061 von Candice Brown für CHIP ON BOARD PACKAGE FOR INTEGRATED CIRCUIT DEVICES USING PRINTED CIRCUIT BOARDS AND MEANS FOR CONVEYING THE HEAT TO THE OPPOSITE SIDE OF THE PACKAGE FROM THE CHIP MOUNTING SIDE TO PERMIT THE HEAT TO DISSIPATE THEREFORM offenbart eine Schaltkreispackung mit mindestens einem Hohlraum, um einen integrierten Schaltkreis-Chip darin anzubringen.
- United States Patent 4 751 126 von Hirosi Oodaira et al. für A METHOD OF MAKING A CIRCUIT BOARD AND A CIRCUIT BOARD PRODUCED THEREBY offenbart eine flexible Schaltkreispackung, in der flexible Substrate zusammengebondet sind. Oodaira offenbart speziell, daß ein diskretes Schaltkreiselement, wie ein Kondensator, zwischen den flexiblen Substraten vergraben sein kann, wobei die plastische Deformation des flexiblen Substrates ausgenutzt wird.
- United States Patent 4 744 008 von Vincent J. Black et al. für FLEXIBLE FILM CHIP CARRIER WITH DECOUPLING CAPACITORS beschreibt eine mikroelektronische Packung, die aus einem schaltungselementbildend strukturierten Polyimidfilm-Chipträger mit mindestens einem diskreten Entkopplungs-Kondensator gebildet ist, der auf einer Oberfläche desselben angebracht ist.
- United States Patent 4 460 938 von Alain Clei für PROCESS FOR PRODUCING HYBRID CIRCUITS WITH INTEGRATED CAPACITORS AND RESISTORS AND CIRCUITS OBTAINED BY THIS PROCESS beschreibt eine hybride Schaltkreisstruktur, d.h. nicht eine Schaltkreispackung als solche, mit Dünnfilmkondensatoren mit einer Elektrode aus einem "Valve"-Metall, z.B. Tantal, und einem Dielektrikum aus einem natürlichen Oxid von Tantal. Das natürliche .Oxid wird durch anodisches Oxidieren, d.h. Oxidieren, des Tantals gebildet.
- United States Patent 4 453 199 bezieht sich auf ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Köndensatoren innerhalb enger Toleranzbereiche. Das Verfahren beinhaltet die Bildung von diskreten Elektrodenflächen auf einem isolierenden Substrat durch Gasphasenabscheidung oder dergleichen und das Aufbringen einer dielektrischen Schicht über dem Substrat und den Flächen zwischen den Elektroden. Eine weitere Serie von Elektroden wird über dem Dielektrikum in teilweiser Ausrichtung zu den ersten erwähnten Elektroden gebildet, und danach wird das Substrat zerschnitten, um gegenüberliegende Kantenbereiche der resultierenden Kondensatoren freizulegen. Die Kondensatoren werden vorzugsweise durch eine Sputtertechnik abgeschlossen, wobei das gesputterte Material vom Kontakt mit den Kantenbereichen nicht freigelegter Elektroden durch das abgeschiedene Dielektrikum isoliert ist.
- United States Patent 4 328 520 von Christopher H. Bajorek et al. für MULTIPLE LAYER, CERAMIC CARRIER FOR HIGH SWITCHING SPEED VLSI CHIPS beschreibt eine mikroelektronische Packung, die dünne Kondensatorschichten trägt, die in eine keramische Struktur laminiert sind. Die Kondensatorelektrodenplatten können als die Leistungsverteilungsleiter (leistungsführenden Ebenen) dienen. Alternativ können die Elektrodenplatten mit leistungsleitenden Durchkontakten verbunden werden, die zu den leistungsführenden Ebenen oder durch diese hindurch führen. Die kapazitiven Elemente sind Laminate aus dünnen metallischen Schichten und dielektrischem Material. Die kapazitiven Laminate werden durch sukzessives Bilden einer rohen (ungebrannten) Schicht aus dem rohen (ungebrannten) Dielektrikum und der darauf befindlichen metallischen Leiterschicht zu einer gewünschten Anzahl von Schichtpaaren, Brennen des rohen (ungebrannten) Laminates zur Bildung des kapazitiven Laminates und schaltungselementbildendes Strukturieren äußerer Öberflächen desselben erzeugt.
- Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel von Bajorek et al. wird das kapazitive Laminat durch Metallisieren von rohen (ungebrannten) Schichten, Sintern der einzelnen metallisierten rohen (ungebrannten) Schichten und Aneinanderfügen der einzelnen metallisierten und gebrannten Laminate zum Beispiel mit Glas- und Hartlötmaterialien sowie Metallisieren der Oberseite derselben gebildet.
- US-Patent 4 237 522 von David A. Thompson für CHIP PACKAGE WITH HIGH CAPACITANCE, STACKED VLSI/POWER SHEETS EXTENDING THROUGH SLOTS IN SUBSTRATE beschreibt die Verwendung von kapazitiv gekoppelten, isolierten leistungsführenden Schichten, um Leistung von den Busleitungen zu den Chips zu führen. Die isolierten leistungsführenden Schichten sind Dickfilmlaminate mit 254 µm (10 tausendstel Zoll) dicken Leiter- und 12,7 µm (0,5 tausendstel Zoll) dicken dielektrischen Schichten.
- United States Patent 3 949 275 von Wolf-Dieter Muenz für ELECTRIC THIN FILM CIRCUIT AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE offenbart einen Dünnfilmschaltkreis, der einen Dünnfilmkondensator mit einer dielektrischen Schicht zwischen einem Paar von Elektroden aufweist, wobei das Dielektrikum ein natürliches Oxid des Materials ist, das zur Bildung der Elektrode verwendet wird. Die Elektrode wird aus einem ¹¹valve"-Metall gebildet, und die dielektrische Schicht aus einem natürlichen Oxid wird durch Oxidation, d.h. anodisches Oxidieren, einer Oberfläche des Elektrodenmaterials erzeugt.
- United States Patent 3 699 011 von Takeo Nishimura für METHOD OF PRODUCING THIN FILM INTEGRATED CIRCUITS offenbart einen Dünnfilmschaltkreis mit einem direkt unter einem Halbleiter liegenden Dünnfilmkondensator. Der Dünnfilmkondensätor besitzt eine dielektrische Schicht zwischen einem Paar von Elektroden, wobei das Dielektrikum ein natürliches Oxid aus dem Material ist, das zur Bildung der Elektrode verwendet wird. Die Elektrode wird aus einem oxidierbaren Metall, z.B. einem "Valve"- Metall, gebildet, und die dielektrische Schicht aus einem natürlichen Oxid wird durch Oxidation, d.h. anodisches Oxidieren, einer Oberfläche des Elektrodenmaterials erzeugt.
- United States Patent 3 665 346 von William Orr für THIN FILM DISTRIBUTED RC STRUCTURE, eine Abtrennung von United States Patent 3 542 654, offenbart eine Dünnfilm-RC-Schaltkreiskomponente auf einem inerten Substrat und, bestehend aus dem inerten Substrat, einem anodisch oxidierbaren Widerstandsfilm, einem auf dem anodisch oxidierbaren Film erzeugten Dielektrikum aus Oxid und einer leitfähigen Gegenelektrode, die auf der entgegengesetzten Oberfläche des dielektrischen Films erzeugt ist. Der Widerstandsfilm besteht aus einem hochschmelzenden Metall, das leicht anodisch oxidierbar ist, um ein dielektrisches natürliches Oxid zu bilden.
- Die offengelegte europäische Patentanmeldung 0-083-405 von Dudley A. Chance et al. für CHIP CARRIER FOR LARGE SCALE INTEGRATED CIRCUITS AND A METHOD FOR THE FABRICATION OF THE CARRIER, entsprechend dem US-Patent 4 453 176 für LSI CHIP CARRIER WITH BURIED REPAIRABLE CAPACITOR WITH LOW INDUCTANCE LEADS offenbart einen Träger für LSI-Chips, der eine vergrabene Kondensatorstruktur beinhaltet. Wenngleich das exakte Verfahren der Herstellung der Kondensatorstruktur nicht offenbart ist, beinhaltet mindestens eine Elektrodenschicht der Kondensatörstruktur eine Mehrzahl von segmentierten Elektrodenplatten. Jedes der einzelnen Elektrodenplattensegmente ist über einzelne Durchkontaktleitungen, die sich von dem inneren Elektrodensegment zu trennbaren Verbindungen auf der Chipmontageoberfläche des Trägers erstrecken, einzeln. adressierbar. Die einzelnen trennbaren Verbindungen können z.B. durch einen Laser aufgetrennt werden, um ein defektbehaftetes Segment des Kondensators zu reparieren oder zu löschen.
- Die offengelegte europäische Patentanmeldung 0-045-877 offenbart einen gedruckten Schaltkreisträger mit laminierten Keramikschichten zum Tragen von integrierten Halbleiter- Schaltkreischips, der sowohl einen zu jenem der Chips passenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten als auch einen hohen Kapazitätswert besitzt. Der Träger stellt sowohl mechanische als auch elektrische Verbindungen zu dem Chip bereit. Der Träger enthält eine Matrix von Punktkondensatoren, die in einigen Fällen zwischen laminierten Schichten aus keramischem Material gebildet sind, wobei leitfähige Schichten auf der Ober- und der Unterseite eines Dünnfilms aus keramischem Material bereitgestellt sind, in die in einem darin befindlichen Feld von Öffnungen dielektrische Körper verteilt eingefügt sind. Die resultierende keramische dielektrische Kombination weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Silicium-Chips und des Substrates paßt, wodurch die Lötmittelkugelverbindungen zwischen der Zwischenlage und sowohl dem Chip als auch dem Substrat von mechanischer Spannung entlastet werden. Dies minimiert die mechanische Belastung auf die Lötmittelkugelverbindungen während thermischer Durchläufe der Struktur. Alternativ weist ein Feld von keramischen Mehrschicht-Kondensatoren ein Feld von dielektrischen Körpern auf, die innerhalb von Löchern in keramischen Schichten zwischen Kondensatorplatten angeordnet sind, oder es werden gesamte Felder von Kondensatoren in dem Zwischenraum zwischen keramischen Schichten gebildet.
- Zusätzlich zu ihrer Hauptanwendung in einem Chip-Träger gibt es weitere Anwendungen in Chip-Zwischenlagen und diskreten Kondensatoren zur Anbringung auf Chip-Trägern.
- Noch weitere vergrabene Kondensatorstrukturen sind zum Beispiel gezeigt in
- a. Japanische Patentanmeldung 59-233109, eingereicht am 7. November 1984 im Namen von Hitachi Ltd. für SEMICONDUCTOR DEVICE und offengelegt als Kokai 61-112369 am 30. Mai 1986. Diese Anmeldung beschreibt einen Kondensator, der auf der Außenfläche eines Chipträgers aufgebracht ist. Der Kondensator ist über einer Passivierungsschicht aufgebracht und beinhaltet (i) eine Masseschicht aus Aluminium, (II) eine dielektrische Schicht, für die eine Siliciumnitridschicht als Beispiel dient, (iii) eine Leistungsquellenschicht aus Aluminium und (iv) eine isolierende SiO&sub2;- Schicht.
- b. Japanische Patentanmeldung 59-127869, eingereicht am 21. Juni 1984 im Namen von Nippon Denki K.K. für PLUG-IN PACKAGE WITH CAPACITOR und offengelegt als Kokai 61-6846 am 13. Januar 1986. Diese Anmeldung beschreibt die Verwendung eines diskreten internen Kondensator-Chips, um die Leistungsversorgung zu einem auf der Packung angebrachten Chip zu filtern.
- c. Die japanische Patentanmeldung 57-192963, eingereicht am 11. November 1982 im Namen von Matsushita Denshi Kogyo K.K. für PACKAGE FOR SEMICONDUCTOR DEVICE und offengelegt als Kokai 59-82753 am 12. Mai 1984, offenbart eine mikroelektronische Packung, bei welcher sich der Kondensator strukturell und elektrisch zwischen einem eingebetteten Speicherchip und der Masse-Ebene der Packung befindet.
- d. Die japanische Patentanmeldung 57-164460, eingereicht am 21. September 1982 im Namen von Nippon Denki K.K. für SE- MICONDUCTOR INTEGRATED CIRCUIT DEVICE und offengelegt als Kokai 59-54254 am 29. März 1984, offenbart eine mikroelektronische Packung, bei der sich ein in Harz eingebetteter Kondensator strukturell und elektrisch zwischen einem Speicherchip und der Leistungsversorgungsebene der Packung befindet.
- e. Die japanische Patentanmeldung 57-115045, eingereicht am 30. Juni 1982 im Namen von Mitsubishi Denki K.K. für SEMI- CONDUCTOR DEVICE und offengelegt als Kokai 59-5654 am 12. Januar 1984, offenbart einen Kondensator, der sich entweder innerhalb eines Flip-Chip-Substrates oder auf der Oberfläche des Flip-Chips befindet. Der Kondensator ist mit der Leistungsversorgung zu dem Chip parallel geschaltet.
- J.M. Brownlow, STRESS AVOIDANCE IN COFIRED TWO MATERIAL CERA- MICS, IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 22, (9) (Februar 1980), Seiten 4256 bis 4257 beschreibt die Probleme, die aus der Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem strukturellen keramischen Material, das bei der Herstellung der Packung verwendet wird, und den für relativ dicke interne Kondensatoren verwendeten Keramiken mit hoher Kapazität entstehen. Bronlow beschreibt das Problem von hoher mechanischer Spannung und Brechen, das auftritt, wenn erlaubt wird, daß strukturelle keramische Schichten zu Titanat-Dielektrika mit hoher Kapazität sintern. Brownlow offenbart eine Lösung für dieses Problem, bei welcher der Kondensator, d.h. das Titanat und seine Elektroden, gebildet werden, indem zuerst eine Harz- Keramik, z.B. aus einer Emulsion aus Harz und Keramik, gebildet wird und danach mit Siebdruck eine Harz-Metall-Struktur auf die Harz-Keramik-Schichten aufgebracht wird. Eine harzreiche Paste wird dazu verwendet, den Kondensator mechanisch von der monolithischen Packungsstruktur zu isolieren, wodurch thermische Spannungen verhindert werden.
- R.O. Lussow, INTERNAL CAPACITORS AND RESISTORS FOR MULTILAYER CERAMIC MODULES, IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 20, (9) (Februar 1978), Seiten 3436 bis 3437 offenbart die Bildung von vergrabenen internen Kondensatoren durch Aufbringen von rohen (ungebrannten) dielektrischen Pasten in geeignet angeordneten Durchkontaktlöchern und Brennen der rohen (ungebrannten) Pakkung, um kapazitive Elemente zu bilden.
- C.H. Bajorek, D.A. Chance, C.W. Ho und E.E. Shapiro, INTEGRATED, LOW INDUCTANCE, SMALL AREA CAPACITORS FOR VLSI SEMICONDUC- TOR PACKAGES, IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 25, (2) (Juli 1982), Seiten 883 bis 888 beschreibt eine Parallelplatten-Kondensatorstruktur mit niedriger Induktivität für elektronische Packungen. Der Parallelplatten-Kondensator ist in den Figuren 2A und 2D der Veröffentlichung als Teil einer Mehrschicht-Zwischenlage aus Keramik und in den Figuren 28 und 2C der Veröffentlichung als fluchtend innerhalb einer mit Taschen versehenen Packung direkt unter den Halbleiterchips liegend dargestellt.
- Wie oben ersichtlich, lehrt der Stand der Technik verschiedene Verfahren der und Strukturen für die Bereitstellung von Kapazität in mikroelektronischen Packungen. Diese beinhalten vergrabene Dickfilmkondensatoren, oberflächenmontierte Kondensatoren, Oberflächenfilmkondensatoren und diskrete Kondensatoren innerhalb von verschiedenen Vertiefungen, Einsätzen und Hohlräumen. Die Montage von diskreten Kondensatoren innerhalb der Schaltkreispackung erfordert zusätzliche Herstellungsschritte. Außerdem verursacht die Verwendung von diskreten Kondensatoren eine Inflexibilität bei der Bereitstellung von speziellen RC- Zeitkonstanten, Durchlaßbandbreiten, kapazitiver Kopplung und kapazitiver Entkopplung.
- Die Verwendung von Dickfilm-Methoden, d.h. von sukzessivem La minieren und Sintern von verschachtelten Schichten aus einem rohen (ungebrannten) Dielektrikum und einem metällischen Leiter, ist keine insgesamt befriedigende Lösung. Es sind Mehrebenen-Durchkontakte erforderlich. Es ist eine minimale Entwurfssteuerung der Kondensatorparameter, der dielektrischen Dicke und der Elektrodenfläche vorhanden. Außerdem bringen Dickfilm- Heterostrukturen innerhalb der Packung Fehlanpassungen hinsichtlich der thermischen Ausdehnung in strükturelle Packungselemente ein.
- Somit existiert ein klarer Bedarf für ein einfaches Verfahren zur Herstellung von Packungen, das die Fähigkeit bereitstellt, spezielle Werte der Packungskapazität zu erzielen, während die strukturelle, thermische und elektrische Integrität der Packung bewahrt wird.
- Somit besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein einfaches Verfahren zur Herstellung von elektronischen Packungen bereitzustellen, das die Herstellung von internen Kapazitätsmitteln beinhaltet.
- Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht in der Entfernung von passiven Elementen von der Oberfläche der Packung, wodurch der Bruchteil des Oberflächengebiets der Packung, der für logische Schaltkreis-Chips und -Module zur Verfügung steht, erhöht und die Packungsdichte der Packung vergrößert wird.
- Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, spezielle Werte von Packungs- und Schaltkreiskapazität in dem Herstellungsprozeß zu erhalten.
- Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine interne Kapazität zu erhalten, während die strukturelle, thermische und elektrische Integrität der elektronischen Packung bewahrt wird.
- Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Dünnfilm-Verfahrens zur Herstellung von Strukturen mit interner Kapazität in einer elektronischen Packung.
- Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer elektronischen Packung mit einem internen Dünnfilmkondensator.
- Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer elektronischen Packung mit vereinfachten Verdrahtungsstrecken, bei der z.B. die Verdrahtung des Kondensators zu einer aktiven Komponente über eine kleine Anzahl von Durchkontakten und Durchkontaktlöchern verläuft.
- Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Packung, die weniger Durchkontaktlöcher und Lötmittelverbindungen bei gleichzeitiger Reduktion der Bohreinheitsstunden und einer Erhöhung der Produktausbeute und -zuverlässigkeit erfordert.
- Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Leitungsverzögerung durch eine engere Nachbarschaft der Kondensatoren zu den aktiven Komponenten zu reduzieren.
- Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung des internen Dünnfilmkondensators mit Elektroden hoher Leitfähigkeit.
- Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung des internen Dünnfilmkondensators mit einem Dielektrikum von hoher Dielektrizitätskonstante.
- Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer elektronischen Packung mit einem internen Dünnfilmkondensator, der durch Elektroden, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, d.h. eine höhere elektrische Leitfähigkeit als jene Metalle, die ohne weiteres natürliche Oxide mit hoher Dielektrizitätskonstante bilden (wie Y, Ti, Zr, Ta, Hf, Nb, Mo und W), in Kombination mit einem Dünnfilm mit hoher Dielektrizitätskonstante dazwischen charakterisiert ist, d.h. einem Dielektrikum, das eine relative Dielektrizitätskonstante der Größe aufweist, die bisher mit Oxiden von Y, Ti, Bi, Sb, Zr, Ta, Hf, Nb, Mo und W verküpft war.
- Durch das Dünnfilm-Herstellungsverfahren und die elektronische Mehrschicht-Dünnfilm-Schaltkreispackung, wie beansprucht, werden diese Aufgaben gelöst und die Unzulänglichkeiten des Standes der Technik vermieden.
- Mit "elektronischen Dünnfilm-Schaltkreispackungen" sind elektronische Schaltkreispackungen mit einem oder mehreren internen Dünnfilmkondensatoren gemeint. Mit "internen Kondensatoren" sind Kondensatoren innerhalb der elektronischen Schaltkreispakkung mit mindestens einer Elektrodenoberfläche derselben gemeint, die nur mittels Durchkontakten oder Durchkontaktlöchern zugänglich ist. Mit "Dünnfilmkondensatoren" sind Kondensatoren gemeint, bei denen eine oder beide Elektroden des Kondensators eine Dicke von weniger als etwa 100 Mikrometer aufweisen können, die dielektrische Schicht des Kondensators eine Dicke von weniger als etwa 12 Mikrometer besitzt und die dielektrische Schicht durch Dünnfilm-Depositionsverfahren gebildet wird. Mit "Dünnfilm-Depositionsverfahren" sind jene epitaxialen Herstel- lungsverfahren gemeint, die auf dem Fachgebiet der elektronischen Herstellung von Dünnfilmbauelementen verwendet werden und Aufdampfung, chemische Gasphasenabscheidung, plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung, Teilchenstrahlepitaxie, Sputtern, Co-Sputtern, reaktives Sputtern und dergleichen beinhalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind&sub4; Diese epitaxialen Verfahren sind von der Oxidation der darunterliegenden Elektrodenstruktur zur Bildung von Dielektrika aus natürlichem Oxid zu unterscheiden.
- Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine erste leitfähige Ebene als eine Signalebene oder ein Signalkern oder eine leistungsführende Ebene oder ein leistungsführender Kern, einschließlich einer Masseebene oder eines Massekerns, zur Verwendung als Kondensatorelektrode schaltungselementbildend strukturiert. Danach wird ein Dünnfilmdielektrikum durch Dünnfilmverfahren, wie zum Beispiel chemische Gasphasenabscheidung, Teilchenstrahlepitaxie, Sputtern, reaktives Sputtern oder reaktives Co-Sputtern, darauf aufgebracht. Das Verfahren zur Bildung des Dünnfilmdielektrikums ist vorzugsweise eine epitaxiale Deposition anstelle einer anodischen Oxidation des darunterliegenden Elektrodenmaterials. Ein Dünnfilm aus einem leitfähigen Material wird über dem Dünnfilmdielektrikum aufgebracht, wie zum Beispiel eine gesputterte Dünnfilmschicht aus Kupfer. Der Dünnfilm aus leitfähigem Material kann mittels Sputtern durch eine Maske hindurch strukturiert werden, oder er kann mittels Photolithographie und Ätzen strukturiert werden. Danach können weitere Schichten aus einem Dielektrikum, einem Leiter oder beidem über dem Dünnfilmkondensator aufgebracht werden, um die zusammengesetzte Laminat-Schaltkreispackung zu bilden. Typischerweise werden die Kondensatoren über Durchkontakte oder Durchkontaktlöcher verdrahtet.
- Gemäß der offenbarten Erfindung können die leitfähigen Elemen te, z.B. die Signalkerne oder -ebenen, die leistungsführenden Kerne oder Ebenen und die Massekerne oder -ebenen, entweder aus metallischen Leitern oder aus leitfähigen Polymeren gebildet werden. Am häufigsten werden sie aus metallischen Leitern gebildet, wie metallischen Dünnfilmleitern, metallischen Dickfilmleitern oder Leitern aus metallischer Folie. Wenn die Leiter, wie die Signalkerne und die Masse- und leistungsführenden Kerne, metallisch sind, wird der metallische Leiter am häufigsten aus der Gruppe ausgewählt, die aus Al und den Metallen der Gruppe IB des Periodensystems, Cu, Ag und Au, besteht. Besonders bevorzugt ist Cu. Cu ist aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit bevorzugt, insbesondere im Vergleich zu jenen Metallen, die leicht stabile natürliche Oxide bilden, wie Ti, Ta, Zr, Hf, W und Mo. Im allgemeinen ist der metallische Leiter etwa 10 nm bis etwa 100 µm dick.
- Das Dielektrikum ist ein Dünnfilm, wobei seine Dicke durch die Beziehung
- C = ε S/d
- bestimmt ist, wobei C die gewünschte Kapazität ist; ε Epsilon, die dielektrische Permittivität des dieelektrischen Dünnfilms; S die Überlappungsfläche der zwei Elektroden ist; und d der Abstand zwischen den zwei Elektroden ist, der ungefähr gleich der Dicke des dielektrischen Dünnfilms ist. Der Dünnfilm aus dielektrischem Material ist vorzugsweise etwa 10 nm bis etwa 10 um dick.
- Um die Kapazität präzise zu steuern, muß die Dicke d des Dielektrikums präzise gesteuert werden. Gemäß der Erfindung wird die erforderliche präzise Dickensteuerung durch die Verwendung von steuerbaren Dünnfilm-Herstellungsverfahren erzielt. Dies kann durch Vakuumdeposition des Dielektrikums im Unterschied zur anodischen Oxidation einer darunterliegenden Elektrode aus "Valve"-Metall zur Bildung eines natürlichen Oxides aus demselben ausgeführt werden. Der -im Vakuum aufgebrachte Dünnfilm aus dielektrischem Material ist ein epitaxialer Dünnfilm oder ein reaktiv gesputterter Dünnfilm.
- Es können verschiedene dielektrische Materialien verwendet werden, um den dielektrischen Dünnfilm des Kondensators zu bilden. Diese umfassen organische Polymere, wie Polyimide und Polyfluorkohlenstoffe, ebenso wie anorganische Materialien. Eine Klasse von exemplarischen, sputterbaren Dielektrika sind Keramiken. Eine exemplarische Klasse von Keramiken sind jene, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Calciumtitanat, Bariumtitanat, Aluminiumoxid, Berylliumoxid und Aluminiumnitrid besteht.
- Die elektronischen Schaltkreispackungen beinhalten mindestens einen leistungsführenden Kern oder eine leistungsführende Ebene, einen Massekern oder eine Masseebene, einen ersten Signalkern oder eine erste Signalebene, einen zweiten Signalkern oder eine zweite Signalebene sowie den integralen vergrabenen Dünnfilmkondensator, der wie oben beschrieben hergestellt wird. Der integrale vergrabene Dünnfilmkondensator dient dazu, den ersten und den zweiten Signalkern kapazitiv zu koppeln oder zu entkoppeln. Strukturell beinhaltet der erste Signalkern mindestens einen ersten Draht, der in mindestens einer ersten Elektrode endet, während der zweite Signalkern mindestens einen zweiten Draht beinhaltet, der in mindestens einer zweiten Elektrode endet. Wenigstens ein Teil der ersten Elektrode überlappt mit wenigstens einem Teil der zweiten Elektrode und ist von demselben durch den Dünnfilm aus einem dielektrischen Material getrennt. Die erste Elektrode, die zweite Elektrode und der Dünnfilm aus dielektrischem Material definieren den integralen vergrabenen Dünnfilmkondensator
- Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt einer der seriell mit dem Dünnfilmkondensator verbundenen Signalkerne auf Massepotential. Alternativ kann einer der seriell mit dem Dünnfilmkondensator verbundenen Signalkerne auf Leistungsversorgungspotential liegen.
- In einem speziell bevorzugten Ausführungsbeispiel beinhaltet die Schaltkreispackung, die, wie vorstehend beschrieben, eine Schaltungskarte oder eine Leiterplatte sein kann:
- (a). Einen ersten Signalkern, der mindestens einen ersten Dünnfilmkupferdraht beinhaltet, der in mindestens einer ersten Kupferelektrode endet.
- (b). Einen zweiten Signalkern, der mindestens einen zweiten Dünnfilmkupferdraht beinhaltet, der in mindestens einer zweiten Elektrode endet. Wenigstens ein Teil der ersten Kupferelektrode überlappt mit wenigstens einem Teil der zweiten Kupferelektrode, wobei die Überlappung aus dem vorstehend definierten Oberflächengebiet S besteht.
- (c). Einen reaktiv gesputterten Dünnfilm aus einem dielektrischen Material zwischen der ersten Kupferelektrode und der zweiten Kupferelektrode. Die Dicke des Dielektrikums ist die vorstehend definierte Dicke d.
- Die erste Elektrode, die zweite Elektrode und der Dünnfilm aus dielektrischem Material definieren einen integralen, vergrabenen Dünnfilmkondensator innerhalb der Mehrschicht-Schaltungskarte.
- Die Erfindung stellt eine elektronische Packung mit einem internen Dünnfilmkondensator und ein einfaches Herstellungsverfahren für elektronische Packungen für die internen Dünnfilm- Kapazitätsmittel mit der Fähigkeit bereit, spezielle Werte der Packungskapazität zu erhalten, während die strukturelle, thermische und elektrische Integrität der elektronischen Packung bewahrt wird. Die elektronische Packung der Erfindung weist vereinfachte Verdrahtungsstrecken auf, bei denen z.B. die Verdrahtung von Kondensator zu aktiver Kgmponente über eine kleine Anzahl von Durchkontakten oder Durchkontaktlöchern verläuft. Dies führt nicht nur zu einem vergrößerten Oberflächengebiet, das für aktive Bauelemente mit höheren Zwischenverbindungsdichten, weniger Durchkontakten oder Durchkontaktlöchern und Lötmittelverbindungen mit gleichzeitigen Verringerungen der Bohreinheitsstunden und Erhöhungen der Produktausbeute und - zuverlässigkeit zur Verfügung steht, sondern auch zu einer reduzierten Leitungsverzögerung durch eine engere Nachbarschaft der Dünnfilmkondensatoren zu den aktiven Komponenten.
- Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen ist im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben, in denen:
- FIG. 1 ein vereinfachtes Flußdiagramm des Verfahrens der Erfindung ist;
- FIG. 2 eine perspektivische Phantomansicht einer Schaltkreispackung der Erfindung ist;
- FIG. 3 eine Querschnittszeichnung einer Schaltkreispackung ist, die wie in dem BEISPIEL beschrieben hergestellt ist und zwei vergrabene Dünnfilmkondensatoren der Erfindung aufweist.
- In FIG 1 ist ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt. Das Verfahren der Erfindung fügt Schritte zur Herstellung von Kondensatoren in die allgemeinen Fertigungsschritte für elektronische Packungen ein. Die allgemeinen Fertigungsprozesse für elektronische Packungen sind zum Beispiel in Donald P. Seraphin, Ronald Lasky und Che-Yo Li, Principles of Electronic Packaging, Mcgraw-Hill Book Company, New York, New York, (1988) und Rao R. Tummala und Eugene J. Rymaszewski, Microelectronic Packaging Handbook, Van Nostrand Reinhold, New York, New York (1988) beschrieben, die beide hiermit durch Verweis hierin aufgenommen sind.
- Ein vorbereitender Schritt bei der Herstellung des vergrabenen Dünnfilmkondensators ist die schaltungselementbildende Strukturierung einer ersten leitfähigen Ebene. Dieser Schritt der schaltungselementbildenden Strukturierung ist in Block 10 von FIG. 1 gezeigt. Die erste leitfähige Ebene kann eine Signalebene oder ein Signalkern, eine Masseebene oder ein Massekern oder eine leistungsführende Ebene oder ein leistungsführender Kern sein. Bereiche der/des schaltungselementbildend strukturierten ersten leitfähigen Ebene oder Kerns bilden einen ersten Elektrodenbereich des Kondensators.
- Darauffolgend wird ein Dünnfilmdielektrikum über der ersten leitfähigen Ebene aufgebracht, wie in Block 20 von FIG. 1 gezeigt. Dieser dielektrische Film wird durch Dünnfilm-Epitaxieverfahren im Unterschied zu anodischen Oxidationsverfahren aufgebracht. Exemplarische Dünnfilm-Epitaxieverfahren zur Deposition des dielektrischen Dünnfilms umfassen Aufdampfung; chemische Gasphasenabscheidung; plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung, wie Glimmentladungs-Plasmadeposition und Mikrowellen-Plasmadeposition; Teilchenstrahlepitaxie und Sputtern. Exemplarische Verfahren zum Sputtern umfassen z.B. einfaches Sputtern, bei dem Atome des Targetmaterials auf dem Substrat abgeschieden werden; Co-Sputtern, bei dem Atome des Targetmaterials von zwei oder mehr verschiedenen Targets gleichzeitig oder sequentiell auf einem Substrat abgeschieden werden; reaktives Sputtern, bei dem ein Reaktionsprodukt des Substrates und einer gasförmigen Komponente, die während des Sputterns vorhanden ist, abgeschieden wird; und reaktives Co- Sputtern, bei dem das Reaktionsprodukt oder die Reaktionsprodukte der Materialien in dem Sputtertarget oder den Sputtertargets und der gasförmigen Komponente auf dem Substrat abgeschieden werden.
- Danach wird, wie in Block 30 von FIG. 1 gezeigt, ein zweiter Dünnfilm aus einem leitfähigen Material über dem Dünnfilmdielektrikum aufgebracht. Dieser zweite leitfähige Film kann aus einer gesputterten Dünnfilm-Kupferschicht bestehen.
- Die schaltungselementbildend strukturierenden Schritte, die durch die Blöcke 10 und 30 von FIG. 1 dargestellt sind, können durch verschiedene Verfahren ausgeführt werden. Zum Beispiel können die Dünnfilme aus leitfähigem Material, d.h. der erste und der zweite Dünnfilm aus leitfähigem Material, mittels Sputtern durch eine Maske hindurch schaltungselementbildend behandelt, d.h. strukturiert, werden. Alternativ können die Schichten durch herkömmliche Photolithographie und Ätzen, z.B. Naßätzen oder Trockenätzen, strukturiert werden. Daraufhin können weitere Schichten aus einem Dielektrikum, einem Leiter oder beidem über dem Dünnfilmkondensator aufgebracht werden, um die zusammengesetzte Laminat-Schaltkreispackung zu bilden. Typischerweise werden die Kondensatoren über Durchkontakte oder Durchkontaktlöcher in darunter und darüber liegenden Schichten verdrahtet.
- Wenngleich das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung unter Bezugnähme auf leitfähige Kupferkerne und -ebenen beschrieben und dargestellt sind, versteht es sich, daß die leitfähigen Elemente entweder aus metallischen Leitern oder aus leitfähigen Polymeren gebildet sein können. Am häufigsten bestehen die leitfähigen Kerne und Ebenen aus metallischen Leitern, wie metallischen Dünnfilmleitern, metallischen Dickfilmleitern oder Leitern aus metallischen Folien. Wenn die Leiter, wie die Signalkerne, der Masse- und der leistunqsführende Kern, metallisch sind, wird der metallische Leiter am häufigsten aus der Gruppe ausgewählt, die aus Cu, Al und Ag besteht. Besonders bevorzugt ist Cu. Cu ist aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit bevorzugt, insbesondere im Vergleich zu jenen Materialien, die anodisch oxidiert werden können, um ein Dielektrikum aus natürlichem Oxid zu bilden, d.h. "Valve"-Metallen. Im allgemeinen ist der metallische Leiter ein metallischer Dünnfilmleiter, z.B. mit einer Dicke von etwa 10 nm bis etwa 100 µm.
- Das Verfahren der Erfindung erlaubt eine prazise Steuerung der Dicke des dielektrischen Dünnfilms während des Depositionsschrittes von Block 20 von FIG. 1. Die Entwurfsdicke des dielektrischen Dünnfilms ist durch die Beziehung
- C = ε S/d
- bestimmt, wobei C die gewünschte Kapazität ist; ε Epsilon, die dielektrische Permittivität des dielektrischen Dünnfilms ist; S das Überlappungsgebiet der zwei Elektroden ist; und d der Abstand zwischen den zwei Elektroden ist. Der Abstand d ist ungefähr gleich der Dicke des dielektrischen Dünnfilms. Eine präzise Steuerung des Abstands d, wie er hergestellt wird, ist eine Funktion des Depositionsprozesses.
- Um die Kapazität präzise zu steuern, muß die Dicke d des Dielektrikums gleichfalls präzise gesteuert werden. Gemäß der Erfindung wird die erforderliche präzise Dickensteuerung durch die Verwendung einer Methode zur Herstellung von epitaxialen Dünnfilmen erzielt. Dies kann durch Vakuumdeposition des Dielektrikums ausgeführt werden. Der durch Vakuumdeposition aufgebrachte Dünnfilm aus dielektrischem Material kann beispielsweise ein gesputterter Dünnfilm sein, z.B. ein reaktiv gesputterter Dünnfilm. In dieser Hinsicht liegen Sputterdepositionsraten typischerweise in der Größenordnung von etwa 0,05 nm pro Sekunde bis 4 nm pro Sekunde, wobei Sputterzeit und -potential präzise steuerbar sind. Der Dünnfilm aus dielektrischem Material ist vorzugsweise etwa 10 nm bis etwa 10 µm dick.
- Der Quotient S/d der Kondensatorfläche dividiert durch den Elektrodenabstand des Kondensators ist durch die gewünschten Schaltkreischarakteristika der elektronischen Packung bestimmt, wobei spezifische Werte für die Kondensatorfläche 5 und den Elektrodenabstand d durch thermische, mechanische, Verdrahtbarkeits- und Herstellbarkeitsüberlegungen bestimmt sind. Die Gestalt des Kondensators ist für die Erfindung nicht entscheidend und wird typischerweise durch solche Faktoren wie elektromagnetische Induktion zwischen Drähten, Herstellbarkeit und die Positionen von Durchkontakten und Durchkontaktlöchern bestimmt. Der Kondensator kann zum Beispiel kreisförmig, rechteckig oder sogar schlangenförmig sein.
- Zur Bildung des dielektrischen Dünnfilms des Kondensators können verschiedene dielektrische Materialien verwendet werden. Diese Dielektrika umfassen organische Polymere, wie Polyimide und Polyfluorkohlenstoffe, ebenso wie anorganische Materialien. Eine Klasse von exemplarischen, sputterbaren Dielektrika sind jene, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Calciumtitanat, Bariumtitanat, Aluminiumoxid, Berylliumoxid und Aluminiumnitrid besteht. Materialien wie Calciumtitanat und Bariumtitanat werden typischerweise von einem Mehrkomponenten-Sputtertarget gesputtert oder von separaten Targets in Anwesenheit von Sauerstoff reaktiv co-gesputtert. Materialien wie Berylliumoxid und Aluminiumnitrid werden typischerweise von einem Mehrkomponenten-Sputtertarget gesputtert oder reaktiv von zum Beispiel einem Beryllium-Sputtertarget in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre oder einem Aluminium-Sputtertarget in einem stickstoffhaltigen Gas gesputtert.
- Eine epitaxiale Deposition und ein epitaxiales Aufwachsen eines Materials mit einer hohen Dielektrizitätskonstante auf Elektroden mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit erlaubt eine Anpassung von Elektroden mit hoher Leitfähigkeit, wie Cu-, Ag-, Au- oder Al-Elektroden&sub1; an Dielektrika mit hoher Dielektrizitätskonstante, wie Oxide von z.B. Y, Ti, Bi, Sb, Zr, Ta, Hf, Nb, Mo und W. Auf diese Weise erlaubt ein epitaxiales Aufwachsen des dielektrischen Dünnfilms den Entwurf und die Herstellung von elektronischen Packungen mit internen Dünnfilmkondensatoren, die charakterisiert sind durch (1) Elektroden mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, d.h. einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als jene Metalle, die leicht natürliche Oxide mit hoher Dielektrizitätskonstante bilden (wie Y, Ti, Zr, Ta, Hf, Nb, Mo und W), (2) in Kombination mit Dünnfilmen mit hoher Dielektrizitätskonstante dazwischen, d.h. Dielektrika mit relativen Dielektrizitätskonstanten der bisher mit Oxiden von Y, Ti, Bi, Sb, Zr, Ta, Hf, Nb, No und W verknüpften Höhe.
- Eine elektronische Schaltkreispackung 1011 der vergrabene Dünnfilmkondensator 141, zusätzliche Kerne 201 und 211 sowie ein Chip 235 sind in einer vereinfachten Phantomansicht in FIG. 2 gezeigt. Diese elektronische Schaltkreispackung beinhaltet mindestens einen leistungsführenden Kern oder eine leistungsführende Ebene 111a, einen Massekern oder eine Masseebene ilib, einen ersten Signalkern oder eine erste Signalebene 121, einen zweiten Signalkern oder eine zweite Signalebene 131 und den integralen, vergrabenen Dünnfilmkondensator 141. Der Dünnfilmkondensator 141 wird wie oben beschrieben hergestellt. Der integrale, vergrabene Dünnfilmkondensator 141 koppelt oder entkoppelt zum Beispiel den ersten 121 und den zweiten 131 Signalkern kapazitiv. Strukturell beinhaltet der erste Signalkern 121 mindestens einen ersten Draht 123, der in mindestens einer ersten Elektrode 125 endet, während der zweite Signalkern 131 mindestens einen zweiten Draht 133 beinhaltet, der in mindestens einer zweiten Elektrode 135 endet. Wenigstens ein Teil der ersten Elektrode 125 überlappt mit wenigstens einem Teil der zweiten Elektrode 135 und ist von demselben durch einen Dünnfilm 151 aus einem dielektrischen Material getrennt.
- Die erste Elektrode 125, die zweite Elektrode 135 und der Dünnfilm 151 aus dielektrischem Material definieren den integralen vergrabenen Dünnfilmkondensator 141 der Erfindung.
- Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt einer der seriell mit dem Dünnfilmkondensator 141 verbundenen Signalkerne 121 oder 131 auf Massepotential. Alternativ kann einer der seriell mit dem Dünnfilmkondensator 141 verbundenen Signalkerne 121 oder 131 auf Leistungsversorgungspotential liegen. Der Dünnfilmkondensator 141 der Erfindung ist über Durchkontakte 221 seriell mit weiteren Ebenen der Schaltkreispackung verbunden.
- In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Schaltkreispackung 101 eine Schaltungskarte oder eine Leiterplatte sein, wie vorstehend beschrieben. Die Schaltkreispackung beinhaltet:
- (a) . Einen ersten Signalkern 121, der mindestens einen ersten Dünnfilm-Kupferdraht 123 beinhaltet, z.B. einen Kupferdraht mit einer Dicke von etwa 12 um bis etwa 100 µm, der in mindestens einer ersten Kupferelektrode 125 endet, die ebenfalls etwa 12 µm bis etwa 100 µm dick ist.
- (b) . Einen zweiten Signalkern 131, der mindestens einen zweiten Dünnfilm-Kupferdraht 133 beinhaltet, der von etwa 10 nm bis etwa 100 µm dick ist und allgemein von etwa 3 um bis etwa 100 µm dick ist und in mindestens einer zweiten Elektrode 135 endet, die ebenfalls von etwa 10 nm bis etwa 100 µm dick ist und allgemein von etwa 3 µm bis etwa 100 µm dick ist.
- Wenigstens ein Teil der ersten Kupferelektrode 125 überlappt mit wenigstens einem Teil der zweiten Kupferelektrode 135, wobei die Überlappung aus dem vorstehend definierten Oberflächengebiet 5 besteht.
- Es ist zu erwähnen, daß eine von der ersten Elektrode 125 oder der zweiten Elektrode 135 auf dem Eingangspotential, d.h. als eine leistungsführende Ebene, oder auf Massepotential liegen kann, d.h. als eine Masseebene.
- (c) . Einen reaktiv gesputterten epitaxialen Dünnfilm 151 aus einem dielektrischen Material zwischen der ersten Kupferelektrode 125 und der zweiten Kupferelektrode 135. Die Dicke d des dielektrischen Dünnfilms 151 ist durch die Dielektrizitätskonstante des Materials, die Fläche S und die gewünschte Kapazität C des Kondensators 141 bestimmt. Die resultierende Dicke des Dielektrikums 151 ist die vorstehend definierte Dicke d. Die Dicke d des dielektrischen Dünnfilms 151 beträgt allgemein von etwa 10 nm bis etwa 10 µm.
- Die erste Elektrode 125, die zweite Elektrode 135 und der Dünnfilm 151 aus dielektrischem Material definieren einen integralen, vergrabenen Dünnfilmkondensator 141 innerhalb der Mehrschicht-Schaltkreispackung 101.
- Die Erfindung wird des weiteren unter Bezugnahme auf das Beispiel unten verständlich.
- Es wurde die in FIG. 3 gezeigte elektronische Prototyp-Packung herstellt. Der Signal-/Leistungskern 302a wurde durch Laminieren einer 36 um (1 oz) dicken Kupferfolie 311a und einer 18 µm (0,5 oz) dicken Kupferfolie 325b mit einem dielektrischen Material aus Teflon 305b gebildet. Die Ebene 311a und die Ebene 325b wurden durch herkömmliche Photolithographiemittel für gedruckte Leiterplatten schaltungselementbildend strukturiert, um die endgültige leistungsführende Ebene 311a und eine endgültige Signal-/Kondensator-Elektrodenebene 325b zu bilden.
- Nach der schaltungselementbildenden Strukturierung wurde ein Dünnfilm 351b aus Bariumtitanat BaTiO3 über die erste Signal/Kondensatorelektrode 325b gesputtert. Dieser Dünnfilm war ungefähr 100 nm dick. Danach wurde eine zweite Kondensatorelektrode durch Sputter-Kristallkeimbildung einer Kupferschicht 335b auf den dielektrischen Dünnfilm 351b und anschließendes Aufbringen von zusätzlichem Kupfer durch saure Kupferplattierung mit einer Gesamtdicke von 18 µm (0,5 oz) gebildet. Die zweite Kondensatorelektrodenebene 335b wurde strukturiert, um die zweite Elektrode mit Erstreckung zu einer Anschlußfläche zu bilden, die eine Verbindung zu dem Durchkontakt 321b herstellt. Die erste Signalebenenelektrode 325b, der dielektrische Dünnfilm 351b und die zweite Kondensatorelektrodenebene 335b definieren einen ersten Kondensator.
- Ein zweiter interner Dünnfilmkondensator wurde durch die gleichen Mittel, die zur Bildung der ersten Kondensatorschicht verwendet wurden, in der elektronischen Schaltkreispackung 301 gebildet. Ein Signal-/Leistungskern 302b wurde durch Laminieren einer Kupferfolie 311b von 1 oz und einer Schicht 335a aus Kupferfolie von 0,5 oz mit einem dielektrischen Material 305d aus Teflon gebildet. Der Signal-/Leistungskern 302b wurde schaltungselementbildend strukturiert, um eine zweite leistungsführende Ebene 311b und eine zweite Signalebene 335a zu bilden, einschließlich einer ersten Kondensatorelektrode.
- Nach der schaltungselementbildenden Strukturierung wurde ein Dünnfilm 351a aus Bariumtitanat BaTiO3 auf die zweite Signalebene 335a gesputtert. Dieser Dünnfilm 351a war ebenfalls ungefähr 100 nm dick. Danach wurde die zweite Kondensatorelektrode 325a für die zweite Kondensatorschicht durch Sputter- Kristallkeimbildung eines Dünnfilms aus Kupfer und elektrolytisches Plattieren von Kupfer mit einer Gesamtdicke von 18 um gebildet. Die Ebene 325a wurde strukturiert, um die zweite Kondensatorelektrode für die zweite Kondensatorebene zu bilden. Die zweite Signalebene/-elektrode 335a, der dielektrische Dünnfilm 351a und die zweite Kondensatorelektrode 325a definieren einen zweiten internen Dünnfilmkondensator. Dieser zweite interne Dünnfilmkondensator endet in Durchkontakten, die in der Ebene von FIG. 3 nicht dargestellt sind.
- Das Mehrschicht-Laminat mit zwei (2) internen Kondensatorschichten wurde durch Zusammenlaminieren der vollständigen Struktur in der Sequenz fertiggestellt, die von unten nach oben wie folgt dargestellt und beschrieben ist: 18 um (0,5 oz) dicke Kupferfohe 303b, dielektrisches Material 305a aus Teflon, erster Leistungs/Signal/Kondensatorkern 302a, eine zweite dielektrische Schicht 305e aus Teflon und eine obere 18 µm (0,5 oz) dicke Kupferfohe 303a. Dann wurden Durchkontakte 321a und 321b in das Mehrschicht-Laminat gebohrt. Daraufhin wurde elektrolytisch plattiertes Kupfer auf der Oberfläche des Laminates ebenso wie in den Durchkontakten 321a und 321b abgeschieden, um die internen Kondensatoren mit der Laminat-oberfläche zu verbinden.
- Die Außenseiten des Mehrschicht-Laminates wurden dann strukturiert, um eine dritte Signal-/Komponenten-Montageebene 303a und eine vierte Signal-/Komponenten-Montageebene 303b zu bilden.
Claims (9)
1. Mikroelektronische Mehrschicht-Schaltkreispackung mit:
(1) einem integralen, vergrabenen Dünnfilmkondensator,
der beinhaltet:
(a) einen ersten Signalkern, der wenigstens einen
ersten Dünnfilmkupferdraht mit wenigstens einer
ersten Dünnfilmkupferelektrode beinhaltet;
(b) einen zweiten Signalkern, der wenigstens einen
zweiten Dünnfilmkupferdraht mit wenigstens einer
zweiten Dünnfilmkupferelektrode beinhaltet,
wobei wenigstens ein Teil der ersten
Dünnfilmkupferelektrode über wenigstens einem Teil der
zweiten Dünnfilmkupferelektrode liegt, und
(c) einen epitaxialen Dünnfilm aus dielektrischem
Material zwischen der ersten Kupferelektrode und
der zweiten Kupferelektrode; wobei die erste
Dünnfilmkupferelektrode, die zweite
Dünnfilmkupferelektrode und der Dünnfilm aus dielektrischem
Material den integralen, vergrabenen Dünnfilm
kondensator definieren, der die
Dünnfilmsignalkerne innerhalb der
Mehrschicht-Schaltkreispackung kapazitiv koppelt; und
(2) einem integrierten Schaltkreischip, der auf der
Mehrschicht-Schaltkreispackung vorgesehen und mit den
kapazitiv gekoppelten Dünnfilmsignalkernen elektrisch
verbunden ist.
2. Mikroelektronische Mehrschicht-Schaltkreispackung nach
Anspruch 1, wobei einer der Dünnfilmsignalkerne auf
Massepotential liegt.
3. Mikroelektronische Mehrschicht-Schaltkreispackung nach
Anspruch 1 oder 2, Wobei das Filmdielektrikum eine Keramik
ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus
Calciumtitanat, Bariumtitanat, Aluminiumoxid, Berylliumoxid und
Aluminiumnitrid besteht.
4. Mikroelektronische Mehrschicht-Schaltkreispackung nach
Anspruch 3, wobei das keramische Dünnfilmdielektrikum aus
einer reaktiv gesputterten Keramik besteht.
5. Mikroelektronische Mehrschicht-Schaltkreispackung mit:
(1) einem integralen, vergrabenen Dünnfilmkondensator,
der beinhaltet:
(a) einen ersten Signalkern, der wenigstens einen
ersten Dünnfilmkupferdraht mit wenigstens einer
ersten Dünnfilmkupferelektrode beinhaltet;
(b) einen zweiten Signalkern, der wenigstens einen
zweiten Dünnfilmkupferdraht mit wenigstens einer
zweiten Dünnfilmkupferelektrode beinhaltet,
wobei wenigstens ein Teil der ersten
Dünnfilmkupferelektrode über wenigstens einem Teil der
zweiten Dünnfilmkupferelektrode liegt; und
(c) einen Dünnfilm aus einem dielektrischen Material
zwischen der ersten Kupferelektrode und der
zweiten Kupferelektrode, wobei der Dünnfilm aus
einem dielektrischen Material ein reaktiv
gesputterter Dünnfilm aus einem keramischen
Dielektrikum ist, das aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus Calciumtitanat, Bariumtitanat,
Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid besteht;
wobei einer der Dünnfilmkupfersignalkerne auf
Massepotential liegt;
wobei die erste Dünnfilmkupferelektrode, die zweite
Dünnfilmkupferelektrode und der Dünnfilm aus
dielektrischem Material den integralen, vergrabenen
Dünnfilmkondensator definieren, der die
Dünnfilmsignalkerne innerhalb der Mehrschicht-Schaltkreispackung
kapazitiv koppelt; und
(2) einem integrierten Schaltkreischip, der an die
Mehrschicht-Schaltkreispackung gebondet und mit einem der
kapazitiv gekoppelten Dünnfilmsignalkerne elektrisch
verbunden ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer
Mehrschicht-Schaltkreispackung, die einen ersten Signalkern, einen zweiten
Signalkern und integrale, vergrabene
Dünnfilmkondensatormittel beinhaltet, die den ersten und den zweiten Signalkern
kapazitiv koppeln, wobei das Verfahren umfaßt:
(a) schaltungselementbildendes Strukturieren des ersten
Signalkerns auf einem dielektrischen Substrat, um
eine Elektrode zu bilden;
(b) reaktives Sputtern eines Dünnfilms aus einem
Dielektrikum, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus
Calciumtitanat, Bariumtitanat, Aluminiumoxid,
Berylliumoxid und Aluminiumnitrid besteht, auf die
Oberseite
der Elektrode des schaltungselementbildend
strukturierten ersten Signalkerns; und
(c) schaltungselementbildendes Strukturieren des zweiten
Signalkerns auf der Oberseite des Dünnfilms aus einem
Dielektrikum, um eine Elektrode darauf zu bilden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, welches das Bilden des ersten
und des zweiten Signalkerns aus einem metallischen Leiter
beinhaltet, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cu,
Al und Ag besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 6, welches das Bilden des ersten
und des zweiten Signalkerns aus Cu umfaßt.
9. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 6
bis 8, welches das Aufbringen des ersten Leiters mit einer
Elektrodendicke von etwa 10 nm bis etwa 100 µm umfaßt.
Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 6
bis 9, welches das Aufbringen des dielektrischen Dünnfilms
mit einer Dicke von etwa 10 nm bis etwa 10 µm umfaßt.
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