TW557463B - Formation of an embedded capacitor plane using a thin polyimide dielectric - Google Patents

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五、發明説明（1 發明背景 =明關係聚合物電容器。具體而言，本發明關於嵌入 路板或其他微電子裝置的聚合物電容器。該電容 ^括-對各由介電層隔離的平行導電_。各導電簿二 :::層在其表面’及該介電層相互黏結。該電容器具有極 佳空隙抵抗性。 有枉

• iLMJLMMJL 電容器是-種裝置用來？|人電容至—電路，及主要 =電能、阻止直流電流流動、或容許交流電流流動。電 合态包括-介電材料夹在二導電金屬層之間，例如銅箔。 總之’介電材料經由層壓或蒸汽沉積形成一黏著層轉合導 ，金厲層。美國專利5，155,655揭露—種方法用於形成—電 容器，其中一單一介電材料薄片與二導電落層壓一起。欲 改善電容器的效能’重點在於使用具有良好材料性能的介 電材料，具有諸如優越的黏著性、高介電強度及良好彈性 的品質。 電容器是印刷電路板及其他微電子裝置的通用元件。不 論為電路板上的分立元件或嵌入電路板内，電容器均為電 連接。較佳的選擇為，形成具有嵌入電容器的印刷電路板 ，以擴大電路板的表面積以用於其他目的。電容器的電容 主要根據電谷器層的形狀及尺寸及絕緣材料的介電常數而 定。本技藝中已知有許多不同的介電材料。例如，介電材 料可為氣體（如空氣）、真空、液體、固體或其組合。各材料 557463 A7

有其固有特性。 在形成用於印刷雷 胥路板的電容器中，已使用一種諸如玻 璃強化聚合物处人4丄，， 〜"材料的介電材料。不過，這種型式的電 容器效能受到一此按上人 二请如介電材料最小厚度限制的因素限制 因而減y電谷器的彈性及可獲得的電容、金屬謂的黏合 力：效：V致低介電常數及不良的介電強度。 最好疋靶形成一用於電路板的電容器，該電路板具有高 ::電㊉數及極薄的介電材料層，目而增加電容器的電容及 彈& °不過’廷種極薄介電層相關的共同問題常為層中形 成U、屈二隙或其他結構瑕疵。例如，美國專利5,16丨，⑽6提 ^具有單一介電材料薄片介於二導電箔之間的電容器層 壓°故種型式的介電層極易形成孔隙，及耗費時間偵測及 墙正。 本發明提供一電容器以解決先前技藝的問題。本發明的 電容器包括一對導電箔、一對薄介電層、其中各導電箔的 表面上具有一介電層。二導電箔一起壓製，致使介電層互 相黏結形成單一同質的介電層。由於使用二介電層，任何 一介電層上發生的結構空隙可在另一介電層接合後覆蓋。 二介電層中各層之空隙與另一層空隙重疊的捭率微乎其微 。如此增加電容器的可靠性及物理強度及消除一裂縫製造 源。同時，薄介電層容許電容器具有較高電容、較大熱傳 導率及較大彈性。絕緣介電層最好包括一熱塑性聚合物或 熱固性聚合物具有高介電常數、高熱應力抵抗性及低水分 吸收。總之，這些因素提供超越先前技藝電容器及印刷電 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 557463

路板的效能及成本的重大改盖。 JL8月概要 本發明提供-電容器包括_對導電落、一對介電層，一 "電層位於各導電箔的表面上及該介電層為相互黏結。 上本發明還提供一電容器包括一導電箱、一第—介電層在 该導電箔的表面上、-第二介電層在該第一介電層上及一 導電層在該第二介電層上。 本發明進-步揭示-種形成一電容器的方法，該方法包 括將第-介電層塗在第一導電羯的表面上；將第二介電層 塗在第二導電箔的表面上；以及接著使該第一及第二介電 層相互黏結。一選擇性加強薄片可在黏結前插入該第一及 第二介電層之間。 同時提供電容器中至少一導電箔或導電層包括一部份電 氣電路、一晶片載體、一微電子裝置或包括本發明之電容 器的印刷電路板。 圖式簡覃說明 圖1顯示一對無塗層之導電箔的原理圖。 圖2顯示一對導電箔的原理圖，其各具有一層介電材料在 内表面上。 圖3顯示一電容器的原理圖，其具有一對黏結的介電層。 圖4顯示一電容器的原理圖，其具有一加強層介於一對介 電層之間。 毯i圭具體實施例詳細說明 本發明提供一電容器包括一對導電箔，或一導電箔及一 -6- 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS) A4規格(21〇x 297公袭) 557463 A7 B7 五、發明説明（4 ) 導電層；及一對黏結的介電層介於導電箔之間或該導電洛 及導電層之間。在一較佳具體實施例中，本發明提供一電 谷器包括一對導電箔及一對介電層，而且各金屬箔的表面 上具有一介電層及介電層相互黏結。圖1所示為塗上介電材 料前的一對導電金屬箔，2及4。圖2顯示金屬箔2及4各塗上 一層介電材料6。介電材料6最好是直接塗在各金屬洛2及4 的整個表面上，以形成一大體的均勻層，如圖2所示。 一種本發明電容器的製造方法為，將一液體介電層塗在 一導電箔的表面上，其中該液體介電層包括一介電材料及 一溶劑。這種塗層係藉由展開一導電箔卷並在導電羯表面 塗上一連續的介電材料層而完成。諸如刮刀、槽口模，倒 卷或其他之類的計量裝置可調節介電層的厚度。如果該介 電層的製造不使用溶劑，則應用的技術包括介電層容易炼 解時使用之融熔押出，及介電層容易汽化及再凝結時使用 之蒸氣沉積或濺擊。 在由電沉積製造導電箔的情況下，其中一表面為暗淡加 工面及另一表面為光亮加工面，介電材料6則可塗佈在該箔 的暗淡面或光亮面。在介電層及導電箔之間需要強黏合的 情況下，介電層則可塗在該箔的暗淡面上。在需要薄斷面（ 較細）表面的情況下，該箔的光亮面則可由機械或化學處理 以提供較活性表面以增加黏合強度。 一旦介電層塗在導電箔上並切割成需要的尺寸，二導電 箔即可壓製一起，致使介電層相互黏結而形成一電容器。 本電容器如圖3所示。黏結介電層後，即可將電容器放置在 -7- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公货) ' -- 裝 訂

線 5 五、發明説明（ 一加熱爐中，以蒸發介電材料剩餘溶劑及部份或完全固化 介電層。電容器可耐溫度為1〇〇卞至6〇〇卞，時間為1至12〇 刀4里。介電層之完全或部份固化係根據電容器的用途而定 。完成需要的固化度後，即可從加熱爐取出電容器並加以 冷卻。 在另外的具體實施例中，電容器的形成首先藉由將液體 ^電材料塗在導電箔的表面，以及接著固化介電層。固化 第一介電層後，可將第二介電枯料層塗在第一介電層以及 接著固化。在此第二固化步驟之後，接著可將導電層塗在 該第二介電層上當作導電箔，或是利用濺擊、蒸發或蒸汽 >儿積專本技藝熟知的技術。 介電層也可以用固體薄片的形式貼在導電箔上。在一具 體實施例中，一第一固體介電層層壓在第一導電箔的表面 上’一第二固體介電層接著層壓在第二導電箔上，以及接 著該第一及第二介電層相互層壓。或是，一第一導電落、 一第一固體介電薄片，一第二固體介電薄片'及一第二導 電箔在加熱及加壓下相夾一起及層壓。層壓最妤以壓床加 壓，溫度則為210°C至310°C，更理想為230°C至290°C。層 壓挎間可為1至60分鐘，較理想為i至3〇分鐘。該壓床最好 在至少28吋水銀柱的真空下操作，及維持壓力1〇〇至4〇〇 ，較理想為125至300 psi。 各導電治或導電層可包括相同的金屬或包括不同的金屬 。適合本發明的導電金屬根據需要的應用而有所不同。導 電筵或導電層最好包括一種材料選自由銅、鋅、黃銅、鉻 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) • 8 - 557463 A7

、鉻酸鹽、氮化鈦、鎳、甲矽烷類、鋁、不銹鋼、鐵、金 銀、鈦及其化合物及合金組成的材料群。導電箔及導電 層最好包括銅。導電箔或導電層較理想具有厚度為〇 ^至 200 μηι，更理想為9至70 μπι。本發明電容器使用的導電材 料可製造成具有一光亮表面及一暗淡表面。這種導電材料 的例子揭露於美國專利案號5,679,230，其以提及方式併入 本文。 介電材料6最好由熱固性聚合物、熱塑性聚舍物、無機化 合物或其組合所形成。具體而言，介電層包括一種材料選 自由環氧樹脂、聚醋、含共聚物聚酯、芳香熱固性共聚多 醋、聚亞芳基醚及氟化聚亞芳基醚（加州桑尼維爾的 Honeywell商品Flare，，聚醯亞胺、苯環丁烯（D〇w商品 Cyclotene)，液晶聚合物（Kuraray商品），烯丙基聚亞苯基醚 (Asahi Chemical商品），胺、無機物質例如鈦酸鋇（BaTi〇3) 、氮化獨（BN)、氧化鋁（A12〇3)、氧化矽、鈦酸锶、鈦酸锶 鋇、石英及其他陶瓷及非陶瓷無機物及其組合物所組成之 材料群。芳香熱固性共聚多酯包括美國專利5,439,541及 5，707,782所揭露之芳香熱固性共聚多酯。這些材料中，最 佳介電層為液體？κ酿亞胺聚合物或聚酿亞胺聚合物的混合 物。乾燥的固體介電層包括100%的任何上述化合物或包括 其混合物或包含其他添加劑。 聚醯亞胺具有高電強度，良好絕緣性，高軟化點及對許 多化學品呈惰性。較佳的聚醯亞胺具有一玻璃轉變溫度 (Tg)約160°C至3 20 °C，較理想的玻璃轉變溫度為i9(rc . -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（21〇X 297公釐) -------- 557463 A7 B7 五、發明説明（7 ) 〜 "一" 2 70 C。如果介電層包括聚合物，也可以選擇性包括填料。 較佳的填料非絕對包括鈦酸鋇（BaTi〇3)、氮化硼、氧化链、 氧化矽、鈦酸鳃、鈦酸勰鋇、石英及其他陶瓷及非陶瓷盔 機物及其組合物。如果結合，介電材料最好以體積計填料 佔5%至80〇/〇,而以10%至50%較佳。另外，兩個或其中一個 介電層可包含一種染料或顏料以上色、改變介電層的不透 明性或影響對比。 介電層最好以液體聚合物溶液塗在導電箔上，以便控制 聚合物的厚度及均勻度。溶液一般具有黏度約為5,〇⑼至 3 5,000 cp ,而尤以15,〇〇〇至2λ〇〇〇 cp較佳。聚合物溶液包 括重量10至60%(以15至30%較佳）的聚合物，而溶液的其餘 部份則包括一或多種溶劑。聚合物溶液最好使用單一溶劑 。實用的溶劑包括丙酮、丁酮、N-甲基吡咯烷酮、N，N二羥 甲基甲I氣、N，N一甲基乙酸氨及其混合物。最理想的單一 溶劑為N-甲基α比σ各院鲷。 介電層最好具有厚度約為2至2〇〇 μιη，而尤以2至1〇〇 μΓη 較佳。介電層最好具有介電強度至少2〇〇〇 v/mil厚度，而以 2000至1〇,〇〇〇 v/mil厚度較佳，且尤以2〇〇〇至6〇〇〇 v/mil厚 度較佳。 j 圖4顯不本發明其他具體實施例，其中該電容器在介電層 進一步包括一加強層8。加強層8的目的是減少尺寸變化， 特別在X、Y平面，由熱突增及化學處理造成。如果結合， 此加強層必須在二塗佈的導電箔2及4黏結之前_入，及與 各導電落及介電材料一起層壓。加強層的較佳材料非絕 -10- 557463

對包括玻璃纖維布、芳族聚酸氨紙，聚苯甲醯酯（PBO)紙 永苯甲酿錯纖維或其組合物。較理想加強層厚度約為5 至200 μηΐ，更理想為10至50μπι。 在本發明的較佳具體實施例中，電容器的較理想電容為 至少250 pF/cm2，更理想為250至40,000 pF/cm2。本發明的 電谷益可用於各種印刷電路板的應用。例如，耦合或嵌入 堅固、有彈性或堅固/有彈性的電氣電路、印刷電路板或其 他Μ電子裝置諸如晶片封裝。一般而言，其係用以在導電 ν白層上產生一第一電路圖案。一第二電路圖案可採用由電 沉積、賤擊、汽相沉積或其他方法的導電箔形式附著在聚 合物表面上。另外，電容器需要產生通道以電連接相對的 電路層。另外，電容器的使用係根據介電層是否為部份或 完全固化而定。 一旦完成一電容器，也必須使用已知蝕刻技術產生導電 泊層的電路圖案。蝕刻中，一層感光抗蝕劑或液體材料會 塗在導電箔層上。使用一負光性圖案覆蓋在抗蝕劑上，致 光抗蝕劑以光化輻射曝光以產生一需要的電路圖案。成像 的電谷器然後經軟片顯影化學曝光以選擇性移除不要的未 曝光部份。具電路圖案的電容器然後接觸已知的化學蝕刻 劑槽以移除曝光的導電層，留下最後需要的導電圖案電容 器。同時，各導電金屬層可選擇性由形成一穿過整個電容 器的孔及充填導電金屬而達成電連接。層壓步驟最好在 最低的275 C進行。如此造成一均勻薄介電層總厚度為8 至12 μηι且實質上無空隙。產生的層壓片可彎曲且可立即進 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 557463 A7 B7 五、發明説明（9 ) 订處理士口果塗層發現瑕疵，另一導電箔上的塗層仍可保 也效旎。该電容器可成為印刷電路板的一部份、微電子裝 置（如晶片）的載體的一部份。 以下非限制例子可用來說明本發明。 範例1 卷電 >儿積35 μιη厚，寬度〇·64 m, 一英兩重銅箔安裝在 展開軋輥上。切割一 〇·3 m x0 3 111的銅箔樣品及稱重以確 立銅落的基重。銅落繞過一張力軋輥並進入加熱爐，經過 惰輥，及繞在一捲輥上。然後拉緊銅箔至4〇 lb/in寬度。加 熱爐内IR熱源設定為1501、232°C及316°C三區及達成穩定 。起動捲輥的驅動馬達並設定速度為12 m/min。邊緣導板 可確保銅箔經過加熱爐的方向適當。調整液體聚醯亞胺樹 脂為25%固體，黏度為2〇,〇〇〇 cp，及Ν·甲基吡咯烷酮於一 不錄鋼混合桶内。聚醯亞胺溶液注入一分配系統内，以及 利用重力及液體聚合物黏度作為分配力在移動銅箔的光亮 面上塗上一約5 0 μηι的薄膜。 調整刮刀以產生厚度為43 μπι的濕膜，造成彈性複合層具 有一乾紐聚合物膜厚度約為7.6 μπι。刮刀的上流側保持連 續液體水頭高度及刀閘内材料的體積，以維持不變的彈性 複合層薄膜厚度及薄膜内沒有氣泡。 溶劑在加熱爐内蒸發及聚合物固化。當塗層銅箱第—二欠 進入加熱爐内，會發生初溫度降。一旦加熱爐内達到穩定 狀態的溫度，便必須使用聚醯亞胺密度換算重量求出，薄膜 厚度，並藉由採取銅箔樣品及比較塗佈後重量與銅箱基重 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐）

557463 A7 B7 五、發明説明（1〇 ) 以檢查薄膜厚度。聚醯亞胺的分配量及刮刀離銅箔的高度 係根據本測量而調整。重複本方法直到獲得理想的薄膜厚 度為止。在溫度275°C及加壓力150 psi 30分鐘的液壓下， 即可藉由層壓兩片此塗佈的銅箔而形成電容器。壓床在28 英吋水銀柱的真空狀態下操作。 由本方法產生的電容器包括二金屬箔層並具有包含2_3% 殘餘溶劑的半固化聚醯亞胺。電容器切割成規定尺寸及接 受處理以在銅羯形成圖案。完成的電容器的r核心」經目 視檢查及500 V的短路電測試。所完成的電容器層具有電容 至少250 pF/cm2及介電擊穿電壓至少2000 V/mil。 範例2 重複範例1，只是該聚合物須充填50%體積的鈦酸鋇 (BaTi〇3)。電容至少增加2.0 nF/cm2及介電擊穿電壓至少增 加 1 000 V/mil。 範例3 重複範例1，只是要在塗佈的銅之聚酿亞胺表面之間層 壓一 10 μπι 的 P-苯-2,6-苯並雙嘮唑（p-phenylene-2,6- benzobisoxazole)紙薄片。所完成的產品具有改良的尺寸穩 定性及耐撕性。電容至少為100 pF/cm2及介電擊穿電壓至少 為 2500 V/mil〇 範例4 重複範例3，只是該聚醯亞胺須充填50%體積的鈦酸鋇。 電容至少為500 pF/cm2及介電擊穿電壓至少為15〇〇 v/mi卜 範例5 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 一 "

裝 訂

557463 A7 B7 11 五、發明説明（ 重複範例2，只是須使用氮化硼作為填料。電容至少為 325 pF/cm2及介電擊穿電壓至少為1〇〇〇 v/mU。 範例6 重複範例1，只是須使用連續熱輥層壓方法在3〇(rc&3〇〇 psi下完成層壓。產品須經後層壓加熱爐烘烤以達到最後固 化。 範例7 重複範例1，只是須使用押出塗佈器完成塗佈，以及使用 壓輥方法完成層壓。填料係與聚醯亞胺一同押出。 範例8 重複範例1，只是銅箔的光亮面須使用小球處理，以改善 聚醯亞胺的機械黏結著性。小球的最大尺寸小於丨2〇 pm， 以避免高電勢故障的可能性。 範例9 重複範例4，只是聚醯亞胺要結合體積高達3〇%的超微纖 維（例如PBO)。如此可改善尺寸穩定性及耐撕性。超微纖維 漿與聚醯亞胺使用機械方法一同處理以壓碎纖維（例如球磨 機）。欽酸鎖使用高剪力混合器與另一部份的聚醯亞胺混合 。一成分使用低剪力混合器添加_起及混合。然後使用範 例1的方法塗佈聚醯亞胺及二填料。 範例11 一英兩銅箱樣品的暗淡面由添加即將封裝的銅球處理。 光冗及暗淡面都塗上一層鉻酸鋅。暗淡面塗上一有機層以 防污點，以及光亮面塗一層γ_氨基·丙基三乙氧基矽烷以增 -14- 本紙張尺度相中關家標準(CMS) Α4規格(21GX 297公I)—

Claims (1)

1. 557463 ι· 一種電容器，該電容器包 γ ，其中母一導電箔的一表 丁”冤層 ^ a .. 面上均有一介電層，及該介 電層為相互黏結。 α Θ 2·如申請專利範圍第i項之電 只心电夺态，其中介電層具有介 度至少約2000 v/mil厚度。 有"電強 3·如申請專利範圍第1項之電 甘士人 ^ ^ ^ m 貝义冤令25，其中介電層包括一材料 選自由熱固性聚合物、教糊卜 初熟塑性聚合物、無機材料、及1 組合物組成的材料群。 〃 4.如申請專利範圍第i項之電容器，其中該介電層包括一 材料選自由環氧樹脂、聚酯、含共聚物聚酯、聚亞芳 基謎，氟化聚亞芳基喊、聚酿亞胺、苯環丁稀、液晶 聚合物、稀丙基聚亞苯基鍵、胺、及其組合 材料群。 5. 如申請專利範圍第1項之電容器，其中至少一介電層 約100%的無機材料 曰 6.如申請專利範圍第i項之電容器，其中至少一介電層包括 約100%的無機材料選自由陶瓷、鈦酸鋇、氮化硼、氧化 鋁、氧化矽、鈦酸鳃、鈦酸鳃鋇、石英及其組合物組成 的材料群。 7. 如申請專利範圍第丨項之電容器，其中至少一介電層的成 分包括一聚合物及一填料。 8. 如申請專利範圍第7項之電容器，其中介電層的填料選 自由陶瓷、鈦酸鋇、氮化硼、氧化鋁、氧化矽、鈦酸 勰、鈦酸鳃鋇、石英、非陶瓷填料及其組合物組成的 1 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 557463 A BCD 六、申請專利範圍 材料群。 9·如申請專利範圍第丨項之電容器，其中至少一介電層包括 一聚合物及一填料，其中該填料的含有量約為5%至 的介電層體積。 10·如申請專利範圍第1項之電容器，其中各導電箔具有厚度 約為0·5至200 μιη 〇 11·如申請專利範圍第1項之電容器，其中各介電層具有厚度 約為2至200 μπι。 12·如申請專利範圍第1項之電容器，其中該介電層結合一加 強層。 13. 如申請專利範圍第丨項之電容器，進一步包括一加強層在 該介電層中，該加強層包括玻璃纖維、紙、聚苯甲醯醋 紙、或其組合物。 14. 如申請專利範圍第丨項之電容器，其中該導電箔層包括一 材料選自由銅、鋅、黃銅、鉻、鉻酸鹽、氮化鈦、鎳、 甲矽烷類、鋁、不銹鋼、鐵、金、銀、鈦及其組合物組 成的材料群。 15. 如申請專利範圍第1項之電容器，該電容器具有電容至少 約為 250 pF/cm2。 16· —種電容器，該電容器包括一導電箔、一第一介電層位 於該導電箔的表面上、一第二介電層位於該第一介電層 上及一導電層位於該第二介電層上。 17·如申請專利範·圍第16項之電容器，其中該導電層藉由濺 擊、蒸發或蒸汽沉積而附著在該第二介電層上。 Α8 Β8

   2请專利範圍第16項之電容器，其中該導電層包括一 金屬箔。 19 ::用以形成一電容器的方法，該方法包括將第-介電 ;土在第一導電箔的表面上；將第二介電層塗在第二導 結羯的表面上；以及接著使該第—及第二介電層相互黏 2〇1申請專利範圍第19項之方法，其中該第一及第二介電 9為塗在該第一及第二導電箔表面上的液體。 如申:月專利範圍第19項之方法，其中該第一及第二介電 為、k在η亥第一及第二導電箔表面上的液體，以及接著 至少部份乾燥。 22·如申請專利範圍第19項之方法，其中該第一及第二介電 層為薄片型，其層壓至該第一及第二導電箔。 23·如申請專利範圍第19項之方法，其中該第一及第二介電 層藉由層壓而相互黏結。 24·如中請專利範圍第i項之電容器，其中至少—導電羯包括 一部份電氣電路。 25·如申請專利範圍第16項之電容器，其中至少一導電箔或 導電層包括一部份電氣電路。 26·-種印刷電路板，該印刷電路板包括_電容器，該電容 器包括-對導電落及一對介電層，其中每一導電羯的 一表面上均有一介電層，及該介電層為相互黏結。 27· -種印刷電路板，該印刷電路板包括一電容器，該電容 器包括-導電fg、-第-介電層位於該導電的表面上 -3- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公爱) 557463 A BCD /、、申请專利祀圍 、一第二介電層位於該第一介電層上及一導電層位於該 第二介電層上。 28. —種用於一微電子裝置的晶片載體，該晶片載體包括一 電谷器，該電容器包括一對導電箔及一對介電層，其中 每一導電箔的一表面上均有一介電層，及該介電層為 相互黏結。 29. —種用於微電子裝置的晶片載體，該晶片載體包括一電 谷器，該電容器包括一導電箔、一第一介電層位於該導 電羯的表面上、一第二介電層位於該第一介電層上及一 導電層位於該第二介電層上。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) '' --------