TWI299900B - Printed circuit board having embedded capacitors using hybrid material and method of manufacturing the same - Google Patents

Description

1299900 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 、一般而言，本發明係關於一種具有使用混合材料嵌入 式電容之印刷電路板（PCB)及其製造方法。更特別地， 5本發明係關於一種具有嵌入式電容之PCB，在其中的一混 合材料包含液晶聚合物及分散於其中的高頻率陶瓷粉末此 形成一薄片形狀以應用在一電容器層中，然後被嵌入在該 PCB中，相較於傳統的具有嵌入式電容ipcB，從而減小 因溫度所引起的的電容量‘變化:並經由—低的逸散因子， 10降低信號傳送耗損，以及一製造此1>(：3的方法。 【先前技術】 一般而έ，電容器以電場的形式儲存能量。當一直流 電源被供應到一電容器時，該電容器被充電，但該電流= 15仔止。另一方面，如果一交流電源被連結到一電容器，當 該電容被充電以及放電時，該電流通過該電容器係依據: 被供應的交流電信號的頻率，以及該電容的值。 如此，具有該上述特性的電容器扮演一被動元件，實 質上使用在不同的用途中，舉例如，耦合以及去耦、濾波 20器、阻抗匹配、訊號比對、充電果，以及電與電流調節， 例如、數位電路、類比電路，以及高頻電路。此外，該電 谷裔，被製造成各式各樣的形式，例如晶片或盤狀物，且 此電容器被使用在固設於PCB上的狀態。 該電容器在一電子電％中，依據其冑容量以及溫度穩 5 1299900 疋性’主要被分類為兩大種類，那就是，一電容器，例如 具有低溫度穩定性以及高電容量的B (A)以及F型式 则曰C (多層陶究電容器），以及—電容器，例如具有^ 電容量以及高溫度穩定性的c型式mlcc。前者主要是使 用於去耗σ以及旁通，而後者被使用於訊號比對以及阻抗 匹配。 …雖然被動元件’例如電容器已經被製造成各式各樣的 形式’例如晶片或盤狀物，以被固設於在pcB上迄今， 擊t子裝置近來被要求微型化以及結構複雜化，並因此:該 10用於固設該被動元件在PCB上的面積減小r此外，當隨 著高速電子裝置頻率增加’ I生阻抗（paras:tlc ， lmpedance)、經由導、線、銲料等等產生，其介於該被動元 、 ：中以及IC之間’因而導致了數個問題。為了解決該問 題，各式各樣的嘗試曾被做過，± S最重要的是經由該 b PCB ’以及電子與電子元件的製造，以欲人該電容器在該 PCB 中。 0 然而，由於大部分材料製造業者用於具有嵌入式電容 之PCB的開發迄今，因該溫度以及濕度，具有不穩定的 電容量，他們僅僅有限地研究使用在去耦合以及旁通。 2〇 就這一點而言，圖1A到1E連續地說明製造一習知 1 的具有嵌入聚合物厚膜電容器之PCB製程。依照該習知 ’製程，一聚合物電容器糊狀物塗覆在一基板上，然後使用 熱（或固化）乾爍，以完成包含嵌入聚合物厚膜電容器的 P C B ’其係參考圖式以具體敛述之。 6 1299900 之PCB，製造嵌入分離式電容器的方法被揭露，其曾被美 國摩托羅拉公司（Motorola Co. Ltd·，USA·)獲得專 利。泫上述方法包含塗敷一含有陶瓷粉末之光介電樹脂在 一基板上，壓合銅箔在該樹脂層上以形成上電極以及下電 5極，形成一電路圖案，然後蝕刻該光介電樹脂，以完成該 分離的電容器。 此外有一經由各自獨立地於P C B的内層中包含具 有電谷性質的介電層，以便被用來代替固設在該p C b上 之去耦電容器，來製造此嵌入式電容器的方法被提及，其 10冒被美國山米吶公司（Sanmina Co· Ltd·，USA.)獲得 專利。在此方法中，該介電層係包含供電電極以及接地電 極，而被結合在該PCB的内層中，以獲得一電力分配去 耦電容器。 為達到上述技術各種製程正在研究中，而每一個製程 15 具體的方法被變更修改。 就這一點而言，美國專利第5,0?9,069號，授予 Howard等人，揭露一使用在電容pCB中之電容器薄板及 製造方法，其中該，，借入電容器，，的觀念被使用，以製造 該PCB，其包含一結構上不易彎曲的電容器薄膜層，此薄 20膜層由兩個傳導層以及一介電層夾在介於該二層之間所組 成，其在操作中連搔大量的裝置。 並且，美國專利第5,〇1〇,641號，授予Sisler等 人，揭露製造一多層PCB，以消除需要旁通電容器的方 法’其經由提供一個或更多完全固化的電源接地面之三明 8 1299900 治式組件’其係與PCB之其他部分固化的組件層與電路 圖案形成的組件一起壓合。 依據該習知技術，該厚膜主要地是以環氧樹脂以及陶 曼粉末形成。在該薄膜的例子中，陶莞，例如欽酸鎖，係 5通過一薄膜製程形成一薄膜，其曾被發明用以嵌入一電容 器，以使用在去耦以及旁路中。雖然此一薄膜具有相對高 的電容量，它有因溫度而電容量巨大變化的限定，但也是 回的逸散因子，並因而不適合使用在嵌入已固設在用於 南頻率電路中作為訊號比對以及阻抗匹配之該p C b上的 10 電容器。 【發明内容】 經由Φ集且徹底的研究具有嵌入式電容器的PCB而 得到本發明，經由發明人針對避開該在相關技藝中遇到的 15問題實行，結果發現，高頻率陶瓷填充物可以被添加到在 南頻率具有高介電性質之液晶聚合物中，以製備一混合材 料’而被使用作為用於具有嵌入式電容器之PCB的介電 層的材料，從而製造具有嵌入式電容器之pCB，在其中固 設於PCB上之一溫度補償MLCC (C型式MLCC)可以 20 被嵌入在該PCB中。 因此’本發明的目的是提供一具有使用混合材料嵌入 式電容器之PCB，其可以因溫度以及溼度變化而僅僅微小 地改變電容量，相較於習知的具有嵌入式電容器之PCB， 由於其低的逸散因子，可以使信號耗損以及熱放射減到最 9 1299900 • 小0 本發明之另一目的是提供一製造此PCB的方法。 本發明之再一目的是提供一適合使用在高頻率電流 中’作為訊號比對以及阻抗匹配的具有嵌入式電容器之 5 PCB。 本^明還另有一目的是提供一製造此PCB的方法。 為了實現上述目的，本發明提供一具有使用混合材料 嵌入式電容器之PCB，包含（A) 一雙邊CCL (銅箱基 板），其一銅箔形成一具有電路圖案的第一電路層，另一 10銅箔形成一具有電路圖案的第四電路層；（B) 一混合、 CCL，其包含一混合介電層，其包含液晶聚合物以及陶瓷 籾末且銅箔壓合於其兩表面上，此混合c c乙的一銅箔 形成一具有下電極以及電路圖案的第二電路層，另一鋼 泊，形成一具有上電極以及電路圖案的第三電路層，其形 15成的"亥第一電路層以及第三電路層中，第二電路層下電 極:係相對於第三電路層上電極而言；（c) 一絕緣層， 其係配置壓合於於（A)❾CCL以及（B)的混合CCL ，間“以便放置該c c L的第一電路層以及該混合c c l的 第一電路層，作為互相正對的内層；（D)單邊CCL·，其 20係壓合於第三電路層以及第四電路層上；—盲㈣ 及一通孔，其係形成在該單邊CCL·的預設部分；以及 (F) —電鍍層，其係電鍍在該盲孔與通孔中。 ，在本^月的p C B中，該液晶聚合物較佳地具有介電 常數為3 ·5或更小，以及一逸散因子為0.0007〜0·002。 10 1299900 =層㈣成相對於該第二電_的下電極之—呈有上 電極以及電路圖案的第三電路 /、有 的另-辑形成一具有電路圖案(:』，)的薄板 壓合單邊CCL於該第三電路 ζ路層’（G) 包吩增以及第四電路層 於該單邊㈣基板的預設部分形成—盲孔及_通孔；以及 (I )電鍍該盲孔及通孔以連結該些層。 的方法中，該步驟（B)是較佳地在 3 00〜3 50 (：、400〜60()]^/(：1112下實施。 10 在=明的方法中，該步驟⑻是較佳地使用 層製程來實施。 【實施方式】 在此之後，伴隨著參考附加的圖式，將詳細說明本發 明0 15 本發明提供-具有使用混合材料嵌人式電容之MB, 在其中經由添加高頻率陶究填充物到液晶聚合物得到—混 合介電層，具有優良的高頻率性質被應用，從而展示一穩 定的介電常數，以及低的逸散因子，適用於高頻率電財 作為訊號比對以及阻抗匹配。另外，提供此pcB的势造 2〇方法。 在本發明中，混合介電層經由將高頻率陶究填充物混 合至液晶高分子聚合物中而形成。 液晶聚合物，是一熱塑性樹脂，具有一低的介電常數 以及低的逸散因子，近幾年來，經由研究，此類液晶聚合 12 !2999〇〇 的 ZST、CaC03-Ti〇2-La2〇3-Al203、BaTi〇3_Ti〇2-

Nd2〇3-Sm2〇3-Bi2〇3、CaC03-Ti02-Nd2〇-Li2C03，以 及以鋇為主的鈣鈦礦介電粉末，例如Ba〇-ZnO-Ta2〇5的 BZT ’以及BaO_Mg〇-Ta2〇5的BMT所組成之群組。 關於這些陶瓷材料，典型地適用的高頻率陶瓷材料的 種類及性質，被概括在下表1中。

表1 高頻率陶瓷粉末

燒結體密度

陶兗粉末較佳地具有一平均顆粒大小為0.5〜2 μηχ。 1〇如果其平均顆粒大小是小於〇·5 μηΊ，陶瓷粉末是難於分 散。另一方面，如果其平均顆粒大小是大於2 μηι，其崩 潰電壓是低於具有相同厚度的絕緣層。 陶兗粉末是包含在介電層中，其量為5〜55 v0l%，以 經濟性地呈現所想要的性質。 15 本發明的混合介電層，可以依據如下所提到的典型的 介電層製程被製備，但不限於此。 依據典型的介電層製程，陶瓷粉末被分散在液晶聚合 物以及溶劑中以製備漿料，其隨後被形成為具有1〇〜3〇〇 Mm厚度的厚膜，根據所想要的電容量以及可用的區域， 14 1299900 在PET膜上塗佈一脫模劑，經由刮刀成型法作為一般的薄 片形成製程。此厚膜使賴乾燥，以從此漿料揮發溶劑/， 此後塗佈-脫核劑的PET膜被去除，以獲得一薄片形 混合介電層。 在本發明的較佳具體實例中，液晶聚合物’在i GHZ 時具有介電常數為2·96，以及逸散因子為〇 〇〇〇99，是被 溶解在一例如為PFP (五氟酚）、pc 2慮到液晶聚合物的量’以—適當量的陶㈣末添加到此 心液，並隨後使用籃式砂磨分散以製備漿料。 —此陶瓷粉末可以通過鍛燒，並隨後粉碎，如一般的陶 ' :是粉末製備製程被獲得’而具有-大小為約i μιη。 ， U此製備之浆料塗覆到—塗佈脫模劑的PET膜，並使 用刮刀成型法以製備一厚膜，隨後乾燥’以獲得一厚度為 大約20 _的介電層。測量此獲得的混合介電層的介電性 質。此結果總結在下表2中。

A

混合材料的介電性質 ~~B

C

D

E

F

G 陶瓷填充物 陶瓷粉末量 (vol%) ighTbI^j 介電常數 BaTi03 Ti02 Nd2〇3 Sm2〇3 Bi2〇3

Zr02 Sn02 Ti02

CaC03

Ti02

MgO

BaTiO,

Ti〇2‘

CaC03

Ti〇2

La2〇3

Al2〇3 15 1299900

'、、、目為本發明的混合材料所形成的介電層相應於 此溫度變化以及為0.003或更少的逸散因子，可以顯示一 ίο 狀的介電常數（HU)，如表2中所示，其適合使用

於敗入在電容器中以用作訊號比對，其—直固設於此pcB 上。 參照於圖2A# 21，說明本發明之—具有使用混合介 電層嵌入式電容之PCB的製程。 圖2A到21係本發明之具有嵌入式電容之製程 15 的連續剖面圖。 準備一雙邊CCL，其具有一絕緣樹脂層1〇1以及銅 箔1 02,1 03在其兩側（圖2A)。 16 1299900 隨後，一個雙邊CCL的銅箔l〇2被提供到一典型的 微影製程，包含在一預設圖案中之一乾膜的應用，通過曝 光以及顯影’移除與此#刻區域相應的乾膜，然後使用一 I虫刻劑餘至此餘刻區域，以形成一包含電路圖案的第一電 5 路層 102a，l〇2b，102c (圖 2B)。 然後，一混合介電層1 04以一薄片形狀呈現，其分別 經由將一具有介電常數為5〜120以及Q.f為 1，〇〇〇〜15 0,〇〇〇的陶瓷粉末，混合至液晶聚合物（圖 2C )中製備而得。較佳地，以一薄片形狀呈現的混合介電 10層1〇4，可經由混合液晶聚合物、溶劑以及陶瓷粉末製備 成桌料，然後再以刮刀成型法製備而得，但不限於此製 程。 就其本身而論，此混合介電層1 0 4具有一厚度為 10〜300μηι，以保持中間層絕緣強度，並顯示必要的電容 15 量。 隨後，銅箔105，1〇6壓合於混合介電層1〇4的兩側 上（圖2D)。此薄片較佳地是在3〇〇〜35〇。〇、4〇〇〜_ :/cm下使用一熱真空擠壓。如果此薄片的狀態落在上述 範圍之夕卜例如，如果此溫度太低，此液晶聚合物作為熱 20塑性树脂無法充分地溶解，並與此銅箱的黏著力減小。另 外如果溫度太南，由於樹脂的溢出，絕緣層流出銅箱因 而變薄，而導致電容量密度與設計值不同。 然後，-個混合CCL的銅箱106使用包含在一預設 圖案中有乾膜k设的微影製程，通過曝光以及顯影，移 17 1299900 除與此#刻區域相應的乾膜，然後使用一蝕刻劑蝕刻此蝕 刻區域，以形成一包含下電極106a，106b以及電路圖案 (未顯示）的第二電路層（圖2E)。 然後，具有第一電路層的CCL，以及具有第二電路層 5的混合CCL與一絕緣層107 一起壓合，舉例如，一預浸 材，依據一典型的製程經由熱真空擠壓的使用配置於其 間，如此具有電路圖案l〇2a，102b，l 〇2c的第一電路層之 CCL以及具有下電極106a，1〇6b與電路圖案（未顯 的弟一電極之混合C C L被放置作為互相正對的内層（圖 10 2F )。 隨後，為了形成一外銅箔105,其提供至此薄板的介 電層104上，以此方式獲得相對於下電極1〇6a,1〇6b的 上電極105a，105b，而介電層1〇4配置於其間，此銅箔 105使用包含在一預設圖案中有一乾膜塗覆的微影製程， 15通過曝光以及顯影，移除與此蝕刻區域相應的乾膜，然後 使用一钱刻劑餘刻此餘刻區域’以形成一第三電路層，盆 包含相對下電極106a、106丨、之上電極l〇5a，1〇5b，以及 電路圖案（未顯示）（圖2G)。 同樣地’薄板的另一外銅箔1 〇 3使用包含在一預設圖 2〇案中有一乾膜塗覆的微影製程，通過曝光以及顯影，移除 與此蝕刻區域相應的乾膜，然後使用一蝕刻劑蝕刻此蝕刻 區域，以形成一包含電路圖案l〇3a，103b，l〇3c的第四電 路層（圖2G)。 之後，單邊 CCL 1 08 + 1 1 0,1 09 + 1 1 1，以 Rcc (樹 18 1299900 脂塗佈的銅）為材料製成，使用增層製程分別壓合於包含 上電極105a，105b與電路圖案（未顯示）的第三電路層， 以及包含電路圖案103a，103b，103c的第四電路層上（圖 2H)。 5 單邊 CCL 1 08 + 1 10,1 09 + 1 1 1 的外層 η 〇，ιη，使 用上述微影製程，以形成電路圖案1 1 〇 a，1 1 〇 b，1 H a， 1 1 lb，l 1 lc，1 1 Id等等。然後，使用一雷射鑽孔形成盲孔 113以及使用機械鑽孔形成通孔112，且此盲孔I〗]以及 通孔1 1 2經由無電電鍵法電鑛以連結中間層電路（ 10 21)。 在此方法中’混合材料的電容器層形成，其係經由將 高頻率陶瓷粉末混合至液晶聚合物中而嵌入在pCB中得 到，從而完成一嵌入式電容器，其是有益的，因為相較於 習知的具有嵌入式電容的PCB，此電容量僅僅稍微地因溫 15度而變化，且此信號傳送耗損由於低的逸散因子是較低 的。 此外，一溫度補償MLCC(C型式MLCC)，其在此 亚非嵌入在PCB中，而是固設在PCB上，其可以被嵌入 在PCB中，從而供應一具有嵌入式電容的pCB，適合使 2〇用在高頻率電路中作為訊號比對以及阻抗匹配。 本發明的較佳實例，關於具有使用混合材料嵌入式電 容之PCB以及製造此一 pcB的方法，為了詳細說明的目 的而被揭露，但不被解釋為對本發明的限制，且熟悉此項 技藝者在不悖離本發明的精神了，將瞭解其不同的修飾、 19 1299900

增加以及取代的可能性。 如在此之前所描述，本發明提供一具有使用混合材料 嵌入式電容器之PCB及其製造方法，根據本發明，一混 合材料經由將高頻率陶究粉末添加至在高頻率具有高介電匕 性質的液晶聚合物中而得到，其在具有嵌入式電容器之 PCB中被使用於作為介電層，從而完成嵌人式電容器層， 其具有較低的逸散因子以及TCC，結果在信號傳送上，與 習知具有嵌入式電容器之PCB的介電層相較，減少了信 號耗損。 σ 另外，高頻率陶瓷填充物的種類與數量，以及此電極 的面積可以被改變，並以此方式，本發明的電容器層可以 與用於各式各樣電子系統所需的電容量以及逸散因子相符 合0

因此，即使用在高頻率電路中作為訊號比對以及阻抗 匹配的電容器’其由於因溫度而大的電容量變化，以及介 電層高的逸散因子，而已經固設在PCB上，而仍可以被 嵌入在PCB中。 在上述教導的啟發中，許多本發明的修飾與變動是可 月匕的，而不會悖離本發明的範圍以及精神以揭露在隨後之 20申請專利範圍中。 【圖式簡單說明】 圖1A到1E是連續地代表圖，展示一具有嵌入式高 分子聚合物厚膜電容之PCB的習知製程。 20 1299900 圖2A到21是連續地代表圖，展示一根據本發明，具 有嵌入式電容之PCB製程。

【主要元件符號說明】 41 内層 42 PCB 43a，43b 陰極的銅箔 44a，44b 陽極的銅箔 45 a，45b 電容器糊狀物 46a，46b 陽極 47a，47b 絕緣層 49a，49b 雷射盲孔 5 0a，5 Ob 負端 51a，51b 正端 52a，52b 1C晶片 101 絕緣樹脂層 102，103，105，106 銅猪 102a，102b，102c 第一電路層 103a，103b，103c 電路圖案 104 混合介電層 105a，105b 上電極 106a，106b 下電極 107 絕緣層 108,109 CCL 1 10，111 外層 1 10a，l 10b，llla，l 1 lb，l 1 lc，l 1 Id 電路圖案 1 12 通孔 1 13 盲孑L 21

Claims (1)

1299900 3.如申請專利範圍第1項中所述之印刷電路板，其中 该陶瓷粉末具有一介電常數為5〜12〇，以及Q.fg 1，000〜150,000 ° 4 ·如申請專利範圍第1項中所述之印刷電路板，其中 5该陶瓷粉末係選自由BaTi〇3-Ti02、ZnO_MgO-Si〇2、 CaC03-Ti02-Mg〇、Ba0-Mg0-Ta205、Zr02-Sn〇2- Ti02 、BaO-ZnO-Ta205 . CaC03-Ti〇2-Nd203. U2C03、BaTi03_Ti02-Nd203-Sm203-Bi203、以及 CaC03-Ti02-La203_Al203所組成之群組。 10 5 ·如申請專利範圍第1項中所述之印刷電路板，其中 該陶兗粉末具有一平均顆粒大小為〇.5〜2|Lim。 6 ·如申請專利範圍第1項中所述之印刷電路板，其中 該陶瓷粉末在該介電層中的量為5〜55 v〇1%。 7 ·如申請專利範圍第1項中所述之印刷電路板，其中 15 該介電層為10〜300μχη厚。 8 ·如申请專利範圍第1項中所述之印刷電路板，其中 包含该介電層作為用於訊號比對或阻抗匹配的一電容器功 能之一層。 9 · 一種製造一具有使用混合材料嵌入式電容之印刷電 20 路板的方法，包含： (A) 於雙邊銅箔基板中任一邊的銅箔形成一具有電路 圖案的第一電路層； ’該混合介 ’並形成一 (B) 壓合銅箔於一混合介電層的兩表面上 電層包含液晶聚合物與分散於其中的陶兗粉末 23 1299900 薄片形狀，以形成一混合銅箔基板； (C) 於該混合銅箔基板中任一邊的銅箔形成一具有下 電極與電路圖案的第二電路層； 5 (D) 壓合該（A)的銅箔基板以及該（c)的混合銅箔 基板，“同一絕緣層配置在其中間，上述該銅箔基板的第 一電路層及該混合銅箱基板的第二電路層被放置作為互相 正對的内層，而形成一預設的薄板，· (E) 提供一外銅箔，使其於該（D)的薄板的介電層 10 上，而形成相對於該第二電路層的下電極之一具有上電極 及電路圖案的第三電路層； (F) 將該⑻的薄板之另一外銅箔形成一具有電路圖 案的第四電路層； ⑼分別壓合單邊銅羯基板於該第三電路層及第四電 路層上； 15 (H)於該單邊㈣基板的預設部分形成—盲孔及 孔；以及 (Ό電鍍該盲孔及通孔以連結該些層。 真J0二申請專利範圍第9項中所:二方法，其中該液晶 Λ、有’I電吊數為3.5或更少，以及逸散因子為 20 〇 · 〇 〇 〇 7 〜〇 · 〇 〇 2 〇 於末1i'r請專利範圍第9項中所述之方法，其中該陶竞 L。:。介電常數為5〜12〇’以及卿，。⑽〜 12.如申請專利範圍第 示貝T所述之方法，其中該陶瓷 24 1299900 粉末係選自由 BaTi03-Ti〇2、Zn〇_Mg〇_SiQ2、Cae〇3_ Ti02-Mg0、BaO-MgO-Ta2〇5、Zr〇2_Sn〇2_Ti〇2、 Ba0-Zn0-Ta205 、CaC〇3_Ti〇2_Nd2〇3_Li2C〇3 、 BaT1〇3-T1〇2-Nd2〇3-Sm2〇3-Bi2〇3 , ,χ ^ CaC03-Ti02 5 L a 2 〇 3 - A12 O 3所組成之群組。 13.如申請專利範圍第9項中所述之方法，其中該陶瓷 粉末具有一平均顆粒大小為〇 . 5〜2 μηι。 14·如申請專利範圍第9項中所述之方法，其中在該介 電層中含有該陶瓷粉末的量為5〜55 ν〇1〇/。。 1〇 I5·如申請專利範圍第9項中所述之方法，其中該介電 層為10〜300μιη厚。 1 6 ·如申請專利範圍第9項中所述之方法，其中步驟 (Β)於300〜350。(：、400〜600N/cm2下實施。 1 7 ·如申請專利範圍第9項中所述之方法，其宁步驟 15 使用一增層製程來實施。

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