用于宽带电源去耦的基板结构和方法转让专利
申请号 : CN200680039953.2
文献号 : CN101310385B
文献日 : 2010-05-19
发明人 : 卢志伟 , 陆汶庆
申请人 : 新加坡科技研究局
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于宽带电源去耦的基板结构，包括每个都包括铁电材料的一个或多个嵌入电容器；
其中选择铁电材料的弛豫频率以便与顺电材料电容器相比增加一个或多个电容器的自共振频率。
2.根据权利要求1所述的基板结构，其中每个电容器包括厚度小于1μm的铁电材料超薄膜。
3.根据前述任一权利要求所述的基板结构，其中各个电容器每个包括一个或多个电阻材料的电极。
4.根据权利要求3所述的基板结构，其中选择电极材料以便基板结构显现理想的电源去耦共振阻尼属性。
5.根据权利要求1所述的基板结构，还包括用于信号和电源分配的多层互连。
6.根据权利要求1所述的基板结构，还包括一个或多个离散电容器。
7.根据权利要求1所述的基板结构，还包括一个或多个有源装置以及一个或多个连接各自有源装置的互连。
8.根据权利要求1所述的基板结构，其中一个或多个电容器电极电连接至基板结构的电源层。
9.根据权利要求1所述的基板结构，其中一个或多个电容器电极电连接至基板结构的接地层。
10.一种用于宽带电源去耦的基板结构，包括一个或多个嵌入电容器，每个电容器包括：接地极；
电源极；以及
接地极和电源极之间的铁电材料层；
其中选择铁电材料的弛豫频率以便与顺电材料电容器相比增加一个或多个电容器的自共振频率。
11.一种形成用于宽带电源的基板结构的方法，该方法包括在基板结构中形成一个或多个嵌入电容器，其中每个电容器包括铁电材料；以及其中选择铁电材料的弛豫频率以便与顺电材料电容器相比增加一个或多个电容器的自共振频率。
12.根据权利要求11所述的方法，其中每个电容器由各自厚度小于1μm的铁电材料的超薄膜形成。
13.根据权利要求11至12中任一所述的方法，其中各个电容器每个由一个或多个电阻材料电极形成。
14.根据权利要求13所述的方法，其中选择电极材料以便基板结构显现理想的电源去耦频率阻尼属性。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括形成用于信号和电源分配的基板结构的多层互连。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括提供作为基板结构一部分的一个或多个离散电容器。
17.根据权利要求11所述的方法，其中利用热液合成沉积铁电材料。
18.根据权利要求11所述的方法，其中利用薄膜工艺形成电容器的电极。
19.根据权利要求11所述的方法，其中利用厚膜工艺形成电容器的电极。
20.根据权利要求19所述的方法，其中利用薄膜工艺形成各个电容器的第一电极，以及利用厚膜工艺形成各个电容器的第二电极。
21.根据权利要求11所述的方法，还包括增加所形成的铁电材料的坚固性的工艺步骤。
22.根据权利要求21所述的方法，其中工艺步骤包括后沉积等离子工艺、厚膜工艺或者两者。
23.根据权利要求17所述的方法，其中工艺温度低于300℃。
24.一种形成用于宽带电源去耦的基板结构的方法，该方法包括：形成第一电极；
在第一电极上形成铁电材料层；以及
在铁电材料层上形成第二电极；
其中第一电极、第二电极和铁电材料层形成基板结构中的嵌入电容器；以及其中选择铁电材料的弛豫频率以便与顺电材料电容器相比增加一个电容器的自共振频率。
说明书 :
技术领域
本发明广泛涉及一种用于宽带电源去耦的基板结构和方法。
背景技术
已经提出不同的技术来实现在电子设备和系统中电源去耦的带有所嵌电容器的基板结构。这些常规方法具有局限，包括：
i)集成有性能比如去耦带宽未优化的电源分配网络，
ii)对集成有离散的无源和有源元件缺乏考虑，
iii)制造上限于特定的工艺技术，
iv)非最优的空间利用。
因此理想的是提供克服或改善一个或多个上述局限的用于宽带电源去耦的基板结构和方法。更理想的是提供一种形成这种基板的方法。
发明内容
每个电容器可以包括厚度小于大约1μm的铁电材料超薄膜。
可以选择各个铁电材料的属性以便所述各个铁电材料显现理想的弛豫(relaxation)频率。
各个电容器可以每个包括一个或多个电阻材料的电极。
可以选择电极材料以便基板结构显现理想的电源去耦共振阻尼属性。
基板结构还可以包括用于信号和电源分配的多层互连。
基板结构还可以包括一个或多个离散电容器。
基板结构还可以包括一个或多个有源装置以及一个或多个连接各自有源装置的互连。
电容器的一个或多个电极可以电连接至基板结构的电源层。
电容器的一个或多个电极可以电连接至基板结构的接地层。
根据本发明的第二方面，提供一种用于宽带电源去耦的基板结构，包括一个或多个嵌入电容器，每个电容器包括接地极、电源极；和接地极与电源极之间的铁电材料层。
根据本发明的第三方面，提供一种形成用于宽带电源去耦的基板结构的方法，该方法可以包括在基板结构中形成一个或多个嵌入电容器，其中每个电容器包括铁电材料。
可以用各个厚度小于1μm的铁电材料超薄膜形成每个电容器。可选择地，每个电容器还可以用厚膜材料工艺或一般厚度为1μm到20μm的层压板形成。
可以选择各个铁电材料的属性以使所述各个铁电材料显现理想的弛豫频率。
各个电容器每一个都用一个或多个电阻材料电极形成。
可以选择电极材料以便基板结构显现理想的电源去耦频率阻尼属性。
该方法还可以包括形成用于信号和电源分配的基底结构的多层互连。
该方法还可以包括提供作为基板一部分的一个或多个离散电容器。
该铁电材料可以利用热液合成法沉积。
该电容器的电极可以利用薄膜工艺形成。
各个电容器的第一电极可以利用，但不限于，薄膜工艺形成，并且各个电容器的第二电极可以利用厚膜工艺形成。
该方法还可以包括增加所形成的铁电材料的坚固性工艺步骤。
该工艺步骤可以包括后沉积等离子工艺、厚膜工艺或两者。
根据本发明的第四方面，提供一种形成用于宽带电源去耦的基板结构的方法，该方法包括形成第一电极；在第一电极上形成铁电材料层；以及在铁电层上形成第二电极；其中第一电极、第二电极和铁电材料层形成基板结构中的嵌入电容器。
附图说明
图1示出阻抗对频率的曲线，图示说明常规电容器与根据本发明实施例的电容器的性能比较；
图2示出一个根据本发明实施例的基板结构的剖面示意图；
图3示出一种用于常规电源去耦的等价电路；
图4示出一种根据本发明的示范性实施例用于电源去耦的等价电路；
图5示出一种根据本发明示范性实施例的基板结构的剖面示意图；
图6示出一个流程图，图示说明一种根据本发明示范性实施例制造基板结构的方法。
具体实施方式
如本领域技术人员将理解的，电子设备和系统中电源去耦的电源分配阻抗Z由下式定义：
这里C0是额定介电常数，ω是频率。
然而，式(1)仅在低于自共振频率的低频下是有效的。在具有顺电电容器，即频率稳定电容器的常规电源分配系统中的自共振频率由寄生电感来确定。自共振频率ω0由下式定义：
这里L0是有效额定寄生电感。
值得注意的是有效寄生电感的值不能无穷小，一般应当是大于100阶(PH)。因此，具有相对更高电容值的电容器减少低频阻抗，但是也导致更低的自共振频率。常规的方法是使用大量的每个具有小电容值的电容器来增加自共振频率，同时减少有效电感。因此，常规设计一般使用大量的电容器。
在铁电材料中，介电常数一般在弛豫频率ω1处显著改变。如本领域技术人员将理解的，高频弛豫现象已经归因于晶粒和晶畴的压电共振现象、畴壁移动的惯性和从铁电畴壁发射GHz剪切波。
铁电材料的介电常数在弛豫相位期间与频率ω反比例变化，导致变化的电容值C。在弛豫期间第一阶(order)近似值的实例由下式给出：
有效频率ω＞ω1 (3)
当弛豫频率低于另外的额定自共振频率，得到的自共振频率ωres实际上被增加，如下式公式所定义：
在图1中示出一个常规电容器与本发明示范性实施例中的铁电电容器的性能比较实例。在这个实例中，低频电容大约为1nF，寄生电感为大约500pH，并且等价阻抗为大约1Ω。对于常规电容器(曲线100)，例如电容值相对不变的电容器，由寄生电感引起的自共振频率为大约0.23GHz。对于铁电电容器I(曲线102)，该铁电电容器的弛豫频率为大约0.1GHz并且根据式(4)定义的关系变化，对于相同的低频电容自共振频率增加至大约0.53GHz。有可能在具有大约0.02GHz弛豫频率的铁电电容器II(曲线104)中使用大约0.8nF的大得多的电容，同时仍然实现大约0.36GHz的改进的自共振频率。这些实例图示说明根据本发明实施例所述的扩展电源去耦宽带的思想。在示例性实施例中，通过控制用作电介质的铁电材料的晶粒/微粒度来控制弛豫频率以获得电源分配设计最优化。在热液合成的情况中，可以例如通过工艺或合成温度和施加的压力来控制晶粒/微粒度。在基体复合材料的情况中，可以例如通过压制技术控制混合或粘结之前粉末的晶粒/微粒度。
图2示出一个应用的示例性实施例，其中超薄电容器200通过良好建立的工艺技术利用铁电介电材料制造。在这个实施例中，利用可选择的热液合成工艺形成超薄铁电膜202。上电极或电源极204可以利用，但不限于，电镀和印刷形成，而且可以根据特定系统要求由高导电性或有损材料组成。用这种方法，可以获得嵌入电容器的可控等价串联阻抗。在示范性实施例中接地极206也利用，但不限于，电镀和印刷形成，而且由高导电性材料，例如钛(Ti)组成。接地极形成在接地层205之上。下文描述图2图示说明的基板结构207的制造工艺的细节。
应当注意在图2中，为了清楚省略了上电极或电源极204和电源层203之间的互连。本领域技术人员应当理解这个互连可以通过众多已知的设计技术实现，包括通过印刷电路板(PCB)208的通路互连。例如，形成接地通路211用于表面所安装的装置(未示出)与接地层205的接地互连。
图3和4分别示出常规电源去耦和根据本发明示例性实施例的电源去耦的等价电路。
在常规电路300中，电阻(R0)、电感(L0)和电容(C0)值相对恒定，也就是说，这些元件被故意设计为相对于频率恒定。电源去耦电路的带宽一般由根据公式(2)的电源去耦电路的自共振频率限定。
在根据示范性实施例的电路400中，电阻(R1)和电容(C1)值都是可变的。可以选择R1值以提供电源去耦共振阻尼。这个阻尼可以帮助抑制阻抗峰值或产生的开关(switching)噪音。通过使用铁电介电材料，使C1还可以根据公式(3)依频率而定。
在示例性实施例中，共振频率因此可以延长以改进电源去耦电路的带宽。
现在回到图2的示例性实施例中，用于电源去耦的基板结构207使用用以形成电容器的热液合成的电容器膜来设计和制造，并与离散电容器、有源装置以及多层信号和电源分配互连一起集成。
用已知的方法，包括，但不限于，溅射，将钛层206沉积在印刷电路板(PCB)208上。可选择地，例如可以将钛箔层压在PCB 208上。
热液合成工艺一般用与钛涂层发生化学反应的水溶液或溶剂溶液来形成晶体钡钛膜。水溶液的一个实例是Ba(OH)2。对于改进的化学反应，例如，通过增加工艺温度、前体的选择或微波辅助技术，膜的致密性可以随晶粒度的减小而改进。
通过用选择区域热液合成工艺，热液合成膜202可以成长形成超薄电容器膜层202。为了确保低温制造与PCB 208的本质有机材料合成的兼容性一般低于300℃，薄膜多孔性普遍存在于热液合成介电膜202中。
一般，用于上电极或电源极204的晶种(seed)层(未示出)被溅射，并且由于薄膜202的多孔性，上电极或电源极204会被短路至接地层210。本发明的实施例使用显现薄膜多孔性的热液合成介电膜202从而避免这种短路。
在第一示例性方法中，上电极或电源极204使用厚膜技术，包括，但不限于，印刷、喷射等沉积在热液膜202上。既然厚膜技术例如印刷涉及更大粒度的微粒的沉积，可以避免由于薄膜202的多孔性上电极或电源极204和接地层210的短路。除了产生更加坚固的电容器结构200以外，厚膜技术的使用使得与用于形成接地层210的材料不同的材料也能用来形成上电极或电源极204，即与用薄膜技术所沉积的材料不同的材料。这种方法还可以包括使用电阻电极材料以获得等价串联电阻的理想值而不需消耗额外表面积，另外可以要求例如表面安装离散电阻器。当使用低温厚膜技术，例如，但不限定于，印刷时，这种方法还可以保持低温工艺的要求。
图5示出这类基板结构200(图2)的基板结构500与以下元件的集成：多层信号互连，例如，信号层502；电源分配互连，例如焊珠(solder ball)连接506、508；以及与作为集成电路(IC)510形式的有源装置的互连，例如焊珠连接512。
图6图示说明根据示范性实施例形成用于宽带电源去耦的基板结构的方法的流程图。在步骤600，形成第一电极。在步骤602，在第一电极上形成铁电材料层。在步骤604，在铁电材料层上形成第二电极；其中第一电极、第二电极和铁电材料层在基板结构中形成嵌入电容器。
在此前面所述的示范性实势例的优于现有技术和设计的优点可以包括：
利用铁电特性扩展电源去耦的工作宽带
改进可控制弛豫频率的利用
在低频维持低阻抗同时在更高频减小有效电感
更高的自共振频率
与阻尼电极的集成
高密度嵌入电容器集成
与现有的PCB制造工艺的制造兼容性
改进制造产量
改进电源去耦性能
改进电源去耦系统设计灵活性
改进电源去耦系统与有源和无源装置的集成
本领域技术人员可以理解在不脱离广泛描述的本发明的精神或范围内可以对在特定实施例中所示的本发明可以进行的多种变化和/或修改。因此，这些实施例无论从哪一点来看都是说明性的，而不是限制的。
可选择的技术可以包括，但不仅限于，厚膜和层压工艺。