专利名称：多联电容器的制作方法
优先权声明本申请要求受益于相同发明人在先申请的U.S.临时专利申请，申请日为2001年9月5日，已转让的USSN 60/317,356，题目为“多联电容器”，在这里作为参考引入。
背景技术：
本主题一般涉及在包括高频应用的频率应用的范围中使用的多层和多联(cascade)电容器，特别涉及提供在整体独石封装中的多个电容器部件。本主题利用了互连和附加结构产生具有包括高电容、低等效串联电感(ESL)以及低或可调等效串联电阻(ESR)的改进和/或理想化的性能特性的器件。
现代技术应用的多样化需要在其中使用有效的电子部件和集成电路。电容器为这些现代应用的滤波、去耦、旁路以及其它方面使用的基本部件，这些现代应用包括无线通讯、报警系统、雷达系统、电路转接、匹配网络、以及许多其它应用。集成电路的速度和封装密度的显著增加特别需要去耦电容器技术不断进步。当对高电容去耦电容器施加许多目前应用的高频时，性能特性变得越来越重要。由于电容器是这些广泛应用的基础，因此它们的精度和效率非常必要。电容器设计的许多特定方面已成为提高电容器性能特性的焦点。
电容器环境难以置信的多样性意味着电容器经常经受多种不同的工作频率。包括人造卫星、GPS以及蜂窝应用的许多无线通讯系统以及高速处理器应用需要电容器技术能适应高频工作。设计以适用通常较高工作频率范围的电容器技术的例子公开在U.S.专利Nos.6,208,501B1(Ingalls等人)；6,023,408(Schaper)；5,886,867(Chivukula等人)；5,576,926(Monsomo)；以及5,220,482(Takemura等人)。电容器被经常设计用于这种高频应用或是其它低频应用，但不能两者兼有。由此，需要具有在宽范围频率与理想操作兼容的各种能力的电容器。在一些有限频率内工作良好的电容器的例子介绍在U.S.专利Nos.6,184,574B1(Bissey)；6,038,122(Bergstedt等人)；以及5,786,978(Mizuno)中。
由于电容器可以在不同的频率下工作，因此它们可以在不同的温度下工作。在给定的温度下，可接受的性能通常与形成电容器使用的介质材料的电容的温度系数有关。允许需要的电容器在不同的温度下工作的现有技术涉及用不同的介质材料形成叠置的电容器(stacking capacitor)。这种叠置技术的例子介绍在U.S.专利Nos.5,799,379和5,517,385(Galvagni等人)。
实际的电容器具有在理论中不存在的固有电阻值(inherent resistancevalues)。电容器的这种附加性质经常称做等效串联电阻(ESR)(equivalentseries resistance)。希望产生尽可能接近理论工作的电容器，由此通常优选具有低ESR的电容器。在去耦电容器应用中特别需要最小的ESR。对于给定的电容值，ESR增加会增加脉动电压和功耗。这与电容器的RC时间常数有关并由此需要低电容器ESR。为提供低ESR设计的电容器的一个例子公开在U.S.专利Nos.6,226,170 B1(Nellison等人)。
提高电容器性能的另一方式是降低器件的电感。由此，对于去耦电容器优选提供低等效串联电感(equivalent series inductance)(ESL)，以便保持电路效率。也优选实现一种为减小去耦电容器的自感和互感设计的电容器。U.S.专利No.6,038,121(Naito等人)和U.S.专利Nos.6,034,864(Naito等人)示出了为消除磁通量和减小ESL设计的示例性电容器结构。
减少电流路径将降低自感。由于电流经常穿越电容器的整个长度，结构较长端上的端子(termination)将缩短电流路径。如果相邻电容器电极中的电流在相反的方向中流动，那么这将减小电容器中的互感。交叉指状(interdigtated)电容器技术中利用的多个端子也会降低电感值。U.S.专利Nos.5,880,925(DuPre等人)和U.S.专利Nos.6,243,253B1(DuPre等人)公开了能提供一些以上提到的低电感特性的多层电容器。在这些DuPre专利中讨论的基本结构对应于下文称做交叉指状电容器(IDC)的类型的多层电容器。
降低去耦电容器的ESL的另一措施是减小由端子结构和安装系统造成的互连电感。某些已知的端子方案的特点为高电感，并且经常不允许部件之间间距很小。由此，所希望有效的端子方案是具有低ESL并且对于集成电路能够满足高部件密度。在U.S.专利Nos.6,104,597(Konushi)和U.S.专利Nos.4,439,813(Dougherty等人)中薄膜电容器技术用于提供安装基板上的示例性电容器。
已知的端子方案利用了其内有孔布局的电极板以与内部柱形电极连接。这种设置提供了低ESL且节约空间的互连方案，但电容器电极中的孔布局减小了有效面积从而降低了结构的总电容。随着层数增加，过多的这些间隙孔也产生短路问题。这种端子方案的一个例子可以参见欧洲专利申请1,115,129A2(Ahiko和Ishigara.)。由此，需要提供一种低电感和高电容的端子方案。
电容器有许多不同的性能特性需要改进以便得到需要的操作。所选择的以上提到并且讨论的特性包括低ESR、低ESL和其它形式的电感、高电容、宽工作频率范围、有效的端子方案等。在单个整体结构中获得许多或全部这些需要的特性有助于形成有利的容性结构。虽然在电容器技术的领域中已有了各种方案和其它的特点，但没有一个设计将这里讨论的所有改进的性能特性结合在一起。
除了在说明书中已引证的之外，示例性的背景参考文献包括U.S.专利Nos.5,831,810(Bird等人)；U.S.专利Nos.5,811,868(Bertin等人)；以及5,599,757(Wilson等人)。
以上所有美国专利申请的公开内容在本申请中作为参考引入。
发明简述本主题意识到并解决了以上各种不足之处及电容器技术的其它一些方面。由此，总的来说，当前公开技术的主要目的是在宽频率范围提高电容器的性能。更具体地，公开的多层和多联电容器的实施例在宽频率范围提供了优选的工作特性和多种灵活性。
本主题的另一目的是在一体的电容器封装中提供多个部件及其相应的优点。多个部件的各种组合提供了电容器设计的灵活性和相应的性能。一体的结构提供了多个平行排列和互连的叠置的电容器。
本技术的再一目的是提供一种能适应宽范围操作条件的电容器结构，操作条件包括需要的电容值和操作频率。优选，可能的结构能提供从0.5μF到1F以上的电容值范围，并且操作频率范围从几KHz到几GHz。
当前公开技术的又一目的是涉及本多层和多联电容器的ESR和ESL。这里公开的各实施例优选的特点为低ESL和低ESR。根据选择的电容器结构和它的可调节方面，ESR也可以调节到需要的级别。
当前公开的技术的还一目的是提供一种多联电容器，其中通过有利的互连结构固定叠置的部件。这种固定和互连结构优选提供了低电感和其它优点，同时保持了结构大体的高电容值。根据本主题内部和/或外部电极连接的选择提供了多用途的端子结构。
本多层和多联电容器的另一目的是提供一种独石结构，可以密封在环氧树脂铸模体中，提供了电容器和其上的任何键合线或其它连接装置可选的额外保护。
本主题的再一目的是在厚度可调的本多联电容器的多层部分中可选地提供介质层。不同的结构可以提供具有各种厚度的相邻介质层，由此扩宽了与特定的结构相关的谐振曲线。
公开的技术的其它目的和优点阐述在这里详细的说明中，或者对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。此外，本领域中的普通技术人员还应该理解可以在公开的技术的各实施例和应用中进行修改和改变具体示出、参考和讨论的结构及其步骤，同时不脱离公开技术的精神和范围。这种改变包括，但不限于，等效装置和结构、材料、或那些示出、参考、或讨论的步骤的替换以及各种部分、结构、步骤等的功能性、操作性或位置性的倒置。
此外，应该理解本技术的不同实施例以及不同的目前的优选实施例可以包括目前公开的结构、步骤或元件或它们的等效物的各种组合或结构(包括在详细的说明书中的附图或文字描述中清楚表达出的特征或步骤或结构的组合)。本主题的第一示例性实施例涉及多层电容器，包括以连续的叠置结构提供的基板、第一电极层、第一绝缘层、第二电极层。然后也提供导电通路用于电连接电极层的选定部分。第一和第二电极层和绝缘层都定义有多个通孔，它们各自的直径能使导电通路穿过。
对第一示例性实施例引入多个附加结构。一个这种结构对应于提供在第一绝缘层和第二电极层之间的电阻层，其中这种电阻层也定义了导电通路能穿过的多个通孔。这种示例性实施例的另一可能结构是基板的特点为外部周边，第一和第二电极层的特点在于各自基本上连续的部分和多个从各连续部分延伸到基板外周边的伸出部(tab)。另一可选的结构包括附加的绝缘层和/或固定到选定的导电通路的焊料球。
本主题的第二示例性实施例对应于一种多联电容器，包括第一多层电容器、第二多层电容器以及多个连接各多层电容器的选定部分的多个导电焊盘(land)。每个多层电容器由电极和绝缘层的组合形成。多个伸出部的每一个可从电极层的选定边缘延伸。第一多层电容器的选定层定义出通孔，导电通路穿过形成与某些电极的电连接。
进一步参考本公开技术的第二示例性实施例，额外的电容器，例如表面安装电容器、单层电容器、双层电容器、电化学电容器、陶瓷电容器、钽电容器、和/或它们的选定组合也可以连接到多层电容器实施例的导电焊盘。在更具体的实施例中，多个多联电容器可以连接到常规(common)电容器。可以形成另一实施例以便改变多联电容器中第二多层电容器的各绝缘层的厚度以调节器件的谐振特性。
本主题的第三示例性实施例涉及一种多层电容器，包括连续叠置的多个电极层和绝缘层、多个从各电极层的选定边缘延伸并在多层电容器的选定侧上露出的伸出部、通过在最上电极层和相邻下绝缘层中穿孔形成的多个通孔、多个穿过选定通孔的导电通路、以及多个连接选定的多个伸出部的导电焊盘。伸出部优选以交叉指形方式排列，通孔优选形成得露出多层电容器的下一连续的电极层。
本主题的附加实施例同样涉及形成公开的多层和多联电容器实施例的某些方面的方法。这种方法的第一示例性实施例对应于调节多层部件的等效串联电阻(ESR)的方法。方法包括以下步骤制备包括至少由绝缘层分开的第一和第二电极层的多层部件；在绝缘层和第一或第二电极层之一之间提供电阻层，以及通过改变电阻层的有效电阻调节元件的ESR。更具体地，通过调节电阻层的组分或厚度可以改变有效电阻。此外，通过将其中一个电极层穿孔形成多个通孔然后调节选定的通孔的各直径，以改变电阻层上的覆盖程度来改变有效电阻。
根据本主题的方法的另一个示例性实施例涉及调节多层部件的谐振特性的方法。这种方法优选包括以下步骤制备具有多个连续叠置电极层的多层部件；提供夹在每个电极层之间的分隔绝缘层，以及改变选定的分隔绝缘层的厚度，由此调节多层部件的谐振特性。这种改变步骤可以为例如连续的厚度变化、构图的厚度变化、和/或各层之中匹配的可变厚度变化。
不必表示在该简述部分的本主题的附加实施例包括和引入在以上总结的目的中指出的特征或部分的方案，和/或在本申请中另外讨论的特征或部分的各种组合。
通过阅读说明书的其余部分，本领域的普通技术人员将更好地理解这些实施例的特点和方案及其它的特点和方案。
附图简介参考附图做出的包括最佳方式的目前公开的技术的详细和能实施的说明阐述在说明书中，其中
图1A和1B涉及本主题的第一示例性实施例；其中图1A示出了根据本主题的某些实施例使用的示例性薄膜球栅阵列(BGA)电容器结构的部分分解图；图1B示出了主题多联电容器技术的示例性实施例，包括如图1A中示出的薄膜BGA部件和交叉指形电容器(IDC)部件；图2A和2B涉及本主题的第二示例性实施例；其中图2A示出了主题多联电容器技术的第二示例性实施例的部分分解图；图2B示出了例如图2A中所示的本主题的第二示例性实施例的详细图；图3A到3C分别示出了主题多联电容器技术的示例性实施例的不同的视图；图4A和4B示出了本主题的示例性实施例，集中在示例性端子结构上；图4C示出了本主题的示例性实施例，选定的附加部件并联连接形成根据本公开的技术的多联电容器的另一实施例；图5A示出了本技术的示例性多联电容器，具有安装在印刷布线板或其它合适表面上的装置；图5B示出了根据本主题的具有多级别多联结构的示例性多联电容器；图6A到6E表示用于主题多联电容器设计的多层部分的示例性结构；其中图6A对应于示例性多层布局，具有固定厚度的介质层；图6B、6C、6D和6E分别对应于具有各种厚度的介质的示例性多层电容器布局；图7示出了根据主题多联电容器技术对于部件的选定组合可得到的电容值的示例性范围。
图8A和8B示出了对应于本主题的选定实施例的示例性阻抗曲线。
在整个说明书和附图中重复的参考数字表示公开技术的相同或类似特征或元件。
附图的详细说明参考发明简述部分，本主题涉及在宽频率范围改进电容器性能。更具体地，公开的多联电容器提供了宽操作频率范围的大电容、低ESL和/或可调节的ESR。
本多联电容器包括提供在一体的电容器封装中的多个部件。示例性多联电容器包括许多不同的部件，包括薄膜BGA电容器、IDC结构、单层电容器、双层电化学电容器、表面安装的钽电容器、多层电容器(MLC)等。此外，选定电容器部件的某些方案可以组合形成单个独石电容器结构。本技术的优选实施例将至少两个这些部件的方案引入到一体的结构内。
两个优选部件为薄膜BGA电容器，例如图1A中示出的，以及交叉指形电容器(IDC)。薄膜BGA技术提供了低ESL和可调的ESR，并提供了固定到电子印刷布线板(PWB)或陶瓷封装的装置。第一示例性实施例包括例如与图1B和3A中示出的薄膜BGA器件并联电连接的IDC型部件。这种示例性组合提供了具有两级去耦(decoupling)。
根据本公开提供了类似去耦能力的多联电容器的第二示例性实施例为将BGA技术引入到如图2A、2B和3B中公开的IDC的顶层内的厚膜结构。该和其它示例性多联电容器结构提供了从千周到千兆赫频率范围宽带去耦。对于单薄膜BGA/IDC组合，对于选定结构的可能的电容值范围从约0.5μF到约50μF。
图4A和4B示出了对于本主题的选定实施例的示例性端子配置。这种端子布局允许将附加的部件与选定的实施例电连接。与以上提到的第一或第二示例性实施例之一组合的这种附加部件包括表面安装的钽电容器、多层电容器或单层电容器。
图5A示出了本多联电容器技术的另一示例性实施例，集中在将这一实施例和其它实施例固定到印刷布线板或其它合适表面的示例性结构。图5B示出了本主题的另一示例性实施例，将以上提到的第一或第二或其它实施例与单个化学电容器结合产生总的电容值增加的多联电容器。
图6A到6E，下文共同称做图6，显示出用在根据本多联电容器的多层部分中的介质层和电极层的各种结构。图7示出了对于选定的电容器部件及其组合可得到的总的电容值范围。图8A和8B示出了举例说明与本主题的选定实施例有关的选定性能特性的阻抗曲线。
应该注意每个示例性实施例不意味着限定本主题。作为一个实施例的一部分示出或介绍的结构可以与其它实施例的方案组合产生又一实施例。此外，某些结构可以与执行了相同或相似功能但没有明确提到的类似器件或特征互换。
应该理解附图没有按比例画出。此外，应该理解每个图的选定元件不表示与该图中的其它元件成比例。此外，作为形成这里讨论的各实施例的某些元件的示例性物质列出的材料仅为一些例子，绝对不是用来限定各电容器实施例的具体组分。应该理解由于设计和/或产生了新改进的材料，这里公开的技术将引入这些物质。
下面详细介绍本多联电容器技术的当前优选实施例。现在参考附图，图1A和1B涉及第一示例性多联电容器实施例。图1A示出了根据本多联电容器技术的选定实施例中使用的薄膜BGA电容器部件10。提供基板16，在其上形成有第一绝缘层18。用于形成基板16的合适物质的例子包括硅、玻璃陶瓷、氧化铝、氮化铝、碳化硅、氧化锌、BaTiO3、可变电阻陶瓷、钙钛矿陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、或其它高温惰性材料。在选定的应用中优选的以上列出的合适基板材料包括玻璃、玻璃陶瓷、或硅晶片。也可以选择合适的材料作为绝缘层18，有时也称做极化层。绝缘层的缓冲类型优选和具有电阻性、半导电或导电特性的基板材料一起使用。可以选择其它特定材料结合通常粗糙的基板材料一起使用。基板16和绝缘层18的优选组合的一个例子为具有二氧化硅绝缘层的硅基基板。
底电极层20设置在绝缘层18上。形成底电极层20使用的合适物质的例子包括铂、金、镍、钯、钌、铱、氧化钌、氧化铱、或其它合适的导电材料，或者以上选定的参考物质的合金。以上列出的合适基板材料中，某些应用中优选的形成根据本主题的下电极层的材料为铂、金或镍。在形成本主题的BGA部件10和/或其它实施例中使用的选定材料的一些组合需要绝缘层18和底电极20之间有粘附层。这种粘附层(未标出)包括如二氧化钛、钛、钽、铬、氮化钽、氮化钛、镍铬合金、钛/钨或镁等示例性物质。合适的粘附层也优选由氧化溅射的钛形成的二氧化钛或在氧气中反应溅射钛形成的二氧化钛形成。
一系列伸出部32在电极层20的周围延伸，由此每个伸出部32延伸到BGA部件的外表面。介质层22设置在底电极层20上，一些实施例利用了位于介质层22和底电极层20之间的可选导电氧化物缓冲层(未标出)。形式介质层22使用的合适物质的例子包括PbZrTiO3(也称做PZT)、PNZT、PLZT、PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3(也称做PMN-PT)、SrBaTiO3、BaTiO3、SrTiO3、Bi2SrTa2O9、多晶陶瓷钙钛矿、多晶relaxor铁电陶瓷氧化物、二氧化硅、Si3N4、氮氧化硅、Al2O3、Ta2O5、多晶钨青铜、多晶钛酸铋以及其它合适的介质材料。PZT和PNZT通常用做用于选定应用的优选的介质材料。
施加顶电极层24，伸出部32通常延伸到部件10的边缘。用于形成顶电极24使用的合适物质的例子包括铜、镍、铝、钯、金、银、铂、铅、锡、以上提到元素的选择组合、或是其它的合适导电物质。阻挡层34优选提供在介质层22和顶电极层24之间。特点层34的特性为确保BGA部件10的通常具有低漏电流并且更可靠。后一特点通常由电阻性阻挡层34的厚度和/或顶电极24的覆盖程度可以容易调节而实现，提供了可调并且可控的内部电阻。通常小但可调节的ESR经常更需要而不是电容器部件中可以忽略不计的ESR以避免所得电路中的电位环。层34提供了本技术的电容器实施例的另一优点。该优点包括防止金属电极层扩散到介质或其它层内、减少了通过介质物质短路或导通的机会、提高了电极的粘附性、改变了电容器器件的极性、或是促进了器件的自加热。电阻性阻挡层34中使用的物质的通常例子包括钛、钽、铬、氮化钛、钛/钨、钨、镁等，这在本领域中是容易明白和理解的。在阻挡层34的一些实施例中优选的其它物质的例子包括氮化钽、镍铬合金、硅化铬、以及其它电阻性化合物。
第二绝缘层36，也称做钝化层施加到电极层24。这种钝化层36保护了下面的电容器层并有助于部件的电稳定性。用于钝化层36的示例性合适的材料选自无机材料的薄膜，例如氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiON)，表示为SivHwCxOyNz的各种非化学计量组合。此外，钝化层36可以由有机聚合物的多种膜制成，包括聚酰亚胺、环氧树脂、或苯并环丁烯(BCB)、以及无机和有机材料的各层的组合。
顶电极层24具有圆形开口26的阵列，提供了到底电极20的连接路径的非接触孔。类似的孔阵列提供在电阻性阻挡层34中。通过使导电层24中的孔26大于各阻挡层34(如图1B所示)中的各孔，露出了电阻性阻挡层34的附加部分。露出了更多的电阻性阻挡层34增加了器件的ESR，例证了选定的多联电容器结构的电阻可调。导电通路28和29插入电容器部件10内，相邻的接触在顶电极24和底电极20之间交替。然后焊料球(solder ball)30固定到各通路28和29的各端形成端子结构。一旦所有的层都淀积在基板16上，那么薄膜BGA部件10就起作用。
本主题的第一实施例14包括薄膜BGA部件10和多层IDC部件12。通过将超低ESL、高频特性的BGA部件10与较大电容的IDC部件12结合，有用的去耦功能的频率范围扩展。薄膜BGA技术可以利用除多层IDC之外的部件以形成额外的多联结构。
通常的IDC对应于电极层和介质层的多层布局。这种多联布局的部分分解图显示在图2A中。电极层优选与从各层中延伸出的伸出部平行，由此从交替的电极层中伸出的电极伸出部在各列中对准。这种交叉指形端子的布局提供了通常低ESL的电极结构。电流优选沿芯片部件的较短距离穿过，由此降低了器件的自感。IDC的电极布局使得流出第一组正极板的电流在相反方向中沿相邻板的负组返回。电流在相反方向中流动的这种措施显著减少了在相同的方向中流动的相邻电流产生的电感。
图3A示出了具有将BGA部件10与IDC部件12连接结构的多联电容器实施例14。沿部件的选定侧边提供焊盘52以连接伸出部32产生的端子以及IDC伸出部48和50。此外，可以提供两组焊盘52，一组用于BGA部件10，一组用于IDC部件12。然后这两组焊盘配合形成一体的一组侧边端子，例如图3C中所显示的。通过电容器技术领域中普通技术人员公知的较简单技术进行施加外部焊盘的工艺。其它端子结构包括施加到导电通路28和29的焊料球或其它焊料元件。形成焊料球的材料例子包括锡铅合金、锡铜银合金、锡铜合金、锡银合金、锡铋合金、锡银铋铜合金、锡锑合金、锡银铜锑合金以及其它合适的物质。经常优选在焊料球30下面添加可选的下突点冶金(metallurgy)以帮助控制焊料材料30的流动。图2B示出了这种球限制冶金(BLM)38与本技术示例性实施例的相对位置。用做BLM38的示例性物质对应于铜、镍、金、银、锡铅、选自以上提到的金属化元素的组合形成的合金、以及具有焊料表面的导电金属的其它组合。优选用于某种应用的示例性特定BLM材料包括镍-金层或铜-镍-金层。焊料元件30可以更方便地施加到公开技术的实施例并随后用于将多联电容器实施例连接到PWB。
图2A、2B和3B涉及本主题的第二示例性实施例，提供了与参考图1A和1B讨论的第一示例性实施例类似的电特性。该第二实施例40将BGA部件的厚膜形式应用到IDC型电容器如12的顶层内。第一组电极层和对应的伸出部48形成具有给定极性的一组端子和第二组电极层，对应的伸出部50形成与电极48的极性相反的一组端子。介质层44提供在相邻电极层之间形成示例性的多联电容器40。顶电极层42具有孔26的阵列，形成到与第一电极42相反的第二电极46的非接触路径。然后使用导电通路连接(attachment)28和29交替连接到顶部两个电极层。在图2B的详细的透视图中，通路28连接到电极层42，通路29连接到电极层46。顶部两层下面的电极层优选连接通常的侧边的端部焊盘52。
根据目前公开的多联电容器实施例，可以使用多种不同类型的电极端子。如果焊盘52卷绕在电容器的顶面和底面周围，如图3C所示，那么选定边可以用玻璃或有机焊料阻挡层(solder-stop)涂覆。由此形成了BLM的修改应用，回流焊料元件30以提供焊料的柱形结构用于安装实施例，并提供应力吸收支柱，同时保持电容器的侧面没有端子结构。此外，内部通路可以接触伸出部48和50，由此不需要外部焊盘。由此，选择使用内部或外部通路互连促进了多种示例性多联电容器结构。
再次参考图2A和2B，优选将绝缘层淀积到顶电极层42上。进一步将焊料球30和BLM38添加到柱状28和29形成例如图2B中显示的多联电容器结构40。
在示例性实施例40(图2A、2B和3B)和示例性实施例14(图3A)中利用的端子布局具有许多优点。公开的实施例不需要孔26和通路28和29穿过电容器的所有电极层。现已知道部件的电容直接正比于它的电容器极板的面积。穿过电容器体的孔减少了有效电容并降低了器件的可靠性。本实施例的选定端子的布局比其它端子布局成本更有效，优选不减少多联电容器设计的整个电容值。应该认识到在示例性实施例中具有到许多电极层的孔和通路的内部连接产生复杂的端子排列，但特点为通常低电感。另一方面，还应该认识到仅连接到少量电极板的内部连接，例如图1B和2B中所显示的，提供了相当可靠的内部端子排列。此外，它的特点在于降低了电容。由此在本主题的复杂性、电容值、电感值以及端子排列的可靠性之中存在明显的折衷。对于某些申请更需要选择这些特性，由此落入了改变可利用的内部连接的电极层的数量的本公开技术的范围内。
图3A到3C示出了例如在以上的说明书中介绍的示例性多联电容器的实施例。图3A示出了所有元件组合形成薄膜BGA/IDC多联电容器的第一实施例14。图3B示出了厚膜BGA/IDC多联电容器的第二实施例40。应该理解以上参考一个示例性实施例介绍的各种结构仍然可以适用于本主题的其它实施例。更具体地，参考实施例14或其它实施例介绍的可选层和特征可以应用到实施例40或其它实施例，反之亦然，然而仍然在目前公开技术的范围内。图3C示出了表示实施例14或40的示例性实施例54。对于说明书的其余部分，应该理解BGA/IDC部件54对应于薄膜多联电容器结构14或厚膜独石多联电容器实施例40。
参考图4A和4B，示出了示例性多联电容器54的附加端子结构。提供一体的正端子条60，将选定的正端子焊盘56连接在一起。也提供一体的负端子条62，将选定的负端子焊盘58连接在一起。端子条60和62帮助附加的部件连接到示例性多联电容器54。可以使用基于直接写入的技术或本领域公知的其它技术丝网印刷或定义这种端子元件60和62。
本多联电容器技术的另一实施例显示在图4C中，包括排列在单层电容器66旁边并电连接到当前公开技术的BGA/IDC部件54的两个表面安装的钽或陶瓷电容器64。这种陶瓷电容器64的内含物(inclusion)扩展了本技术的选定实施例的可能电容值的范围。小表面安装的钽电容器优选提供了高能量存储、高操作频率以及需要的ESR性能。根据本技术使用的表面安装的钽电容器的一个例子是例如AVX公司销售的TACmicrochip牌钽电容器。单层电容器(SLC)66优选利用薄膜技术使用于可靠功能性的示例性电容器处于GHZ频率范围。根据本主题使用的示例性单层电容器包括涂覆到陶瓷介质具有可变容量范围的薄膜金金属化层。根据本技术使用单层电容器66的另一个例子为例如AVX公司销售的Accup牌钽电容器。
单层电容器66可以连接到多联电容器的实施例54，如图4C所示。单层电容器66的底电极连接到选定的端子条62，顶电极将一个或多个键合线69线键合到其它端子条60。提供端子元件60和62便于将表面安装的钽或多层陶瓷电容器64连接到实施例54。图4C和含有单层电容器的其它示例性实施例的最终多联结构优选用环氧树脂的模制化合物或其它合适的材料密封以保护连接独特的电容器部件使用的任何键合线。
本主题的另一示例性实施例包括连接到单个表面安装钽电容器64的BGA/IDC部件54。附加的实施例包括与多联实施例54并联的至少两个表面安装钽电容器。可以类似于图4C中所示的实施例不带有单层电容器66地排列这种钽电容器。本技术的其它示例性实施例包括与至少一个单层电容器组合并且不带有钽电容器的BGA/IDC部件54。
图5A示出了根据本主题的示例性多联电容器，特点为钽电容器、单层电容器、或电化学电容器68作为它的一个部件。电双层电容器68安装并与BGA/IDC部件54并联电连接。焊料球30附着到BGA/IDC部件，将多联电容器连接到陶瓷封装或PWB。由于许多双层电容器54的尺寸，经常就近将多个BGA/IDC部件54与单电化学部件68并联连接，如图5B所示。图5B的示例性实施例显示了在单电化学电容器68顶部上并排设置的十个BGA/IDC部件54。
在示例性多联电容器结构中包含电化学电容器能使多联电容器具有特别高的电容值，通常约0.1法拉(Farad)或更大。通常的电化学电容器包括排成行形成电化学层起介质作用的氢离子。在毫欧(mΩ)区域中所得结构提供了很高的电容和极低的ESR。一些双层电容器结构仅有两个与部件有关的端子。由此，为了将这种电化学器件68与BGA/IDC部件54连接，优选利用如图4B所示的端子元件60和62。BGA/IDC部件54的正极性端子聚集并连接到第一端子条，负极性端子聚集并连接到第二端子条，每个端子条分别连接到电化学电容器68的端子。与焊料回流相比，电化学电容器68的热敏特性在电化学部件和导电的环氧或机械紧固件之间产生优选的连接方法。
参考图5A，示出了安装选定的多联电容器结构的示例性位置。焊料球30或其它焊料元件通常安装到结构54的BGA型端子部分。焊料球30可以施加到印刷布线板(PWB)70上对应的连接焊盘71。连接焊盘71可以多种方式排列，以适应电路连接。各焊盘和焊料突点布局也可以用于连接多联电容器结构内的独特部件。
本多联电容器技术的一些示例性实施例的优点为通过改变在这些示例性实施例中并且特别是在这些示例性实施例的IDC部件中存在的介质层的厚度改进了谐振特性。交错的介质层84和电极层82的标准图形显示在图6A的布局72中。具有固定厚度介质层84的这种布局72得到通常在频率范围低阻抗。引入具有不同厚度的介质层84以帮助扩宽频率电容器范围的结构显示出优选的阻抗特性。图6B的布局74提供了具有连续变化厚度的介质层84。图6C和6D的示例性布局76和78分别提供了具有构图的厚度变化的介质层84。图6E的示例性布局80提供了具有匹配的不同厚度的介质层84。这些示例性实施例和其它实施例在通常较宽的频率范围基础上改进了电容器性能。
如上所述，本主题的优点是提供了具有从约0.5μF到1F以上范围电容的多联电容器实施例。图7示出了对于选定的多联电容器实施例如何可以得到这种宽范围的电容值。本多联电容器的优选实施例包括薄膜BGA部件10和IDC部件12的至少一些方案。用于BGA电容器10的电容值通常从约10pF到约500nF的范围，提供了附加的介质和电极层之后，交错的电容器值可以从约100nF到约10μF或更多。由此，引入了薄膜BGA10和IDC12的一些方案的多联电容器特点为来自IDC12的通常高电容和来自BGA电容器10的通常低电感。单层电容器66提供了较高的操作频率范围，同时保持了约0.1pF到约1nF的电容范围。对于可能的多联电容器实施例，钽电容器提供了附加的优点，同时提供了约1μF到约1mF的通常电容范围。包括双层电化学电容器68一些方案的多联电容器特点为通常高电容，是由于这种双层电容器68通常具有约1mF到约1F的电容。选择组合一些电容器方案由此组合形成具有多种可能电容值的多联电容器实施例。也可以使用多层表面安装电容器，它们覆盖10，12和64的范围。
图8A和8B示出了对应于本主题的选定实施例的示例性阻抗曲线。图8A和8B示出了不同的电容器方案的组合如何组合形成在宽频率范围具有所需性能的示例性多联电容器。图8A示出了对于各电容器部件阻抗值与操作频率的关系。这种部件包括如交叉指形器件的多层电容器部件以及如电化学电容器、钽电容器或其它的体电容器(bulk capacitor)。电压调节器组件经常引入到无源器件(passive device)或其它电路部件内，也提供了对于整个结构的阻抗值。如果多联电容器引入了具有图8A所示阻抗曲线的所有以上部件的方案，然后器件的总的阻抗曲线将类似于图8B的“Net Z”曲线。通过组合选定的特征，形成的器件可以显示出从约KHz到约GHz频率范围通常具有低阻抗。对于该示例性数据，通常可以获得约5-10mΩ的靶阻抗。
虽然参考具体的实施例详细介绍了本主题，但本领域的技术人员应该理解在理解以上内容的基础上可以对这些实施例进行修改、变形和等效。因此，本公开的范围借助例子而不是限定性的，本公开不排除包括对本主题的这些修改、变形和/或添加，这对于本领域的技术人员来说是显而易见的。
权利要求
1.一种多层电容器，包括基板；大体上覆盖所述基板的第一电极层；大体上覆盖所述第一电极层的第一绝缘层，所述第一绝缘层定义出穿过其的第一多个通孔，所述第一多个通孔每个具有第一直径；大体上覆盖所述第一绝缘层的电阻层，所述电阻层定义出穿过其的第二多个通孔，所述第二多个通孔每个具有大于或等于所述第一直径的第二直径；大体覆盖所述电阻的第二电极层，所述第二电极层定义出穿过其的第三多个通孔，所述第三多个通孔每个具有大于或等于所述第二直径的第三直径，所述第一、第二和第三多个通孔分别同轴地并置并形成多个三联体通孔；以及穿过选定的所述三联体通孔的第一多个导电通路，每个所述第一多个导电通路分别连接到所述第一电极层，并以与所述第二电极层无接触的方式提供。
2.根据权利要求1的多层电容器，还包括大体上覆盖第二电极层的第二绝缘层，所述第二绝缘层定义出穿过其的第四多个通孔，所述第四多个通孔分别横向地偏离所述多个三联体通孔；以及穿过选定的所述第四多个通孔的第二多个导电通路，每个所述第二多个导电通路分别连接到所述第二电极层。
3.根据权利要求1的多层电容器，其中所述基板具有外周边；以及所述第二和第二电极层每个包括一个基本上连续的部分和从所述连续部分延伸到所述基板的所述外周边的多个伸出部分。
4.根据权利要求3的多层电容器，还包括多个焊料球，其中每个焊料球分别施加到选定的所述第一和第二多个导电通路的一部分。
5.根据权利要求1的多层电容器，其中每个所述多个导电通路的特点为各自的第一和第二端，并且其中每个所述第一多个导电通路的选定端邻接所述第一电极层。
6.一种调节多层部件的等效串联电阻(ESR)的方法，所述方法包括以下步骤制备多层部件，该多层部件包括由绝缘层分开的至少第一和第二电极层；在绝缘层和第一或第二电极层之一之间提供电阻层；和通过改变电阻层的有效电阻调节部件的ESR。
7.根据权利要求6的方法，其中所述调节步骤包括将第一或第二电极层之一穿出多个通孔；以及通过调节选定的多个通孔的直径改变电阻层的有效电阻，由此穿孔的电极层的覆盖率改变了电阻层的有效电阻。
8.根据权利要求6的方法，其中所述调节步骤包括通过调节电阻层的厚度改变电阻层的有效电阻。
9.根据权利要求6的方法，其中所述调节步骤包括通过调节电阻层的组分改变电阻层的有效电阻。
10.一种调节多层部件的谐振特性的方法，所述方法包括以下步骤制备具有多个连续叠置的电极层的多层部件；提供夹在每个电极层之间的各绝缘层；以及改变选定的各绝缘层的厚度，由此调节多层部件的谐振特性。
11.根据权利要求10中调节多层部件的谐振特性的方法，其中所述改变步骤包括提供各层之中具有连续厚度变化的各绝缘层。
12.根据权利要求10中调节多层部件的谐振特性的方法，其中所述改变步骤包括提供各层之中具有构图的厚度变化的各绝缘层。
13.根据权利要求10中调节多层部件的谐振特性的方法，其中所述改变步骤包括提供各层之中具有匹配的多种厚度变化的各绝缘层。
14.一种多层电容器，包括基板；大体上覆盖所述基板的第一电极层；大体上覆盖所述第一电极层的第一绝缘层，所述第一绝缘层定义出穿过其的第一多个通孔，所述第一多个通孔每个具有第一直径；大体上覆盖所述第一绝缘层的第二电极层，所述第二电极层定义出穿过其的第二多个通孔，第二多个通道各具有大于或等于第一直径的第二直径，所述第一和第二多个通孔分别同轴地并置并形成多个通孔对；以及穿过选定的所述通孔对的第一多个导电通路，每个所述第一多个导电通路分别连接到所述第一电极层，并以与所述第二电极层无接触的方式提供；其中所述基板具有外周边；以及其中所述第一和第二电极层每个包括一个基本上连续的部分和从所述连续部分延伸到所述基板的所述外周边的多个伸出部分。
15.根据权利要求14的多层电容器，还包括大体上覆盖所述第二电极层的第二绝缘层，所述第二绝缘层定义出穿过其的第三多个通孔，所述第三多个通孔分别横向地偏离所述多个通孔对；以及穿过选定的所述第三多个通孔的第二多个导电通路，每个所述第二多个导电通路分别连接到所述第二电极层。
16.根据权利要求15的多层电容器，还包括多个焊料球，其中每个焊料球分别施加到选定的所述第一和第二多个导电通路的一个的一部分。
17.根据权利要求14的多层电容器，还包括大体上覆盖所述第一绝缘层的电阻层，所述电阻层定义出穿过其的第三多个通孔，所述第三多个通孔分别与所述多个通孔对同轴地并置，所述第三多个通孔每个具有大于或等于所述第一直径以及小于或等于所述第二直径的第三直径。
18.根据权利要求14的多层电容器，其中每个所述第一多个导电通路的特点为各第一和第二端，并且其中每个所述第一多个导电通路的选定端邻接所述第一电极层。
19.一种多联电容器，包括第一多联电容器，该第一多联电容器包括具有外周边的基板；叠置在所述基板上并通过绝缘层相互隔开的第一和第二电极层，所述第一和第二电极层每个具有多个边缘，所述绝缘层和所述第二电极层每个限定出穿过其的多个通孔；穿过选定的所述多个通孔并连接到所述第一电极层的多个导电通路；以及第一和第二多个伸出部，分别从所述第一和第二电极层的选定边延伸到所述基板的所述外周边，所述第一和第二多个伸出部以交替的交叉指形方式排列以便于交替的电极层连接到外部部件；第二多层电容器，该第二多层电容器包括第一和第二多个电极层，所述第一和第二多个电极层的每层由绝缘层相互隔开，每个电极层具有多个边缘；以及第一和第二多个伸出部，从所述第一和第二多个电极层的选定电极层的选定边缘延伸到所述第一多层电容器的所述基板的外周边，所述第一和所述第二多个伸出部以交替的交叉指形方式排列以便于所述第一和第二多个电极层的交替电极连接到外部部件；和多个导电焊盘，将所述第一多层电容器的选定的所述第一和第二多个伸出部连接到所述第二多层电容器的所述第一和第二多个伸出部。
20.根据权利要求19的多联电容器，还包括连接到选定的所述多个导电焊盘的至少一个表面安装的电容器。
21.根据权利要求20的多联电容器，其中一对表面安装的电容器连接到选定的所述多个导电焊盘。
22.根据权利要求19的多联电容器，还包括连接到选定的所述多个导电焊盘的单层电容器。
23.根据权利要求19的多联电容器，还包括连接到选定的所述多个导电焊盘的至少一个表面安装的电容器。
24.根据权利要求23的多联电容器，其中一对表面安装的电容器连接到选定的所述多个导电焊盘。
25.根据权利要求19的多联电容器，还包括多个所述第一多层电容器；多个所述第二多层电容器，所述多个第一多层电容器的每个多层电容器分别以多联方式与所述多个第二多层电容器的所述多层电容器的一个连接，形成多个多联电容器部分；以及与每个所述多联电容器部分连接的常规电容器。
26.根据权利要求25的多联电容器，其中所述多个多联电容器部分(section)物理地并联安装到所述常规电容器上。
27.根据权利要求25的多联电容器，其中所述常规电容器为双层电容器。
28.根据权利要求25的多联电容器，其中所述常规电容器为单层电容器。
29.根据权利要求19的多联电容器，其中每个所述多个导电通路分别连接到所述第一多层电容器和第一电极层，并以与所述第一多层电容器的第二电极层无接触的方式穿过选定的所述各多个通孔。
30.根据权利要求21的多联电容器，其中由所述第一多层电容器的所述绝缘层定义出的所述多个通孔具有第一直径；以及由所述第一多层电容器的所述第二电极层定义出的所述多个通孔具有大于或等于所述第一直径的第二直径，其中所述第一和第二多个通孔另一特点为分别同轴地并置并形成各多个通孔对。
31.根据权利要求19的多联电容器，还包括连接到选定的所述多个导电焊盘的至少一个附加电容器，其中所述至少一个附加电容器选自以下组成的组表面安装的电容器、单层电容器、双层电容器、电化学电容器、陶瓷电容器以及钽电容器。
32.根据权利要求19的多联电容器，其中所述第二多层电容器的所述绝缘层的各绝缘层的厚度不同以调节所述多联电容器的谐振特性。
33.根据权利要求32的多联电容器，其中所述第二多层电容器中选定的各绝缘层具有连续的厚度变化。
34.根据权利要求32的多联电容器，其中所述第二多层电容器中选定的各绝缘层具有构图的厚度变化。
35.根据权利要求32的多联电容器，其中所述第二多层电容器中选定的各绝缘层具有各种厚度变化。
36.一种多层电容器，包括连续叠置的多个电极层和绝缘层，所述电极层每个具有多个边缘；多个伸出部，从所述多个电极层的每一个的选定边缘延伸出并在所述多层电容器的选定边上露出，所述多个伸出部以交替的交叉指形方式排列；第一和第二多个通孔，分别通过将所述最上层电极层和所述相邻下绝缘层穿孔并露出所述下面相连的电极层；第一多个导电通路，每个穿过选定的所述第一和第二多个通孔并连接到露出的电极层；以及连接选定所述多个伸出部的多个导电焊盘。
37.根据权利要求36的多联电容器，还包括连接到选定的所述多个导电焊盘的至少一个附加电容器，其中所述至少一个附加电容器选自以下组成的组表面安装的电容器、单层电容器、双层电容器、电化学电容器、陶瓷电容器以及钽电容器。
38.根据权利要求37的多联电容器，其中一对附加的电容器连接到选定的所述多个导电焊盘。
39.根据权利要求36的多联电容器，还包括连接到选定的所述多个导电焊盘的单层电容器。
40.根据权利要求39的多联电容器，还包括连接到选定的所述多个导电焊盘的至少一个表面安装的电容器。
41.根据权利要求40的多联电容器，其中一对表面安装的电容器连接到选定的所述多个导电焊盘。
42.根据权利要求36的多联电容器，还包括至少一个附加多层电容器，每个多层电容器形成多联电容器部分；以及与每个多联电容器部分连接的常规电容器。
43.根据权利要求42的多联电容器，其中多联电容器部分物理地并联安装在所述常规电容器上。
44.根据权利要求42的多联电容器，其中所述常规电容器为双层电容器。
45.根据权利要求42的多联电容器，其中所述常规电容器为单层电容器。
46.根据权利要求36的多联电容器，其中分别通过将所述最上层电极层穿孔形成的每个所述第一多个通路孔具有第一直径；以及分别通过将所述相邻下部绝缘层穿孔形成的每个所述第二多个通路孔具有大于或等于所述第一直径的第二直径。
47.根据权利要求36的多联电容器，还包括在所述最上层电极层和所述相邻下部绝缘层之间的电阻层。
48.根据权利要求36的多联电容器，其中选定的所述绝缘层的厚度不同以调节所述多层电容器的谐振特性。
49.根据权利要求48的多联电容器，其中选定的所述绝缘层具有连续的厚度变化。
50.根据权利要求48的多联电容器，其中选定的所述绝缘层具有构图的厚度变化。
51.根据权利要求48的多联电容器，其中选定的所述绝缘层具有各种厚度变化。
全文摘要
公开了一种用在高频应用和其它环境的多层和多联电容器。本电容器包括一体的封装中多个电容器部件(10)或它的方案。这种部件包括例如薄膜BGA部件、交叉指形(IDC)结构、双层电化学电容器、单层电容器等。本主题的示例性实施例优选包含薄膜BGA技术和/或IDC型结构的至少某些方案。提供固定和互连结构以便于低ESL，同时保持给定的电容值。附加的优点包括宽工作频率基础上的低ESL和去耦特性。更具体地，目前公开的技术提供了从千赫到几千兆赫频率范围上的工作的示例性电容器，另一特点为宽电容值。本主题的附加公开特征是引入了各种厚度的介质层(22)以扩宽与特定结构相关的谐振曲线。
文档编号H01G4/30GK1476618SQ02803172
公开日2004年2月18日 申请日期2002年9月5日 优先权日2001年9月5日
发明者约翰·L·高尔瓦格尼, 约翰 L 高尔瓦格尼, 海斯坦第二, 罗伯特·海斯坦第二, 科罗尼, 戈尔格·科罗尼 申请人:阿维科斯公司