專利名稱：適于傳輸高頻信號的電子器件載體的制作方法
技術領域：
本發明涉及電子器件互連的領域，并具體涉及適于傳輸高頻信號的電子器件載體。
背景技術：
以半導體材料的芯片中集成的電路實現一些種類的電子元件。該芯片典型安裝在載體上，從而保護芯片免受機械應力，并然后封裝在包裝中。該芯片載體包括具有導電軌跡(tracks)的絕緣襯底；每一軌跡與該芯片的對應端聯結，并以接觸焊盤結束，典型用于連接到印刷電路板。同樣，印刷電路板一般包括在絕緣材料中形成的幾個導電層，適于在幾個電子器件之間或電子器件和連接器之間傳輸信號。
當器件的開關速度高于1GHz時鐘速率時，需要不再將電子信號傳輸認為是軌跡上簡單的點到點傳輸，而認為是電路跡線(circuit trace)上的電流支持的電磁波的傳播。這樣的電子器件載體(芯片載體和印刷電路板)上的跡線，也稱為傳輸線，代表包括至少兩個具有特殊特性(傳輸線寬度之間的關系、傳輸線之間的距離、傳輸線和參考面之間的電介質厚度)的導電路徑的系統。這些傳輸線包括近距離形成、并與參考電壓或接地連接的導電信號軌跡或跡線和另一軌跡和/或導電面，用于保護信號軌跡不受電磁干擾。波沿著信號軌跡和下面的參考電壓或接地平面定義的傳輸線傳播，形成信號電流的完整環路。當芯片工作在高頻，例如大于1GHz時，電子器件載體的感應可能嚴重影響電子系統整體的性能。
具體說，傳輸線中的任何不連續(轉換)，例如結構、材料特性和設計特征的任何改變，都產生反射波。而且，該系統包括寄生結構(電容、電感和電阻)，用作所傳輸信號的低通濾波器。結果，沿著該傳輸線傳播的電磁波的完整性得不到保護。
在低壓(邏輯值0)和高壓(邏輯值1)之間切換的傳輸信號產生方波。由于傳輸線中的所有不連續，該波經受降級并一般被接收為偽正弦波。通過所謂“眼圖”可呈現傳輸波的質量，該眼圖將所接收信號的值繪制為控制該電子器件的時鐘信號的相位的函數。傳輸線中的上述不連續性減小了眼圖的開口；所以，很難理解是否實際發生了開關轉換或信號基線的移動是否由于背景噪聲。
在利用電源電壓的降低電平(低至1.2V)工作的現代電子系統中，這些缺點特別明顯。在這種情況下，具有很低的容限來區別邏輯值0(0V)和邏輯值1(1.2V)。
而且，電子器件小型化的持續趨勢需要降低芯片載體和印刷電路板導電軌跡的尺寸。然而，傳輸線的阻抗必須保持在優化電子器件的性能的期望值上(典型為50Ω)。所以，有必要在導電軌跡和接地平面之間使用很細的電介層(由于該阻抗與軌跡寬度成反比，并與電介層厚度成正比)。導電軌跡和接地平面之間的短距離增加了對應寄生電容的值；結果，嚴重降低了傳輸線的帶寬。
所以，隨著電子器件載體，即芯片載體或印刷電路板的傳輸質量的降級，可使得電子器件工作在遠低于該芯片提供的工作頻率的頻率上。

發明內容
因此，本發明的主要目的是提供一種電子器件載體以補救上述現有技術的缺點。
本發明的一個目的是提供一種適于傳輸高頻信號的可靠電子器件載體。
本發明的另一個目的是提供一種適于傳輸高頻信號的電子器件載體，用于匹配其上連接的電子器件和電子系統的系數膨脹。
本發明的另一個目的是提供一種適于傳輸高頻信號的平坦電子器件載體。
本發明的另一個目的是提供一種適于傳輸高頻信號的電子器件載體，用于改善焊盤共面性，從而提供焊盤和電子器件I/O之間的可靠接觸。
本發明的另一個目的是提供一種適于傳輸高頻信號的電子器件載體，用于提供其不同介電材料層之間的可靠粘貼。
通過一種適于傳輸高頻信號的電子器件載體而達到了這些和其他相關目的的實現，該電子器件載體包括具有彼此絕緣的多個導電層的電路襯底，按照從其中形成多個信號軌跡的導電層的第一層的順序安排所述導電層，每一個信號軌跡結束于接觸區域，用于傳輸高頻信號；和可與參考電壓或接地連接的參考結構，用于屏蔽所述信號軌跡，其特征在于該參考結構包括在與該第一導電層相鄰的導電層的第二層中形成的至少一個參考軌跡，和在不同于第一和第二導電層的導電層之一中形成的至少一個另外的參考軌跡，通過插入與任何信號、參考電壓或接地軌跡不相連的浮動導電軌跡，將至少除了對應于相關接觸區域的正交投影的區域以外的每一信號軌跡的一部分在平面圖中疊加到對應參考軌跡上，和將與相關于每一信號軌跡的接觸區域的正交投影對應的區域的至少一部分在平面圖中疊加到對應的其它參考軌跡上。
通過附圖和詳細說明，本領域普通技術人員將更加清楚本發明的其他優點。意欲將任何其他優點合并到這里。


圖1示出了能使用根據本發明的芯片載體的電子模塊的剖面圖。
圖2包括圖2a、2b和2c，描繪了根據本發明的具體芯片載體。圖2a和2b分別圖示了平面圖和剖面圖，而圖2c是特定導電層的平面圖。
圖3包括圖3a和3b，分別是公知電子器件和包括根據本發明的芯片載體的電子器件中的信號的眼圖。
圖4包括圖4a和4b，示出了頻域中的相同信號。
具體實施例方式
為了說明的目的，以下描述基于焊球網格陣列(Ball Grid Array-BGA)封裝，其中用控制折疊芯片連接(Controlled Collapse Chip Connection)(IBM C4技術)執行芯片到芯片載體的互連，廣泛稱為倒裝芯片連接(Flip-Chip Attach---FCA)。該技術提供了高I/O密度、均勻的芯片功率分布、高冷卻能力和高可靠性。
具體參考圖1，描繪了BGA類型的電子模塊100。該電子模塊100包括半導體材料的芯片105，其中集成了在高頻工作的電源電路，例如時鐘速率5GHz。由低壓電源，例如1.2V，供電的芯片105被安裝在層疊(laminate)芯片載體110上，所述層疊芯片載體110包括依靠例如聚四氟乙烯(PTFE)的介電材料而彼此絕緣的例如由銅制成的幾個導電層。由C4球(ball)115執行芯片105到芯片載體110互連，而由BGA球120完成芯片載體110到印刷電路板(未示出)的互連。芯片載體110粘貼到包括芯片105的腔的剛性元件125和任選的例如電容器130的其他電子元件。剛性元件125最好包括例如由銅制成的金屬板，它增加整體電子模塊100的硬度，并提供別的路徑以驅散芯片105產生的熱能。芯片105和剛性元件125由例如銅制成的蓋子135覆蓋，該蓋子135也用作驅散芯片105產生的熱能和為芯片105提供機械保護的散熱器。層140包括將芯片載體110、芯片105、剛性元件125和蓋子135固定到一起的例如環氧膠的膠水。膠水也補償芯片載體110、芯片105、剛性元件125和蓋子135的熱膨脹的不同系數。
同樣考慮該電子器件是否BGA類型、該芯片是否包含(數字)電源電路、其是否工作在不同頻率或不同電源等。
現在考慮圖示了芯片載體110的部分平面圖的圖2a，其中示出了附圖標記為200的軌跡，以焊盤205結束，該焊盤205可能經過直通孔(through via)與互連球210相連，用于傳輸高頻信號。分別標為215a和215b的一對共面軌跡安排在信號軌跡200周圍，并可形成在圖示的相同導電層中。共面軌跡215a和215b以互連球225的焊盤220結束，該互連球225鏈接到在另一導電層中形成的軌跡230，和在印刷電路板(未表示)中形成的參考電壓或接地軌跡。軌跡230部分疊加到軌跡200和共面軌跡215a和215b。
軌跡200上傳輸的高頻信號產生沿著由信號軌跡200、共面軌跡215a和215b以及軌跡230限定的傳輸線傳播的電磁波。
現在參考圖2b所示的沿線A-A的剖面，芯片載體110通過絕緣膜235和235’而分別與芯片105(未表示)和印刷電路板(未表示)絕緣。絕緣膜235和235’包括其中形成例如焊盤205的焊盤的開口。芯片載體110包括通過例如PTFE的介電材料245而彼此絕緣的幾個導電層240a到240g(討論中的該例中有7個)。導電層240a到240g提供芯片105和在其上焊接電子模塊100的印刷電路板(未表示)之間的電連接。一般來說，導電層240a到240g中軌跡的設計被優化，從而降低信號和傳輸延遲之間的串擾。結果，導電層240b、240d和240f經常用于形成參考電壓或接地軌跡，導電層240c和240e用于傳輸(高頻)信號，而導電層240a和240g用于將球焊盤連接到內部導電層240b到240f，并從而用于形成(高頻)信號軌跡或參考電壓或接地軌跡。
因而，作為圖示，信號軌跡200以及共面軌跡215a和215b形成在第一導電層240a中(從芯片載體110的較低面開始)，并且軌跡230形成在第二導電層240b中(與第一導電層相鄰)。
轉接孔(via-hole)250將導電層240d中形成的參考電壓或接地平面連接到軌跡230以及共面軌跡215a和215b，并然后連接到互連球225。
在導電層240d中形成的參考電壓或接地平面、軌跡230以及共面軌跡215a和215b定義了參考結構，該參考結構控制與信號軌跡200關聯的傳輸線的阻抗，并屏蔽信號軌跡200不受電磁干擾。
導電層的接近產生寄生電容。具體說，在互連球210和225之間以及在互連球210和導電層240b中形成的軌跡之間形成寄生電容。
本發明人已發現了已知電子器件的性能降級主要是由于與互連球210關聯的傳輸線中的不連續。該傳輸線實際上經過方向的急劇變化，從沿著信號軌跡200的水平方向到前往互連球210的垂直方向。具體說，在互連球210和導電層240b中形成的軌跡之間形成的寄生電容如果與互連球210和225之間形成的寄生電容相比，則具有相對高的電容。結果，這些電容器在高頻擔當低通濾波器，并因此降低傳輸帶寬。通過根據與例如焊盤205的焊盤對應的接觸區域的正交投影而實現導電層240b和240c中的開口，即通過排除任何信號或參考電壓軌跡，可降低在互連球210和導電層240b中形成的軌跡之間形成的寄生電容。然而，這些開口可導致制造缺陷，例如由于當考慮介電層厚度，例如35μm時，不能忽視封裝結構的導電層厚度，例如12μm，而導致的芯片載體110的平坦。補充通過去除導電層240b中的導電材料而創建的大區域，例如直徑600到800μm，以保持整個封裝表面區域的平坦，是如何困難變得很明顯。另一個制造缺陷是擴展的介電材料到介電材料的界面，它對于這樣大的區域是很關鍵的粘貼界面。因此，本發明在前述方法的相反方向進行，它存在于實現環形開口，例如255，其中由導電材料制成的例如260的中心浮動盤，如圖2b和2c所示不與任何信號、參考電壓或接地平面相連。
形狀265代表不必形成信號、參考電壓或接地平面從而降低上述低通濾波效果的位置。通過重疊具有與導電層240a垂直的公共軸線的圓錐和圓柱部分而形成形狀265。由其中分別形成信號和參考電壓或接地軌跡的第一和第二導電層240a和240b而劃定第一圓柱部分的界限。由其中分別形成參考電壓或接地軌跡和信號的第二和第三導電層240b和240c而劃定該圓錐部分的界限。由其中形成信號軌跡的第三導電層240c和其中還形成參考電壓或接地軌跡的最近的導電層240d而劃定第二圓柱部分的界限。如圖所示，圓錐部分的較小直徑對應于第一圓柱部分的直徑，而第二圓柱部分的直徑對應于圓錐部分的較大直徑。通過接觸與焊盤205對應的區域而確定第一圓柱部分的直徑，其值至少等于與焊盤205對應的該接觸區域的正交投影。如圖所示，圓錐部分角包含在30°和60°之間，并最好等于45°。由導電材料制成的浮動盤260形成在導電層240b中，以創建圖2b和2c所示的參考面230和浮動盤260之間的由絕緣材料制成的環孔255。在優選實施例中，環孔255的剖面集中在與焊盤205對應的接觸區域的正交投影上。浮動盤260不與任何信號、參考電壓或接地軌跡相連。例如考慮與焊盤205對應的接觸區域具有等于600μm的直徑，然而該開口的直徑必須至少等于600μm，較大的直徑可改善信號屏蔽。發明人已注意到，在這樣的情況下，開口直徑等于800μm而浮動盤直徑等于600μm是提供有效信號屏蔽的數值，同時優化上述專用表面區域和物理參數，例如整個封裝表面區域的平坦和介電材料與介電材料的粘貼。
同樣考慮芯片載體是否具有不同的結構，例如在共面軌跡之間安排的兩個不同的信號軌跡，芯片載體是否包括不同數目的導電層，在其中形成信號軌跡的第一層的頂部是否還提供接地平面，接地平面和電源平面是否包括兩個或多個截然不同的軌跡的每一個，接觸區域是否有不同尺寸等。
更一般地，本發明提供了一種用于傳輸高頻信號的電子器件載體，包括具有彼此絕緣的多個導電層的電路(circuitised)襯底；按照從其中形成多個信號軌跡的導電層的第一層的順序安排導電層，每一個信號軌跡結束于用于傳輸高頻信號的接觸區域。該電子器件載體還包括可與參考電壓或地連接的參考結構，用于屏蔽所述信號軌跡；該參考結構具有在與該第一導電層相鄰的導電層的第二層中形成的至少一個參考軌跡和在不同于第一和第二導電層的導電層之一中形成的至少一個別的參考軌跡；通過插入與任何信號、參考電壓或接地軌跡不相連的浮動導電軌跡，將至少除了對應于相關接觸區域即焊盤的正交投影的區域以外的每一信號軌跡的一部分在平面圖中疊加到對應參考軌跡上，和將與相關于每一信號軌跡的接觸區域即焊盤的正交投影對應的區域的至少一部分在平面圖中疊加到對應的其它參考軌跡上。
所設計的方案大大降低了在信號軌跡和互連球區域中的參考面之間形成的寄生電容的電容(與它們的距離成反比)。
本發明的方案保持沿著該傳輸線傳播的電磁波的好的完整性。該電子器件載體的提出的設計盡可能小地影響芯片的性能，使得整個電子系統能在與該芯片提供的工作頻率非常靠近的頻率上工作。
而且，即使信號軌跡的尺寸(也即信號軌跡和相鄰參考面之間的介電層的寬度)降低，根據本發明的方案仍將傳輸線的帶寬保持為令人滿意的值。所以，該結構可能生產非常小尺寸的電子系統，但同時具有高性能。
考慮制造和機械方面，本發明的技術方案適于傳輸高頻信號的平坦電子器件載體，并且由于用電子器件載體多層結構中的層之間的改善的粘貼來最小化相鄰介電材料層的接觸區域，其允許匹配其上連接的電子器件載體、電子器件和電子系統之間的系數膨脹。
具體參考圖3a，其中繪出了公知電子模塊的眼圖，單一參考面與信號軌跡相鄰，也與各互連球重疊。該圖示出了從傳輸線路接收、作為時鐘信號的相位的函數的信號s(t)的值(V)；由于傳輸線路中的不連續，該眼圖完全閉合。相反，圖3b中示出的包含本發明的芯片載體的電子模塊的眼圖打開很大，使得易于從由于背景噪聲的信號基線的移動辨別信號的實際開關轉換。結果，即使具有電源電壓的降低的電平，該電子模塊仍可工作在高頻。
換言之，在公知電子模塊中，由在焊盤和下面的參考面之間形成的寄生電容定義的低通濾波器具有很低的截止頻率；所以，如圖4a所示，幾乎不傳輸信號s(f)(以頻域表示)的第一諧波f0。另一方面，如圖4b所示，本發明的技術方案將傳輸線路的帶寬增加至該信號的第三諧波3f0。
盡管已參考從芯片載體到印刷電路板傳輸高頻信號的芯片載體而描述了本發明，但本發明可有效應用到芯片載體中，以降低與C4焊盤或用于引線接合連接的焊盤接近的傳輸線路中的不連續的影響。
由于信號、參考電壓和接地軌跡之間的介電層厚度與軌跡寬度的比率經常足夠大，所以在印刷電路板中起作用的寄生電容一般是可忽略的。因此，即使可無缺陷地實現，但除非考慮成本，一般不需要在印刷電路板中實現本發明。然而，由于小型化趨勢，芯片載體的上述低通濾波器效果可能出現在印刷電路板中，例如基于特氟綸(Teflon)的印刷電路板。在這種情況下，通過在印刷電路板中本身中實現本發明，可降低寄生電容的影響。
自然地，為了滿足本地和特殊需求，本領域普通技術人員可在以下權利要求限定的本發明的保護范圍內對上述技術方案進行許多修改和替換。
權利要求
1.一種適于傳輸高頻信號的電子器件載體(110)，包括具有彼此絕緣的多個導電層(240a到240g)的電路襯底，按照從其中形成多個信號軌跡(200)的導電層的第一層(240a)的順序安排所述導電層，每一個信號軌跡結束于接觸區域(205)，用于傳輸高頻信號；和可與參考電壓或接地連接的參考結構(215a，215b，230)，用于屏蔽所述信號軌跡，其特征在于該參考結構包括在與該第一導電層相鄰的導電層的第二層(240b)中形成的至少一個參考軌跡(230)，和在不同于第一和第二導電層的導電層之一(240d)中形成的至少一個另外的參考軌跡，通過插入與任何信號、參考電壓或接地軌跡不相連的浮動導電軌跡，將至少除了對應于相關接觸區域的正交投影的區域以外的每一信號軌跡的一部分在平面圖中疊加到對應參考軌跡上，和將與相關于每一信號軌跡的接觸區域的正交投影對應的區域的至少一部分在平面圖中疊加到對應的其它參考軌跡上。
2.根據權利要求1的電子器件載體(110)，其中在該第二導電層(240b)和其中形成所述另外的參考軌跡的所述一個導電層(240d)之間安排導電層的至少一個中間層(240c)，在該至少一個中間導電層中形成多個軌跡，所述軌跡在平面圖中安排于陰影區域外部，其中通過將與第二導電層(240b)相鄰的導電層的第三層(240c)與從該至少一個參考軌跡(230)的輪廓向該第三導電層延伸的表面相交，并與該至少一個參考軌跡形成在30°和60°之間范圍內的角度，而限定所述陰影區域。
3.根據權利要求2的電子器件載體(110)，其中所述角度為45°。
4.根據權利要求1到3的任何一個的電子器件載體(110)，其中該參考結構(215a，215b，230)還包括在該第一導電層(240a)中形成的多個成對的共面軌跡(215a，215b)，每一信號軌跡(200)安排于對應對的共面軌跡之間。
5.根據權利要求4的電子器件載體(110)，還包括多個轉接孔(250)，每一轉接孔將共面軌跡(215a)連接到對應參考軌跡(230)和對應的另外參考軌跡。
6.根據權利要求1到5的任何一個的電子器件載體，其中所述電子器件是芯片(105)。
7.根據權利要求6的電子器件載體(110)，還包括多個互連球(210，225)，每一個安排于對應接觸區域(205，220)上。
8.一種高頻電子器件(100)，包括根據權利要求1到7任何一個的電子器件載體(110)；具有多個端子的半導體材料的芯片(105)，該芯片安裝于該載體上；和用于將該芯片的每一端子與該對應信號軌跡電連接的部件。
9.根據權利要求8的電子器件(100)，其中該芯片(105)的端子通過互連球(115)與該對應信號軌跡相連。
10.根據權利要求8的電子器件(100)，其中該芯片(105)的端子引線接合到該對應信號軌跡。
11.根據權利要求1到5的任何一個的電子器件載體，包含印刷電路板。
全文摘要
一種適于傳輸高頻信號的電子器件載體(110)，包括具有彼此絕緣的多個導電層(240a到240g)的電路襯底，按照從其中形成多個信號軌跡(200)的導電層的第一層(240a)的順序安排所述導電層，每一個信號軌跡結束于接觸區域(205)，用于傳輸高頻信號；和可與參考電壓或接地連接的參考結構(215a，215b，230)，用于屏蔽所述信號軌跡。該參考結構包括在與該第一導電層相鄰的導電層的第二層(240b)中形成的至少一個參考軌跡(230)，和在不同于第一和第二導電層的導電層之一(240d)中形成的至少一個另外的參考軌跡，通過插入與任何信號、參考電壓或接地軌跡不相連的浮動導電軌跡，將至少除了對應于相關接觸區域的正交投影的區域以外的每一信號軌跡的一部分在平面圖中疊加到對應參考軌跡上，和將與相關于每一信號軌跡的接觸區域的正交投影對應的區域的至少一部分在平面圖中疊加到對應的其它參考軌跡上。
文檔編號H01L23/36GK1568545SQ02820198
公開日2005年1月19日 申請日期2002年10月25日 優先權日2001年11月13日
發明者戴夫·阿爾科, 羅納德·諾瓦克, 弗朗西絲科·普雷達, 斯蒂法諾·S·奧格喬尼 申請人:國際商業機器公司