一种多层印刷电路板及其制造方法与流程

本发明涉及用于制造电力电子封装和装配的芯片嵌入。本发明尤其涉及一种多层印刷电路板(printed circuit board，pcb)及其制造方法。具体地，本发明公开了一种将嵌入式模块垂直连接到pcb内部的方法和结构。

背景技术：

1、在当今的芯片嵌入技术中，嵌入到印刷电路板(printed circuit board，pcb)或层压模块封装中的有源元件或无源元件的互连由电流填充的微通孔形成。微通孔通常是在覆盖一层薄薄的层压材料之后，在有源芯片焊盘上方或封装电子元件端子上方用激光钻孔穿过介电层压层形成的。

2、这种方法存在以下缺点：由于堆叠或放置在同一层中的两个模块不能直接连接，因此连接长度比两个模块之间的最短路径长。并排元件必须先连接到元件上方的下一层外层，然后才能进行水平连接。这本质上增加了敏感开关单元设计的阻抗。堆叠的元件必须先连接到上面的层，而实际的连接只能在芯片区域外执行。微通孔通常很小，在电力应用中需要大量的通孔，微通孔能跨越的层压厚度有限(大约60μm到100μm)，并且只能通过连续添加更多的层，从而将微通孔一个叠在另一个之上来增加厚度。微通孔越大，制造成本越高。这使得工艺更加复杂，成本也更高。由于高密度互连(high density interconnect，hdi)pcb工艺的限制，因此使用微通孔工艺进行嵌入通常会将镀铜厚度限制在每层约30μm至50μm。

3、上述接触方法的另一个缺点是不会在元件端子之间形成最短路径。这增加了额外的寄生电阻率和寄生电感，从而抑制了性能并限制了功率密度和效率，尤其是在使用宽带隙半导体的高开关频率应用中。

技术实现思路

1、本发明提供了一种多层印刷电路板的方案及制造这种多层pcb的方法，而没有上述缺点。

2、具体地，本发明提出了一种多层pcb的方案，能够降低寄生电阻率和寄生电感，从而改进性能、功率密度和效率，尤其是在使用宽带隙半导体的高开关频率应用中。

3、上述和其它目的通过独立权利要求的特征来实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。

4、本发明提出的方案通过使用镀通孔(plated through-hole，pth)钻孔工艺，以一种创新且先进的方式将嵌入式元件与内层连接起来，从而以可行的成本实现上述目标，下文将结合图示进行详细说明。pth可以在pcb面板上钻孔，使一个pth同时接触到元件端子(焊盘、金属或引线)和pcb的内铜层。通孔金属化后，元件端子可直接与同层的布线进行电气连接。

5、以这种方式连接元件的主要优点是，现在电气路径不会在层与层之间交替，因此可以直接连接，从而真正实现两个元件之间的最短路径。另一个优点是，这种方法不需要pcb制造商采用任何高精度、高密度技术。如果使用预封装元件进行嵌入，则可以使用标准的pcb制造设备，以稳健和具有成本效益的方式实现该方法。

6、这项创新克服了基于微通孔的电气接触的局限性。该方法可以并排设置或垂直(三维)设置的方式，将元件以最短路径连接嵌入到pcb或层压模块封装中。该方法可以使用厚介质层，而不受微通孔的限制。可同时进行多层堆叠和层压。可实现更高的隔离电压。在层压工艺结束时，使用镀通孔(plated through-hole，pth)工艺形成与嵌入式设备的接触和互连。由于单个通孔的电流能力较强，因此可以减少通孔的数量。这也有助于降低成本。无需对pcb制造商提出特殊要求，如高精度芯片贴装或hdi制造能力。

7、本发明所描述的方案的优点如下：短而直接的电气接触；只需一个大面积的镀通孔(plated through-hole，pth)连接；由于连接路径较短且无环路(u或s形走线)，因此减少了寄生效应；由于工艺流程更简单，因此成本更低；无需μvia工艺或高密度互连(highdensity interconnect，hdi)pcb工艺；可以与低成本的工业pcb工艺相结合；使得镀铜厚度最高达到150μm；嵌入过程可由多家pcb供应商完成。

8、因此，本文描述的方案是使用pcb嵌入式元件技术实现低电感封装开关单元的关键。该方案也是层压嵌入技术中3d集成的使能者。

9、本发明的重点是嵌入式元件端子和pcb内金属层之间的工艺流程和所产生的电气接触结构，而电气接触结构由镀通孔(plated through-hole，pth)组成，并且内层可以与嵌入式元件端子在同一平面上。具体地，本发明主要针对封装元件，而非裸芯片。元件可以在模制封装内，例如基于引线框的封装或扇出型晶圆级封装(fan-out wafer levelpackage，fowlp)等；或基于层压的封装，例如层压内插板上的芯片，芯片嵌入(chipembedding，ce)封装(芯片嵌入到pcb材料中)。

10、嵌入式元件具有电气端子，该电气端子实质上可以是封装元件的引线、暴露的焊线或带，或延伸至芯片突出区域外的其它金属化芯片或封装区域。金属化应与标准pth化学相容。

11、电气端子通常裸露在外，但也可以埋在封装内。在后一种情况下，电气端子将通过pth钻孔工艺暴露出来。这具有保护端子和芯片免受封装材料的污染、氧化或腐蚀的优点。

12、为了详细描述本发明，将使用以下术语、缩略语和符号：

13、pcb            印刷电路板(printed circuit board)

14、hdi            高密度互连(high density interconnect)

15、pth            镀通孔(plated through-hole)

16、fowlp          扇出型晶圆级封装(fan-out wafer level package)

17、本发明描述了芯片嵌入技术。目前有几种不同类型的嵌入工艺：在典型的芯片嵌入工艺中，电子元件(芯片、电容器、电阻器等)要么被放置在pcb芯层的开口内，要么被焊接在双层或多层pcb板上。在最终pcb板内部中进行实际嵌入时，可在嵌入式元件的芯层上下层压fr4预浸料或其它聚合物片材。嵌入式元件和pcb金属层之间的电气连接可以通过将元件端子焊接到内部层压层并随后将pcb层彼此层压来实现。在更先进的嵌入技术中，元件可以通过电流填充的微通孔进行电气连接，这种连接方式更加稳固，因为封装或电路板内部不会出现焊料再熔化的情况，而在将其它元件安装到pcb的外层时必须考虑到这一点。微通孔通常是在层压后通过激光钻孔形成的，具体地，激光钻孔从顶面穿过薄层压层到达嵌入式元件封装的有源芯片焊盘或端子。

18、本发明提出了一种新颖的元件嵌入工艺，该工艺基于使用镀通孔(platedthrough-hole)钻孔工艺，以一种新颖、创新和先进的方式将嵌入式元件连接到内层。pth可以在pcb面板上钻孔，使一个pth同时接触到元件端子(即接触焊盘、引脚、金属化迹线或引线)和pcb的内铜层。通孔金属化后，元件端子可直接与同层的布线进行电气连接。

19、通孔技术是指用于电子元件的安装方案，包括使用元件上的引线插入印刷电路板(printed circuit board，pcb)上的钻孔，然后通过手动装配(手动放置)或使用自动插入安装机焊接到另一侧的焊盘上。在通孔技术中，元件是通过将引线插入相应的孔来安装在pcb板上的。这些孔称为通孔，因为这些孔是从电路板的顶部钻到底部的。

20、使用镀通孔时，孔的内壁会覆盖一层薄薄的铜层，从而使整个内孔区域导电。这种导电性的优点在于可在元件和铜轨道之间建立电气连接。另外还增强了机械稳定性，降低了整体电阻，从而支持顺畅的电流流动。平均镀铜厚度最小为20μm。随着电子元件的集成度和复杂性越来越高，双面和多层pcb也随之发展起来，并带有镀通孔，这样就可以根据需要随时将元件连接到所需的层上。

21、根据第一方面，本发明涉及一种多层印刷电路板，包括：相互堆叠的多个印刷电路板层的第一印刷电路板层，每个印刷电路板层包括至少一个导电层；嵌入到所述第一印刷电路板层中的模具主体，所述模具主体具有上主面和与所述上主面相对的下主面；嵌入到所述模具主体中的电气元件；用于与所述电气元件进行电气接触的金属接触层，所述金属接触层延伸至所述电气元件的突出表面外，所述模具主体与所述电气元件和所述金属接触层形成第一元件模块封装；贯穿所述多个印刷电路板层和所述金属接触层的至少一部分的至少一个导电镀通孔，所述至少一个导电镀通孔用于提供电气连接端子，以与所述金属接触层实现电气连接。所述电气元件可以是半导体或其它元件，例如硅电容器、封装电感器、分流电阻器、电流传感器等。所述第一元件模块封装可以是第一半导体模块封装，所述第二元件模块封装可以是第二半导体模块封装，如下图所述。

22、所述金属接触层延伸至所述电气元件的所述突出表面外，这样就可以垂直穿孔所述模具主体，而不会破坏所述模具主体内的所述电气元件。

23、这种多层pcb克服了上述微通孔电气接触方法的缺点。具体地，所述多层pcb具有以下优点：短而直接的电气接触；只需一个大面积的镀通孔(plated through-hole，pth)连接；由于连接路径较短且无环路(u或s形走线)，因此减少了寄生效应；由于工艺流程更简单，因此成本更低；无需μvia工艺/高密度互连(high density interconnect，hdi)pcb工艺；可以与低成本的工业pcb工艺相结合来制造所述多层pcb；可以实现最高达到150μm的镀铜厚度；嵌入过程可由多家pcb供应商完成。

24、这种多层pcb的另一个优点是，现在电气路径不会在层与层之间交替，因此可以直接连接，从而真正实现两个元件之间的最短路径。

25、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述金属接触层可以设置在所述模具主体的所述两个主面中的一个或两个主面上，也可以设置在所述模具主体的任何一个侧面上。

26、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述至少一个导电镀通孔用于将所述金属接触层与所述多个印刷电路板层中的至少一个印刷电路板层的所述至少一个导电层进行电气连接。

27、这样做的优点是所述电气元件可以通过所述金属接触层和所述通孔高效地与各种pcb层进行电气连接，例如，连接到嵌入到其它pcb层中的其它元件。

28、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述至少一个导电镀通孔用于将所述金属接触层与第二元件模块封装的另一金属接触层进行电气连接。

29、这样做的优点是不同或相同pcb层上的两个元件模块封装可以通过所述镀通孔高效地连接。

30、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述至少一个导电镀通孔形成了所述第一元件模块封装与所述第一元件模块封装外的最近导电层的最短路径电气连接。

31、这种最短路径电气连接具有降低寄生电阻率和寄生电感的优点，从而提高了性能，改善了功率密度和效率，尤其是在使用宽带隙半导体的高开关频率应用中。

32、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述至少一个导电镀通孔形成了直接电气连接路径，用于连接所述第一元件模块封装，而无需绕行通过所述多个印刷电路板层中的其它导电层。

33、可以实现与上述最短路径电气连接相同的优点，即降低寄生电阻率和寄生电感，提高性能，改善功率密度和效率。

34、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述第一元件模块封装的所述金属接触层与所述第一印刷电路板层的所述至少一个导电层在同一个平面上。

35、这样做的优点是通过使所述第一元件模块封装的所述金属接触层与所述第一pcb层的所述导电层处于同一个平面上，可以实现具有上述优点的最短路径电气连接。

36、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述至少一个导电镀通孔在所述第一元件模块封装的所述金属接触层和所述第一印刷电路板层的所述至少一个导电层之间形成水平电气连接路径。

37、这样做的优点是所述水平电气连接路径可以实现所述元件模块封装与所述第一pcb层的所述导电层之间的最短路径电气连接，从而具有上述降低寄生电阻率、降低寄生电感、提高性能、提高功率密度和效率的优点。

38、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述金属接触层延伸至所述下主面的所述模具主体区域外，以形成作为有引线封装的所述第一元件模块封装，或在所述下主面的所述模具主体区域内延伸，以形成作为无引线封装的所述第一元件模块封装。

39、这样做的优点是本发明中描述的方案既可用于有引线封装，也可用于无引线封装，还可用于有引线封装和无引线封装的组合。

40、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述第一元件模块封装面朝上或面朝下放置在所述第一印刷电路板层中。

41、这样做的优点是设计灵活性高。每个元件模块封装都可以单独面朝上或面朝下放置。

42、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述第二元件模块封装面朝上或面朝下放置在所述第一印刷电路板层或所述多个印刷电路板层中的任何其它印刷电路板层中。

43、在这种情况下，面朝上放置是指所述模具主体的所述上主面朝向各印刷电路板层的顶面，所述模具主体的所述下主面朝向或设置在各印刷电路板层的底面。面朝下放置与面朝上放置相反，即面朝下放置是指所述模具主体的所述上主面朝向各印刷电路板层的底面，所述模具主体的所述下主面朝向或设置在各印刷电路板层的顶面。

44、这样做的优点是设计灵活性高。两个元件模块封装都可以单独面朝上或面朝下放置。例如，所述第一个元件模块封装可以面朝上放置，而所述第二个元件模块封装可以面朝下放置，反之亦然。

45、例如，所述导电镀通孔可由铜通过无电解和电化学镀覆工艺进行导电镀覆。在一个示例中，侧壁处的电镀层厚度约为20至30μm。所述镀通孔也可通过通孔填充工艺进行填充，例如完全填充铜或导电膏。应当注意，在通孔直径较小的情况下，可以进行铜填充。例如，所述导电镀通孔的直径可以是约150μm。但是，所述通孔结构的直径可以高达500μm，甚至达到1mm。

46、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述多层印刷电路板包括：将所述模具主体和所述金属接触层嵌入到所述第一印刷电路板层中的层压层。

47、这样做的优点是所述层压层可用于嵌入和保护所述元件模块封装。

48、所述层压层可由预浸料层通过层压工艺形成。

49、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述至少一个导电镀通孔贯穿所述预浸料层，所述至少一个镀通孔接触所述模具主体和所述金属接触层的至少一部分。

50、这样做的优点是所述镀通孔无需高精度即可钻入所述预浸料层，从而与所述金属接触层建立稳固的电气连接。与典型的芯片嵌入工艺相比，不需要高精度，如芯片接触的激光钻孔等。

51、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述第一元件模块封装和/或所述第二元件模块封装包括功率半导体封装。

52、这样做的优点是所述多层印刷电路板可以高效地实现由一个或多个元件模块封装组成的半导体功率产品。

53、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述第一元件模块封装和所述第二元件模块封装可以用于形成半桥结构。当然，也可以实现两个功率模块的许多其它配置。

54、这样做的优点是所述多层pcb可以高效地应用于汽车电源转换系统和其它应用中，例如用于电机功率控制等。半桥结构是电力电子转换电路中经常出现的关键拓扑元素。

55、在所述多层印刷电路板的一个示例性实现方式中，所述金属接触层设置成从所述电气元件突出。例如，所述金属接触层可以设置在所述电气元件的上主面、下主面或侧面，以从该面突出。

56、这样做的优点是通过这种金属接触层，可以高效地与所述电气元件进行电气接触。此外，还可以改善所述电气元件的散热。

57、所述多层印刷电路板本身可以是一个印刷线路板，通过smd、tht或压配技术在该板上安装其它元件。所述多层pcb还可以是其它pcb上的封装，例如以下任意一种封装：双扁平无引线(dual flat no lead，dfn)、双小外形(dual small outline，dso)、小外形无引线(small outline no lead，son)、小外形封装(small outline package、sop)、平面网格阵列(land grid array、lga)、晶圆级芯片级封装(wafer-level chip-scale package，wlcsp)、嵌入式元件封装(embedded component packaging，ecp)、芯片嵌入(chipembedding，ce)等。

58、dfn/qfn是一种无引线表面贴装塑料封装，其引线位于封装底部，而不是传统的在外围形成。因此，所述封装的尺寸非常紧凑。

59、小外形无引线(small outline no lead，son)封装提供0.4和0.5mm间距的小外形尺寸。这些器件通常具有数量较小的引脚，采用坚固的塑料封装，可与包括汽车在内的所有终端设备兼容。四引线版本称为qfn。

60、平面网格阵列(land grid array、lga)是一种基于层压基板的封装，它使用金属焊盘代替焊球(如球栅阵列中的焊球)进行外部电气连接。这些被称为“平面”的金属焊盘以网格或阵列的形式设置在封装体的底部。lga封装的平面栅格设置使其具有较高的平面数量，因此成为具有高i/o要求的器件的常用封装选项。

61、根据第二方面，本发明涉及一种用于制造多层印刷电路板的方法，所述方法包括：将多个印刷电路板层彼此堆叠，并在任意所述两层印刷电路板层之间层压相应的层压层，每个印刷电路板层包括至少一个导电层，其中模具主体嵌入到所述多个印刷电路板层中的第一印刷电路板层中，所述模具主体具有上主面和与所述上主面相对的下主面，其中电气元件嵌入到所述模具主体中；用于电气接触所述电气元件的金属接触层延伸至所述电气元件的突出表面外，所述模具主体与所述电气元件和所述金属接触层形成第一元件模块封装；将所述多个印刷电路板层与所述各个层压层彼此层压以形成多层印刷电路板；在所述多层印刷电路板上钻出至少一个孔；所述至少一个孔穿过所述多个印刷电路板层和所述金属接触层的至少一部分；对所述至少一个孔进行导电镀覆以形成至少一个导电镀通孔以提供电气连接端子，用于与所述金属接触层进行电气连接。

62、这种方法的优点是通过上述方式连接所述元件，所述电气路径不会在层与层之间交替，因此可以直接连接，从而真正实现两个元件之间的最短路径。另一个优点是，这种方法不需要pcb供应商采用任何高精度、高密度技术。如果使用预封装元件进行嵌入，则可以使用标准的pcb制造设备，以稳健和具有成本效益的方式实现该方法。

63、在所述方法的一个示例性实现方式中，所述方法包括：通过所述至少一个导电镀通孔将所述金属接触层与所述多个印刷电路板层中的至少一个印刷电路板层的所述至少一个导电层进行电气连接。

64、这样做的优点是所述电气元件可以通过所述金属接触层和所述通孔高效地与各种pcb层进行电气连接，例如，连接到嵌入到其它pcb层中的其它电气元件。

65、在所述方法的一个示例性实现方式中，所述方法包括：通过所述至少一个导电镀通孔将所述金属接触层与第二元件模块封装(380)的另一金属接触层进行电气连接。

66、这样做的优点是不同或相同pcb层上的一个或两个元件模块封装可以通过镀通孔高效地连接到其它元件模块封装或表面贴装元件(surface mount assembly，sma)或嵌入式元件。

67、在所述方法的一个示例性实现方式中，所述金属接触层嵌入到所述模具主体中，并通过钻所述至少一个孔露出所述金属接触层。

68、这样做的优点是可以通过标准的钻孔或铣削方法直接打开所述模具主体，从而实现所述金属接触层和所述电气元件与所述多层pcb的相同或其它pcb层中的其它导电层或其它电气元件的牢固连接，因而具有较高的设计灵活性。

69、根据第三方面，本发明涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可执行代码或计算机可执行指令，执行所述计算机可执行代码或计算机可执行指令时，使至少一台计算机执行根据上述第二方面所述的方法。

70、所述计算机程序产品可以在控制器或处理器上运行，用于控制上述功率转换装置。

71、根据第四方面，本发明涉及一种计算机可读介质，其中存储有指令，当所述指令被计算机执行时，使所述计算机执行根据上述第二方面所述的方法。这样的计算机可读介质可以是非瞬时性可读存储介质。存储在所述计算机可读介质上的所述指令可以由控制器或处理器执行。