專利名稱：用于表面安裝式和嵌入式部件的放電保護的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請總體上涉及保護電子器件不受到浪涌事件影響，并更具體地涉及將電壓可切換介電材料用于電路板以便保護其表面安裝式或嵌入式電子部件不受到放電事件影響的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
電荷例如靜電放電(ESD)和電過載(EOS)是電子部件和器件故障的主要原因之一。將電子器件小型化和愈加小尺寸的部件集成進入電路的持續(xù)趨勢導(dǎo)致了 ESD易感性增加的問題。因此，這些故障普遍導(dǎo)致歸因于不希望的過電壓和/或過電流影響的電子器件性能降低或破壞。各種解決方案已可用于保護電子器件不受到ESD和EOS效應(yīng)影響。為處理ESD問 題，工程師普遍使用不同的基于電容器的排列、齊納二極管、瞬態(tài)抑制(TVS) 二極管、多層變阻器、肖特基二極管等等。然而，上述器件需要安裝在電路板上，并因此除了提高設(shè)計的復(fù)雜性之外需要額外的空間。此外，不能用現(xiàn)有ESD解決方案完全保護大多數(shù)集成電路。

發(fā)明內(nèi)容
各種實施方案涉及電壓可切換介電材料在印刷電路板中使用的技術(shù)，以便提供在過電壓和/或過電流事件的情況下將電流分流到接地，因此防止損壞電子部件。在一個實施方案中，提供了一種印刷電路板，其包括至少一個非導(dǎo)電層、一個導(dǎo)體、應(yīng)用到該導(dǎo)體的一種電壓可切換介電材料(VSDM)、以及具有至少一條引線的一個電子部件，其中該至少一條引線電氣連接到該VSDM層。當施加到該材料的電壓超過一個特征電壓電平時，該VSDM從介電切換成導(dǎo)電。該電子部件可以是一個嵌入式部件或一個表面安裝部件。該電子部件可以是一個無源部件，例如電阻器、電感器或電容器。該電子部件可以是一個有源部件，例如二極管、晶體管、半導(dǎo)體器件、電路、芯片或集成電路。在另一實施方案中，提供了一種印刷電路板，其包括至少一個非導(dǎo)電層、一個導(dǎo)體、應(yīng)用到該至少一個非導(dǎo)電層的一種電壓可切換介電材料(VSDM)、以及具有至少一條引線的一個電子部件，其中該至少一條引線電氣連接到該VSDM層。當施加到該材料的電壓超過一個特征電壓電平時，該VSDM從介電切換成導(dǎo)電。該電子部件可以是一個嵌入式部件或一個表面安裝部件。該電子部件可以是一個無源部件，例如電阻器、電感器或電容器。該電子部件可以是一個有源部件，例如二極管、晶體管、半導(dǎo)體器件、電路、芯片或集成電路。


通過舉例但不限于附圖中的圖示展示了多個實施方案，其中相似參考號表示相似元素。圖I根據(jù)示例性實施方案展示了一種示例性VSDM。圖2根據(jù)示例性實施方案展示了將VSDM層和表面安裝電子部件合并的層疊。
圖3根據(jù)示例性實施方案展示了將VSDM層和表面安裝電子部件合并的層疊。圖4-8根據(jù)各種示例性實施方案展示了將VSDM層和嵌入電子部件合并的層疊。圖9A-C展示了合并VSDM元件的若干電路。
具體實施例方式在一些示例性實施方案中，防護ESD或EOS可以包括使用VSDM。VSDM可以在較低電壓表現(xiàn)為絕緣體，并在較高電壓表現(xiàn)為導(dǎo)體。VSDM可以具有特定開關(guān)電壓，該開關(guān)電壓是在低和高電導(dǎo)率的狀態(tài)之間的范圍。VSDM可以提供到接地的分流，該分流通過允許在較高電壓值的電流通過VSDM轉(zhuǎn)到接地而不是通過受保護的器件或部件，保護電路和/或電子部件不受到高于開關(guān)電壓的電壓值影響。 在本文檔中，如同在專利文檔中普遍，術(shù)語“一個”或“一種”用來包括一個或多于一個。在本文檔中，術(shù)語“或”用來指代非排他的“或”，從而使得“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A”、以及“A和B”，除非以其他方式表示。此外，在本文檔中提到的全部出版物、專利和專利文檔通過引用以其全文結(jié)合在此，盡管通過引用個別地結(jié)合。在本文檔和通過引用如此結(jié)合的這些文檔之間的不一致用法的情況下，應(yīng)認為在所結(jié)合引用中的用法是對本文檔的用法的補充；對于不可調(diào)和的不一致性，在本文檔中的用法支配。在此中使用的單詞“示例性”意為“用作實例、例子或展示”。在此描述為“示例性”的任何實施方案不應(yīng)解釋為優(yōu)于其他實施方案優(yōu)選或有利。同樣，術(shù)語“實施方案”不需要全部實施方案包括所討論的特征、優(yōu)點或操作模式。如在此所使用的，術(shù)語印刷電路板(PCB)指代印刷接線板、蝕刻接線板或相似結(jié)構(gòu)。PCB用來機械地支撐分立式電子部件，并使用層疊或附裝到非導(dǎo)電基板上的引線、電線、線路、路徑、軌跡或信號線跡來電氣連接分立式電子部件。在一些情況下，可以包括金屬引線(例如，作為隨后蝕刻的Cu層)以便在各種附裝電子部件之間提供電氣連通性。根據(jù)在此所披露的一些實施方案，PCB可以實施為單個基板或在不同的層具有不同電導(dǎo)率的多層基板。如在此所使用的，術(shù)語電子部件可以指代無源部件和/或有源部件，并包括但不限于電阻器、電感器、電容器、二極管、晶體管、半導(dǎo)體器件、電路、芯片、集成電路等。典型地，電子部件具有用于其電氣連接到其他部件或路徑的導(dǎo)電引線。根據(jù)在此所披露的實施方案，電子部件包括表面安裝部件和嵌入式部件。電子部件可以實施為分立式元件或薄膜(例如，電阻層、電容層等)，并淀積或濺射在PCB的基板或?qū)由?。如在此所使用的，VSDM指代具有是介電的或非導(dǎo)電特征的任何合成物或合成物的組合，除非超過特定值的電場或電壓施加到該材料，在此情況下該材料變得導(dǎo)電。因此，VSDM是介電的，除非超過與材料相關(guān)聯(lián)的值的電壓(或電場)(例如，由ESD或EOS事件提供)施加到該材料，在此情況下VSDM切換成導(dǎo)電狀態(tài)。VSDM可以進一步定義為非線性電阻材料。在許多應(yīng)用中，VSDM的特征電壓范圍在超過電路或器件的操作電壓電平若干倍的值內(nèi)。這樣的電壓電平可以大約是瞬態(tài)狀況(例如，由電荷如靜電放電產(chǎn)生)，盡管多個實施方案可以包括計劃電氣事件的使用。此外，一個或多個實施方案提供了在不存在超過特征電壓的電壓的情況下相似于非導(dǎo)電或介電材料表現(xiàn)的VSDM。
根據(jù)在此所披露的實施方案，VSDM是基于聚合物的材料，并可以包括填充聚合物。填充聚合物可以包括絕緣體、導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料的混合物。絕緣材料的實例包括但不限于硅酮聚合物、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯醚、聚砜、溶膠凝膠材料、奶精、二氧化硅酮、三氧化二鋁、氧化鋯、以及其他金屬氧化物絕緣體。導(dǎo)電材料的實例包括金屬，例如銅、鋁、鎳、不銹鋼等。半導(dǎo)電材料的實例包括有機和無機半導(dǎo)體。一些無機半導(dǎo)體包括硅、碳化硅、氮化硼、氮化鋁、氧化鎳、氧化鋅、以及硫化鋅。有機半導(dǎo)體的實例包括聚-3-己基噻吩、并五苯、茈、碳納米管、富勒烯等?？梢詾榱己玫剡m用于VSDM的特別應(yīng)用的機械和電氣性質(zhì)選擇特定配方與合成物。額外地，在此所披露的一個或多個實施方案將VSDM層在PCB上方合并。VSDM層可以提供到接地的分流，該分流通過允許電壓高于開關(guān)電壓的電流通過VSDM層轉(zhuǎn)到接地而不是通過受保護的電路和/或電子部件，保護電路和/或電子部件不受到高于開關(guān)電壓的電壓影響。圖I展示了示例性VSDM100。VSDM100可以包括導(dǎo)電相110和絕緣和/或半導(dǎo)電 相120。在低電壓，VSDM100表現(xiàn)為絕緣體。在高于開關(guān)電壓的電壓(例如，高于觸發(fā)電壓、高于鉗位電壓等)，VSDM100可以表現(xiàn)為導(dǎo)體。典型地，VSDM100可以連接到電氣接地，并可以在器件的保護期間將電流分流到接地。圖2展示了將VSDM層合并的示例性層疊200。層疊200包括非導(dǎo)電基板202 (例如，PCB和/或其層，如預(yù)浸料層等)。層疊200還包括VSDM層210，該VSDM層210可以包括涂層、層、線路和通孔中的一些或全部。VSDM可以具有任何形狀，并可以連接到導(dǎo)體220。某些導(dǎo)體220可以電氣連接到接地，從而使得在過電壓事件期間電流通過VSDM層分流到接地。該導(dǎo)體可以包括導(dǎo)電層、電線、跡線、通孔、連接器等。有待保護的電子部件230 (例如，電阻器、電感器、電容器、二極管、晶體管、電路、芯片等)可以安裝在VSDM層210上。在一些情況下，電子部件230可以是表面安裝器件。根據(jù)另一實施方案，電子部件230可以是直接淀積在VSDM層210上的基本平面器件(例如，作為電阻墨水)。此外，電子部件230可以包括一條或多條引線240(例如，銅引線)。在涉及電子部件230的過電壓事件(例如，ESD或EOS事件)期間，可以通過VSDM層210將電流從引線240 (和/或部件230)分流到導(dǎo)體220。電流可以將部件230和/或引線240與導(dǎo)電墊片260之間的縫隙250橋接，該導(dǎo)電墊片可以通過通孔270電氣連接到導(dǎo)體220。電子部件230可以由一個或多個規(guī)格來表征，例如電阻、電感、電容等。在一些情況下，可以不指定抵擋過電壓和/或過電流事件的能力。例如，電阻器可以被設(shè)計成在正常使用期間提供I歐姆的電阻(例如，在高達10伏的電壓)，但可以由更高電壓損壞，并且設(shè)計成耐損壞的相似電阻器可以對于所給定應(yīng)用尺寸過大。使用VSDM保護較小電阻器可以允許使用較小的部件，這可以在封裝例如PCB組裝中有利。盡管較大電阻器例如0603和0402電阻器可以足夠大以便抵擋過電壓或過電流事件，但較小電阻器例如0201和01005電阻器可能需要保護以便維持電路的完整性。VSDM層210、導(dǎo)體220和電子部件230中的任何一者可以布置在基板202的表面上，或在基板202里面(例如，嵌入)。在一些實施方案中，VSDM層210和電子部件230嵌入在PCB中(例如，作為層在PCB層疊中制造)，。可以通過添加和加工額外的PCB部件(例如，額外的預(yù)浸料層)來嵌入層疊200。
圖3展示了將VSDM層合并的示例性層疊300。在該實例中，層疊300可以包括非導(dǎo)電基板202(例如，印刷電路板和/或其層等)和/或其他組件。VSDM層210可以包括涂層、層、線路、通孔和/或具有任何其他形狀，并可以一般地連接到導(dǎo)體220。受保護的電子部件230 (表面安裝的或嵌入的)可以安裝到VSDM層210上或并入VSDM層210中。在涉及部件230的過電壓事件(例如，ESD事件)期間，可以通過VSDM層210將電流從引線(和/或電子部件230自身)分流到導(dǎo)體220。在一些情況下，有效容積可以與VSDM層210的位于引線240和/或部件230與導(dǎo)體220之間的縫隙350中的那一部分相關(guān)聯(lián)。有效容積可以與VSDM層的厚度和面積(例如，邊界導(dǎo)體的面積)相關(guān)聯(lián)，并可以主要地描述在過電壓事件期間電流經(jīng)過的容積。>可以通過添加和加工額外的PCB部件(例如，額外的預(yù)浸料層等)來嵌入層疊300。圖4展示了示例性層疊400的剖面圖。如所示，層疊400可以包括一個或多個非導(dǎo)電基板202和至少一個VSDM層210。根據(jù)特定應(yīng)用，VSDM層210可以實施為涂層、膜、線路、通孔、電線、跡線，和/或具有任何其他合適形狀。VSDM層210可以經(jīng)一個或多個導(dǎo)體220、墊片260、通孔270或其組合一般地連接到接地。受保護的電子部件430 (例如，薄膜電 阻層432和相關(guān)聯(lián)引線440)可以淀積、濺射或以其他方式形成到VSDM層210上。在涉及電子部件430的過電壓事件(例如，ESD或EOS事件)期間，可以將過多電流分流到接地，而不是在損壞部件430的電平下經(jīng)過部件430?？梢酝ㄟ^將電流經(jīng)過可以包括縫隙450的VSDM層210來將該電流分流。在一些情況下，額外層(例如，與部件430相關(guān)聯(lián)的膜)可以在不有害影響VSDM層210的ESD/E0S保護能力的狀況下存在(例如，電阻膜可以特別薄，因此當電阻層432特別薄的時候，電阻層432可以布置在引線440下面)。圖5展示了層疊500的剖面圖。在該實例中，層疊500可以包括至少一個非導(dǎo)電基板202和VSDM層210。根據(jù)特定應(yīng)用，VSDM層210可以實施為涂層、膜、線路、通孔、電線、跡線，和/或具有任何其他合適形狀。VSDM層210可以經(jīng)布置在層疊500的表面上的一個或多個導(dǎo)體220，并還依靠墊片260、通孔270或其組合一般地連接到接地。受保護的電子部件430可以淀積、濺射或以其他方式形成到VSDM層210上。電子部件430可以實施為薄膜電阻層432并包括相關(guān)聯(lián)導(dǎo)電引線440，這些導(dǎo)電引線也可以淀積或濺射到電阻層432和/或?qū)盈B層中的一個上。在涉及電子部件430的關(guān)于ESD或EOS的過電壓事件的情況下，可以將過多電流分流到接地，而不是經(jīng)過電子部件430?？梢酝ㄟ^將過多電流經(jīng)過可以包括縫隙550的VSDM層210來將該過多電流分流。圖6展示了示例性層疊600的剖面圖。根據(jù)該實施方案，層疊600可以包括保護電子部件430的多個區(qū)域的非導(dǎo)電VSDM層210。VSDM層210可以經(jīng)在層疊600中排列的一個或多個導(dǎo)體220，并依靠墊片210、通孔270或其組合一般地連接到接地。受保護的電子部件430可以淀積、濺射或以其他方式形成到VSDM層210上。電子部件430可以實施為薄膜(例如，電阻層)并包括至少一條相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)電引線440。在層疊600中，第一縫隙650和第二縫隙652定義在過電壓時間期間電流可以經(jīng)過的VSDM層210的基本分離的區(qū)域。圖7展示了示例性層疊700的剖面圖。在該實施方案中，層疊700可以為VSDM層210提供在VSDM層和受保護電子部件430之間的一個或多個非導(dǎo)電基板202。層疊700還可以包括每個都可以相互之間互連并互連到接地的一個或多個導(dǎo)體220、一個或多個通孔270、以及一個或多個墊片260。VSDM層210可以包括縫隙750。在涉及電子部件430的過電壓事件期間，可以經(jīng)VSDM層210的縫隙750將電流分流到接地，而不是經(jīng)過部件430自身，因此保護部件430不受到損壞或破壞。圖8展示了示例性層疊800的剖面圖。如所示，層疊800可以包括至少兩個非導(dǎo)電基板202、布置在基板202之間的VSDM層210、包括一個或多個導(dǎo)電引線440的電子部件430、以及多個連接元件，例如導(dǎo)體220、通孔270、墊片260、或其組合。電子部件430可以排列在第一基板202上，并且可以沒有與VSDM層210的直接接觸，而是具有由多個連接元件實現(xiàn)的電接觸。VSDM層210可以包括可以在過電壓事件期間與電流通道的有效區(qū)(例如，在縫隙850的任一側(cè)上墊片260之間)相關(guān)聯(lián)的縫隙850。圖9A-C展示了將VSDM元件合并的若干電路方案。在這些展示中，VSDM元件900示意地示作帶有閃電符號的電氣閥。在這些實例中，VSDM元件900連接到可以連接到接地 的導(dǎo)體，并電氣地(并有時物理地)連接到有待保護的電子器件或電子部件。 圖9A展示了保護電阻器910的VSDM900，該電阻器可以是表面安裝的或嵌入式電阻器。在該實例中，VSDM900電氣連接到電阻器910的引線。過電壓事件例如能夠損壞電阻器910的ESD或EOS可能導(dǎo)致經(jīng)VSDM元件900將過多電流分流到接地。圖9B展示了保護電容器920的VSDM元件900，該電容器可以是表面安裝的或嵌入式電容器。在該實例中，VSDM元件900電氣連接到電容器920的兩個側(cè)面上的引線?？赡軗p壞電容器920的過電壓事件可能導(dǎo)致經(jīng)VSDM元件900中的至少一個將過多電流分流到接地。圖9B展示了保護電感器930的VSDM900，該電感器可以是嵌入式電感器。在該實例中，VSDM元件900電氣連接到電感器930的引線。在可能損壞電感器930的過電壓事件的情況下，經(jīng)VSDM元件900將過多電流分流到接地。一些實施方案可以包括多個傳感器以便感測各種參數(shù)(例如電流、電壓、功率、電阻、電阻率、電感、電容、厚度、應(yīng)變、溫度、壓力、濃度、深度、長度、寬度、開關(guān)電壓和/或電壓密度(在絕緣和導(dǎo)電之間)、觸發(fā)電壓、鉗位電壓、關(guān)斷狀態(tài)電流通道、介電常數(shù)、時間、日期、以及其他特征)。各種裝置可以監(jiān)控各種傳感器，并且多個系統(tǒng)可以由自動控制來啟動(螺線管的、氣動的、壓電的，等等)。一些實施方案可以包括連接到處理器和存儲器的計算機可讀存儲媒質(zhì)。存儲在計算機可讀存儲媒質(zhì)上的可執(zhí)行指令可以由處理器執(zhí)行，以便執(zhí)行、控制或監(jiān)控操作和/或保護在PCB中排列的電子部件的各種方法。傳感器和致動器可以連接到處理器，從而提供輸入并接收與各種方法關(guān)聯(lián)的指令。某些指令可以經(jīng)提供輸入的所連接傳感器和接收指令的所連接致動器為各種參數(shù)的閉環(huán)控制提供，以便調(diào)整參數(shù)。各種實施方案可以包括不同的電子設(shè)備，例如電話(例如，蜂窩電話)、通用串行總線(USB)設(shè)備(例如，USB存儲設(shè)備)、個人數(shù)字助理(PDA)、膝上計算機、網(wǎng)絡(luò)計算機、平板個人計算機(PC)、發(fā)光二極管(LED)等。提供前述說明以便使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制作或使用特定實施方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解這些實施方案的各種修改，并且在此所定義的一般原理可以在不背離本披露的范疇的情況下應(yīng)用到其他實施方案。因此，本披露不希望限于在此所描述的實施方案，但符合與在此所披露的原理一致的最廣泛范疇。
權(quán)利要求
1.一種印刷電路板,包括 至少一個導(dǎo)體； 一種電壓可切換介電材料(VSDM)，該VSDM應(yīng)用到該至少一個導(dǎo)體；以及 一個電子部件，該電子部件具有至少一條引線，其中該至少一條引線電氣連接到該VSDM。
2.如權(quán)利要求I所述的印刷電路板，其中該電子部件是一個嵌入式部件。
3.如權(quán)利要求2所述的印刷電路板，其中該嵌入式部件包括以下各項中的一個或多個一個電阻器、一個電感器、以及一個電容器。
4.如權(quán)利要求2所述的印刷電路板，其中該嵌入式部件以下各項中的一個或多個一個二極管、一個晶體管、一個半導(dǎo)體器件、一個電路、一個芯片、以及一個集成電路。
5.如權(quán)利要求I所述的印刷電路板，其中該電子部件是一個表面安裝部件。
6.如權(quán)利要求5所述的印刷電路板，其中該表面安裝部件包括以下各項中的一個或多個一個電阻器、一個電感器、以及一個電容器。
7.如權(quán)利要求5所述的印刷電路板，其中該表面安裝部件以下各項中的一個或多個一個二極管、一個晶體管、一個半導(dǎo)體器件、一個電路、一個芯片、以及一個集成電路。
8.如權(quán)利要求I所述的印刷電路板，其中該VSDM是一個層。
9.如權(quán)利要求8所述的印刷電路板，其中該VSDM層并入一個非導(dǎo)電層內(nèi)。
10.如權(quán)利要求8所述的印刷電路板，其中該VSDM層布置在至少兩個非導(dǎo)電層之間。
11.一種印刷電路板，包括 至少一個非導(dǎo)電層； 至少一個導(dǎo)體； 一種電壓可切換介電材料(VSDM)，該VSDM應(yīng)用到該非導(dǎo)電層中的至少一個；以及 一個電子部件，該電子部件具有至少一條引線，其中該至少一條引線電氣連接到該VSDM。
12.如權(quán)利要求11所述的印刷電路板，其中該電子部件是一個嵌入式部件。
13.如權(quán)利要求12所述的印刷電路板，其中該嵌入式部件包括以下各項中的一個或多個一個電阻器、一個電感器、以及一個電容器。
14.如權(quán)利要求12所述的印刷電路板，其中該嵌入式部件以下各項中的一個或多個一個二極管、一個晶體管、一個半導(dǎo)體器件、一個電路、一個芯片、以及一個集成電路。
15.如權(quán)利要求11所述的印刷電路板，其中該電子部件是一個表面安裝部件。
16.如權(quán)利要求15所述的印刷電路板，其中該表面安裝部件包括以下各項中的一個或多個一個電阻器、一個電感器、以及一個電容器。
17.如權(quán)利要求15所述的印刷電路板，其中該表面安裝部件以下各項中的一個或多個一個二極管、一個晶體管、一個半導(dǎo)體器件、一個電路、一個芯片、以及一個集成電路。
18.權(quán)利要求11所述的印刷電路板，其中該VSDM是一個層。
19.如權(quán)利要求18所述的印刷電路板，其中該VSDM層并入該至少一個非導(dǎo)電層內(nèi)。
20.如權(quán)利要求18所述的印刷電路板，其中該VSDM層布置在至少兩個非導(dǎo)電層之間。
全文摘要
本發(fā)明披露了包括電壓可轉(zhuǎn)換介電材料(VSDM)的多種印刷電路板。該VSDM用來保護在印刷電路板上排列或嵌入其中的電子部件不受到放電影響，例如靜電放電或電過載。在一個過電壓事件期間，一個VSDM層將過多電流分流到接地，因此防止電子部件破壞或損壞。
文檔編號H05K1/09GK102860141SQ201180020708
公開日2013年1月2日 申請日期2011年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者L·科索斯基, R·弗萊明, B·格雷頓, D·瓦斯克斯 申請人:肖克科技有限公司