(57)【要約】  基板デバイスは、接地を与えるための、導電素子または層(２４０)に重なる埋込ＶＳＤ材料層(２３０)を有する。保護されるべき回路素子に接続された電極(２１０)が、基板の厚さを貫通して延びてＶＳＤ層に接触する。回路素子が正常電圧下で動作している場合は、ＶＳＤ層は誘電体であり、電極は接地に接続されていない。回路素子に過渡的電気事象が発生すると、ＶＳＤ材料が即時に導電状態に切り替え、電極が接地に接続される。
2011517138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスにおいて、
第１の電極、
前記第１の電極から縦方向に隔てられた第２の電極、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に配置され、前記第２の電極と接触している、電圧で切替可能な誘電体(ＶＳＤ)材料の層、及び
前記ＶＳＤ材料層と前記第１の電極の間に設けられた電気絶縁性材料の層、
を有し、
前記第１の電極が、前記ＶＳＤ材料層と接触するように、縦方向に前記電気絶縁性材料層内に延び込むことを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記第１の電極が前記ＶＳＤ材料層と表面で接触することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１の電極が前記ＶＳＤ材料層と中間で接触することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１の電極が、前記電気絶縁性材料層に形成された開口に整合する形状につくられることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記電気絶縁性材料がエポキシ樹脂含浸ガラスクロスであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記電気絶縁性材料がＢ段階樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記電気絶縁性材料が高誘電定数を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記電気絶縁性材料がポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
基板デバイスを形成する方法において、前記方法が、
(ｉ)電気絶縁性層、(ii)前記電気絶縁性層の下にある電圧で切替可能な誘電体(ＶＳＤ)材料及び(iii)接地電極を有し、前記ＶＳＤ材料が前記接地電極に重なる、基板スタックを形成する工程、
前記電気絶縁性層に開口を、前記開口を前記ＶＳＤ材料の層内に延び込ませずに、形成する工程、及び
前記ＶＳＤ材料に接触する第１の電極を形成するために前記開口の少なくとも一部上に導電性材料を形成する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記電気絶縁性層に開口を形成する前記工程が前記開口を穿孔する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記電気絶縁性層に開口を形成する前記工程が、前記開口をレーザ穿孔する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記電気絶縁性層に開口を形成する前記工程が、前記ＶＳＤ材料の厚さに実質的に影響を与えずに前記開口を形成するように、前記開口を精確な深さに穿孔する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記電気絶縁性層に開口を形成する前記工程が、ＹＡＧレーザを用いて前記開口を精確な深さに穿孔する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記開口を精確な深さに穿孔する前記工程が、穿孔する工程において前記電気絶縁性層から前記ＶＳＤ材料への遷移を検出するためのフィードバックコンポーネントを用いる工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
基板デバイスにおいて、
接地電極、
前記接地電極に重なる電圧で切替可能な誘電体(ＶＳＤ)材料の層であって、指定された閾レベルをこえるエネルギーの印加によって、非導電状態から導電状態に切り替わるように、トリガすることができるＶＳＤ材料、
前記ＶＳＤ材料層に重ねて形成された電気絶縁性材料の層、及び
第１の電極であって、前記電気絶縁性材料層を貫通して延びて前記ＶＳＤ材料層に少なくとも接触し、但し前記ＶＳＤ材料層内には延び込まず、よって前記ＶＳＤ材料層の少なくとも一部に前記指定された閾レベルをこえるエネルギーを供給する過渡的電気事象が存在する場合に前記第１の電極から前記第２の電極への接地経路を提供する、第１の電極、
を有することを特徴とする基板デバイス。
【請求項１６】
前記第１の電極が、前記ＶＳＤ材料層の厚さに２０％より大きな影響を与えずに、前記ＶＳＤ材料層と接触するように延びることを特徴とする請求項１５に記載の基板デバイス。
【請求項１７】
前記第１の電極が、前記ＶＳＤ材料層の厚さに１００ｎｍより大きな影響を与えずに、前記ＶＳＤ材料層と接触するように延びることを特徴とする請求項１５に記載の基板デバイス。
【請求項１８】
前記電気絶縁性材料がプレプレグ材であることを特徴とする請求項１５に記載の基板デバイス。
【請求項１９】
前記ＶＳＤ材料層が有機または無機の高アスペクト比粒子を含有することを特徴とする請求項１５に記載の基板デバイス。
【請求項２０】
前記ＶＳＤ材料層がカーボンナノチューブを含有することを特徴とする請求項１５に記載の基板デバイス。
【請求項２１】
多層基板デバイスにおいて、
内部コア層及び外部コア層を含む複数のコア層、
少なくとも２つの前記コア層の間で、前記基板デバイスの厚み内に埋め込まれた１つないしさらに多くの接地面、
前記接地面に重なり、前記接地面に接触する１つないしさらに多くのＶＳＤ材料の層、及び
前記１つないしさらに多くのＶＳＤ材料層のそれぞれを前記コア層の少なくとも１つから隔てる１つないしさらに多くの電気絶縁性材料の層、
を有し、
前記外部コア層が接地電極を有し、前記電気絶縁性材料層の１つに重なり、
前記１つないしさらに多くのＶＳＤ材料層が、前記外部コア層の１つの下層の前記電気絶縁性材料層の下層にある、前記ＶＳＤ材料の外層を含み、
前記ＶＳＤ材料層の特性電圧をこえる過渡的電気事象が発生した場合に前記外部コア層の導電素子の少なくとも一部の接地を可能にするため、接地電極が前記下層のＶＳＤ材料に達するように前記下層の電気絶縁性材料層を貫通して延びる、
ことを特徴とする多層基板デバイス。
【請求項２２】
前記電気絶縁性材料がエポキシ樹脂含浸ガラスクロスであることを特徴とする請求項２１に記載の多層基板デバイス。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００８年４月１４日に出願された、米国仮特許出願第６１/０４４８８３号の優先権の恩典を主張する。上記優先出願の明細書はその全体が参照として本明細書に含まれる。
【技術分野】
【０００２】
本明細書に説明される実施形態は電圧で切替可能な誘電体材料を利用する基板デバイス及びパッケージに関する。特に、本明細書に説明される実施形態は、縦型スイッチング構成において電圧で切替可能な誘電体材料層を埋め込む、基板デバイスまたはパッケージに関する。
【背景技術】
【０００３】
電圧で切替可能な誘電体(ＶＳＤ)材料は、低電圧では絶縁性であり、高電圧では導電性である材料であることが知られている。そのような材料は一般に、絶縁性ポリマー母材内に導電性粒子、半導電性粒子及び絶縁性粒子を含む複合材料である。そのような材料は電子デバイスの過渡保護、特には静電放電(ＥＳＤ)及び過電圧／電流(ＥＯＳ)に対する保護に用いられる。一般に、ＶＳＤ材料は、特性電圧または特性電圧範囲内の電圧が印加されない限り誘電体として振る舞い、特性電圧または特性電圧範囲内の電圧が印加されると導電体として振る舞う。様々な種類のＶＳＤ材料が存在する。電圧で切替可能な誘電体材料の例は、特許文献１，２，３，４，５，６，７，８及び９のような参考文献に与えられている。上記文献の全てが本明細書に参照として含まれる。
【０００４】
ＶＳＤ材料は様々なプロセス及び材料及び組成を用いて形成することができる。従来手法の１つでは、浸出限界の極めて近くまでの高レベルの、一般に体積で２５％をこえる、金属粒子でポリマー層が満たされる。次いで半導体材料及び／または絶縁体材料が混合物に添加される。
【０００５】
別の従来手法では、ドープト金属酸化物粉末を混合し、次いで粉末を焼結して粒界を有する粒子にし、次いでこの粒子を浸出限界の上までポリマー母材に添加することで、ＶＳＤ材料が形成される。
【０００６】
ＶＳＤ材料を形成するためのその他の手法及び組成が、名称を「導電性または半導電性の有機材料を有する電圧で切替可能な誘電体材料(VOLTAGE SWITCHABLE DIELECTRIC MATERIAL HAVING CONDUCTIVE OR SEMICONDUCTIVE ORGANIC MATERIAL)」とする、特許文献１０及び名称を「アスペクト比が高い粒子を有する電圧で切替可能な誘電体材料(VOLTAGE SWITCHABLE DIELECTRIC MATERIAL HAVING HIGH ASPECT RATIO PARTICLES)」とする、特許文献１１に説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４９７７３５７号明細書
【特許文献２】米国特許第５０６８６３４号明細書
【特許文献３】米国特許第５０９９３８０号明細書
【特許文献４】米国特許第５１４２２６３号明細書
【特許文献５】米国特許第５１８９３８７号明細書
【特許文献６】米国特許第５２４８５１７号明細書
【特許文献７】米国特許第５８０７５０９号明細書
【特許文献８】国際公開第９６/０２９２４号パンフレット
【特許文献９】国際公開第９７/２６６６５号パンフレット
【特許文献１０】米国特許出願第１１/８２９９４６号明細書
【特許文献１１】米国特許出願第１１/８２９９４８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、縦型スイッチ構成において電圧で切替可能な誘電体(ＶＳＤ)層が埋め込まれた基板デバイス及びパッケージを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態にしたがえば、基板デバイスは接地を与えるための導電素子または導電層に重なる埋込ＶＳＤ材料層を有する。保護されるべき回路素子に接続された電極が基板の厚みを貫通して延びてＶＳＤ層と接触する。回路素子が正常電圧で動作しているときは、ＶＳＤ層は非導電性であり、第１の電極は接地に接続されない。過渡的電気事象が回路素子に発生すると、ＶＳＤ層が即時に導電状態にスイッチし、よって第１の電極が接地に接続される。この構成は第１の電極に接続されている回路素子及びデバイスを過渡的電気事象から保護する。
【００１０】
一実施形態にしたがえば、基板デバイスは２つの電極を相互に縦方向に隔て、第１の電極は保護されるべき回路素子及びデバイスに接続され、第２の電極は接地に接続される。ＶＳＤ材料層が第２の電極に重ねて配置され、電気絶縁性材料(すなわち、プレプレグ材またはＢ段階樹脂)がＶＳＤ材料層を覆う。電気絶縁性材料は高誘電定数を有する材料として特徴づけることができる。一実施形態にしたがえば、第１の電極は縦方向に誘電体層を貫通して延びてＶＳＤ材料と接触する。
【００１１】
さらにまた、正確な深さの穿孔により、第１の電極が誘電体層を貫通してＶＳＤ材料に到達する構造につくられた実施形態が提供される。一実施形態は、第１の電極が形成される開口を作成するためのレーザの使用を提供する。
【００１２】
そのように形成された構成により、過渡的電気事象中に第１の電極と(接地されている)第２の電極を電気的に接続するための、ＶＳＤ材料の縦方向スイッチングが可能になる。
【００１３】
さらにまた、別の実施形態において、第１の電極及び接地面または別の電極を有する基板デバイスが提供される。第１の電極と接地面は縦寸法を定める厚みによって隔てられる。厚み内に埋め込まれるように、第２の電極に重ねて、あるいは第２の電極と少なくともある程度接触して、ＶＳＤ材料層が設けられる。ＶＳＤ材料は、指定された閾レベルをこえるエネルギー(電圧または電流)の印加によってトリガされて誘電性状態から導電性状態に切り替えることができる。少なくとも第１の電極から接地面に縦方向に接地経路が延びることができる。接地経路は少なくともＶＳＤ材料層の厚みを含む。接地経路は、ＶＳＤ材料の指定された閾レベルをこえるエネルギーが供給される過渡的電気事象が存在するときにのみ、導電性または活性である。
【００１４】
さらにまた、本明細書に説明される実施形態では、基板デバイスの文脈において、電極層から電気絶縁性材料(例えばプレプレグ材)の内部厚みを通って埋込ＶＳＤ材料層に至る穴または開口を形成するためにレーザを用いることができる。詳しくは、１つないしさらに多くの実施形態では、レーザの使用によるＶＳＤ材料の劣化またはその他の望ましくない影響を生じることなく、埋込ＶＳＤ材料層に触れる穴を穿孔するためにレーザ(例えばＹＡＧレーザ)を用いることができる。そのようなレーザは電気絶縁性材料からＶＳＤ材料への遷移を精確に検出し、よって有意な量のＶＳＤ材料を全く除去せずに開口または穴を形成するように、調整することができる。一実施形態において、レーザによって形成された開口の下にあるＶＳＤ材料層の厚さは開口形成前の厚さと実質的に同じである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、様々な実施形態にしたがうＶＳＤ材料の構成成分を示す、ＶＳＤ材料の層または厚みを説明する(比例尺では描かれていない)断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、一実施形態にしたがう、縦方向でスイッチングするように基板上に配置されたＶＳＤ材料の埋込層を有する基板デバイスを示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは基板デバイスに対する横型スイッチング構成を示す。
【図３Ａ】図３Ａは図２Ａの実施形態によって示されるような基板デバイスを形成するためのプロセスまたは手法を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは図２Ａの実施形態によって示されるような基板デバイスを形成するためのプロセスまたは手法を示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは図２Ａの実施形態によって示されるような基板デバイスを形成するためのプロセスまたは手法を示す。
【図４】図４は、一実施形態にしたがう、開口３１４のために実際にレーザ穿孔された穴を示す。
【図５】図５は、１つないしさらに多くの実施形態にしたがう、ＶＳＤ材料の縦方向スイッチング層を組み込んでいる多層プリント回路基板(またはその他の基板デバイス)を示す。
【図６】図６は、本発明の一実施形態にしたがう、過渡的電気事象に対して縦型スイッチング保護素子を提供するために埋込ＶＳＤ材料層を用いる多層プリント回路基板のプロセスフローを示す。
【図７】図７は図２Ａに示される実施形態の変形を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本明細書に用いられるように、用語「実質的に」は言明された大きさの９９％以内であることを意味する。
【００１７】
本明細書で用いられるように、用語「プログラム態様で」は、プロセッサ、コンピュータまたはプロセッシングリソース(例えばプロセッサまたは集積回路)によって実施されるような、コードまたは命令の実行によることを意味する。
【００１８】
電圧で切替可能な誘電体(ＶＳＤ)材料
本明細書で用いられるように、「電圧で切替可能な材料」または「ＶＳＤ材料」は、材料の特性レベルをこえる電場または電圧が材料に印加されない限り誘電性または非導電性であり、材料の特性レベルをこえる電場または電圧が材料に印加された場合には材料が導電性になるという特徴を有するいずれかの組成または組成の組合せである。すなわち、ＶＳＤ材料は、(例えばＥＳＤ事象で与えられるような)特性レベルをこえる電圧(または電場)が材料に印加されない限り誘電性であり、特性レベルをこえる電圧(または電場)が材料に印加された場合にＶＳＤ材料は導電状態に切り替わる。ＶＳＤ材料はさらに非線形抵抗材料として特性を表すことができる。多くの用途において、ＶＳＤ材料の特性電圧の値は回路またはデバイスの動作電圧レベルの数倍をこえる範囲にある。そのような電圧レベルは、静電放電によって生じるような、過渡状態のオーダーであり得るが、実施形態には計画された電気事象の使用を含めることができる。さらに、１つないしさらに多くの実施形態では、特性電圧をこえる電圧がかかっていない場合、材料は結合材と同様に振る舞う(すなわち非導電性または誘電性である)。
【００１９】
さらにまた、一実施形態において、ＶＳＤ材料は導電体粒子または半導体粒子とある程度混合された結合材を含む材料として特徴を表すことができる。特性電圧レベルをこえる電圧がかかっていない場合、材料は全体として結合材の誘電特性に合わせられ。特性レベルをこえる電圧の印加により、材料は全体として導電特性に合わせられる。
【００２０】
本明細書に説明される実施形態にしたがえば、ＶＳＤ材料の構成成分は結合剤またはポリマー母材に一様に混合することができる。一実施形態において、混合物はナノスケールで分散され、これは、導電性／半導電性材料を含む粒子が少なくとも１つの次元(例えば断面)においてナノスケールであり、体積内の全体分散量をなす粒子の内のかなりの数が個々に隔てられている(凝集または圧密され合わせていない)ことを意味する。
【００２１】
さらにまた、本明細書に説明されるいずれの実施形態にもしたがえば、電子デバイスにＶＳＤ材料を備えることができる。そのような電子デバイスには、プリント回路基板、半導体パッケージ、個別デバイス、薄膜エレクトロニクス、発光ダイオード(ＬＥＤ)、無線周波数(ＲＦ)コンポーネント及びディスプレイデバイスのような、基板デバイスを含めることができる。
【００２２】
ＶＳＤ材料のいくつかの組成はポリマー結合材に導電性材料及び／または半導電性材料を、浸出がおこる直前の量で、添加することによって機能する。浸出は、比較的低い電圧が印加されたときに連続導電経路がある、統計的に定められた閾に相当し得る。浸出閾をより良く制御するため、その他の絶縁性材料または半導電性材料を加えることができる。さらにまた、いくつかの実施形態ではポリマー樹脂内に分散されたバリスタ粒子でＶＳＤ材料を構成することができる。
【００２３】
図１は、様々な実施形態にしたがうＶＳＤ材料の構成成分を示す、ＶＳＤ材料の層または厚みを説明する(比例尺では描かれていない)断面図である。図示されるように、ＶＳＤ材料１００は、結合母材１０５及び、様々な濃度で結合材内に分散された、様々なタイプの構成粒子を有する。ＶＳＤ材料の構成粒子には、金属粒子１１０，半導体粒子１２０及び高アスペクト比(ＨＡＲ)粒子１３０を含めることができる。ＶＳＤ組成に含まれる構成粒子のタイプはＶＳＤ材料の所望の電気的及び物理的特性に依存して変わり得ることに注意すべきである。例えば、いくつかのＶＳＤ組成には金属粒子１１０を含めることができるが、半導体粒子１２０及び／またはＨＡＲ粒子１３０を含めることはできない。さらにまた、別の実施形態では導電性粒子１１０の使用を省くことができる。
【００２４】
結合母材１０５の例には、ポリエチレン樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリケトン樹脂及びこれらのコポリマー及び／または混合物がある。
【００２５】
導電性材料１１０の例には、銅、アルミニウム、ニッケル、銀、金、チタン、ステンレス鋼、クロムのような金属、その他の金属合金または二ホウ化チタンのような導電性セラミックがある。半導体材料１２０の例には有機半導体及び無機半導体のいずれもが含まれる。無機半導体のいくつかには、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化ニッケル、酸化亜鉛、硫化亜鉛、酸化ビスマス、酸化チタン、酸化セリウム、酸化ビスマス、酸化スズ、酸化インジウムスズ、酸化アンチモンスズ及び酸化鉄がある。特定の配合及び組成はＶＳＤ材料の特定の用途に最も適する機械的及び電気的特性に対して選ぶことができる。ＨＡＲ粒子１３０は有機(例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン)または有機(例えば、ナノワイアまたはナノロッド)とすることができ、様々な濃度で他の粒子の間に分散させることができる。ＨＡＲ粒子１３０のさらに詳しい例は、ナノワイアまたはあるタイプのナノロッドで提供されるような、導電性または半導電性の無機粒子に相当することができる。そのような粒子のための材料には、銅、ニッケル、金、銀、コバルト、酸化亜鉛、酸化スズ、炭化ケイ素、砒化ガリウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、二酸化チタン、アンチモン、窒化ホウ素、酸化インジウムスズ、酸化インジウム亜鉛、酸化ビスマス、酸化セリウム及び酸化アンチモン亜鉛がある。
【００２６】
母材１０５内での様々なクラスの粒子の分散は、ＶＳＤ材料１００が層序を形成せず、組成が一様であり、同時に電圧で切替可能な誘電体材料の電気的特性を示すような分散である。一般にＶＳＤ材料の特性電圧は電圧/長さ(例えば５ミル(１２７μｍ)当たり)で測定されるが、他に、電圧の代わりとして電場測定値を用いることができる。したがって、ＶＳＤ材料層の境界１０２にかけて印加される電圧１０８は、電圧が間隙距離Ｌに対する特性電圧をこえれば、ＶＳＤ材料１００を導電状態に切り替えることができる。導電状態において、(結合母材１０５及び構成成分粒子を含む)母複合材はＶＳＤ材料の一方の境界から他方の境界まで導電性粒子１１０の間で(導電経路１２２で示されるように)電荷を通す。１つないしさらに多くの実施形態では、ＶＳＤ材料が回路動作電圧をこえる特性電圧レベルを有する。上述したように、他に、特性電場測定値を用いることができる。
【００２７】
特定の組成と有機物粒子及び／またはＨＡＲ粒子がＶＳＤ材料の組成に組み込まれる手法は、名称を「導電性または半導電性の有機材料を有する電圧で切替可能な誘電体材料(VOLTAGE SWITCHABLE DIELECTRIC MATERIAL HAVING CONDUCTIVE OR SEMICONDUCTIVE ORGANIC MATERIAL)」とする、特許文献１０及び名称を「アスペクト比が高い粒子を有する電圧で切替可能な誘電体材料(VOLTAGE SWITCHABLE DIELECTRIC MATERIAL HAVING HIGH ASPECT RATIO PARTICLES)」とする、特許文献１１に説明されている。上記の特許文献１０及び１１はいずれもそれぞれの全体が本特許出願明細書に参照として含まれる。
【００２８】
ＶＳＤ材料がポリマー樹脂内に分散されたバリスタ粒子で形成されている実施形態においては、Ｂｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｍｎ及びＳｂを用いて金属酸化物バリスタを形成することができる。組成は８００℃〜１３００℃で焼結されたドープトＺｎＯ粉末を用いて形成することができるが、焼結温度には別の温度範囲を用いることができる。焼結の結果、印加電場に対して非線形関数として変化する導電度を有する、粒子が得られる。
【００２９】
埋込ＶＳＤ材料を用いる縦型スイッチング
ＶＳＤ材料を利用する一態様は基板デバイス上の層としてＶＳＤ材料を埋め込むことである。ＶＳＤ材料層は、ＶＳＤ材料の特性閾をこえる過渡的電気事象が発生すると基板の回路素子を接地素子に電気的に相互接続するように配置される。基板デバイスは、縦方向または横方向でのＶＳＤ材料層の(導電状態への)スイッチングを可能にするため、ＶＳＤ材料層と一体化することができる。
【００３０】
図２Ａは、一実施形態にしたがう、縦方向でスイッチングするように基板上に配置された埋込ＶＳＤ材料層を有する基板デバイスを示す。図２Ａを参照すれば、基板デバイス２００は、第１の電極２１０，電気絶縁性材料層２２０，ＶＳＤ材料層２３０及び第２の電極２４０を備える。電気絶縁性材料は、例えば、プレプレグ材、Ｂ段階樹脂、ポリイミド樹脂(または高誘電定数材料)に相当することができる。特定の例として、電気絶縁層はエポキシ樹脂含浸ガラスクロスに相当するかまたはこれを含むことができる。第１の電極２１０は電気絶縁層２２０を深さ方向に貫通し、よって電極の一部２１２はＶＳＤ材料層２３０と物理的に接触している。第２の電極２４０も基板デバイスの下側に埋め込むかまたは設けることができる。第２の電極２４０は接地に接続される。
【００３１】
プレプレグ材のような電気絶縁性材料２２０により、基板の大部分が共通接地面に相互接続し、共通接地面まで延びることが可能になる。とりわけ、プレプレグ材及びその他の電気絶縁性材料により、電気的干渉無しに回路素子を配線／接続することが可能になる。本明細書に説明される実施形態の文脈においては、電気絶縁性材料２２０により、(第１の電極２１０で例示されるような)表面電極を接地面に対して、漏洩電流、結合またはその他の電気的干渉を最小にして、配置／配線することが可能になる。
【００３２】
一実施形態にしたがえば、第１の電極２１０は過渡的電気事象から保護されるべき回路、コンポーネントまたは領域に基板デバイス上で電気的に接続される。第１の電極２１０は、(第１の電極の下にある部分より先に延びる)ＶＳＤ層２３０の厚さの少なくともかなりの(例えば８０％の)部分に対応する間隙２１５によって第２の電極２４０から隔てられる。一実施形態において、第１の電極２１０は、(ｉ)ＶＳＤ材料層の被着後に形成され、(ii)いかなる測定可能な大きさの、または有意な、ＶＳＤ材料の厚さへの影響無しに、ＶＳＤ材料層まで延びる。例えば、第１の電極２１０と第２の電極２４０を隔てている間隙２１５の寸法は、第１の電極２１０の形成前のＶＳＤ材料層２３０の厚さの９９％より大きくすることができる。しかし、図７の実施形態に示されるように、間隙２１５は第１の電極２１０の延込み無しにＶＳＤ材料の厚さより小さい寸法を有するように形成することができる。例えば、間隙２１５は、第１の電極２１０の延込みに隣接するＶＳＤ材料の厚さの２５％、５０％または７５％を占めることができる。
【００３３】
過渡的電気事象が発生すると、第１の電極２１０がその事象からの電流をＶＳＤ材料層２３０に縦方向に伝え、よって即時にＶＳＤ材料を導電状態に切り替える。切り替わったＶＳＤ材料は第１の電極２１０と第２の電極(接地)を縦方向に間隙２１５にかけて電気的に接続する。このようにして、第１の電極２１０と第２の電極２４０が電気的に相互接続され、第２の電極は接地面または接地素子に接続され、よって過渡事象を接地することが可能になる。
【００３４】
図２Ａで示されるような実施形態との対照として、図２Ｂは基板デバイスに対する横型スイッチング構成を示す。代表的な構成において、第１の電極２５２及び第２の電極２５４を含む導電素子がＶＳＤ材料層２６０の上に配置される。一般には導電要素をエッチングまたはその他のプロセスを用いて層から除去することによって、横方向間隙２５５が形成される。プレプレグ材またはその他の電気絶縁性材料２７０が用いられることになっていれば、ＶＳＤ材料２６０は一般にプレプレグ材上に重なる。別の導電材料層２８０がバイア２５６またはその他の電気的相互接続を介して第２の電極２５４まで接地経路を延ばすことができる。過渡的電気事象が発生すると、第１の導電素子と第２の導電素子の間に延びるＶＳＤ材料２６０の一部が導電状態に切り替わり、よって第２の電極２５４によって与えられる接地経路に第１の電極２５２を電気的に相互接続する。
【００３５】
図２Ａで示されるような実施形態は、図２Ｂに示されるような横型スイッチング構成に優る、数多くの利点を提供する。横型スイッチング構成において、間隙２５５は比較的高い許容度を有するプロセス(例えばエッチング)によって形成される。したがって、間隙２５５は、特に特定の許容値または測定値に、形成することが困難である。実施形態では、ＶＳＤ材料が切り替わる際には間隙２５５が肝要な寸法であることがわかっている。間隙２５５の変動はＶＳＤ材料層２６０を切り替えるのに必要なクランプ／トリガ電圧に影響する。横型スイッチングに対する寸法として、特に小間隙に対して、寸法を製造中に制御することが非常に困難である。
【００３６】
さらに、図２Ｂに示されるプレーナ形状構成は、特に電極のエッジにおいて、局所的で高い電場集中を生じさせ得る非一様電場分布を助長する。そのような非一様性は、ＶＳＤ材料のトリガ／クランプ電圧を同等の縦型間隙／スイッチング構成よりも高くし得る。
【００３７】
図２Ａの実施形態は、２つの縦方向に隔てられた電極の間のＶＳＤスイッチングを可能にするための、低許容度間隙形成を示すが、間隙形成は図２Ａに示されるように精確である必要はないことが実施形態でわかっている。例えば、図７の実施形態は第１の電極がＶＳＤ材料層にある深さまで延び込んでいる構成を示す。
【００３８】
縦型構造形成
図３Ａ〜図３Ｃは、図２Ａの実施形態によって示され、説明されるような基板デバイスを形成するためのプロセスまたは手法を示す。
【００３９】
図３Ａにおいて、導電材料(例えば銅)層、電気絶縁性材料層３１０，ＶＳＤ材料層３２０及び接地を与えるための導電層３３０を有する多層基板デバイスが形成される。この段階における基板の形成はスタックまたはスタック構造と称されることがある。
【００４０】
図３Ｂにおいて、電気絶縁性材料３１０を貫通してＶＳＤ材料層３２０に至る開口３１４が形成される。開口３１４はマイクロバイアと称されることがある。開口３１４は、開口の形成がＶＳＤ材料３２０において停止するように、少なくとも深さ方向において、精確に形成することができる。一実施形態において、開口はレーザ３３４を用いて穿孔される。開口３１４は、プリント、エッチング(導電材料)及び(レーザまたは精密穿孔を含む)穿孔を含む、プロセスまたは一連のプロセスの一環として形成することができる。開口の形成において、ＶＳＤ材料層の上層または表面までの深さを精確に得るためにＹＡＧレーザを用いることができる。ＹＡＧレーザは精確な深さでの開口１１４の自動穿孔を可能にする機構３３６を備えることができる。一実施形態において、レーザが精確な深さで電気絶縁性材料を貫通するに必要な時間長／パワー量は既知のパラメータとすることができる。さらにまた、レーザ動作のパワー及び時間と特定のタイプのプレプレグ材(またはその他の電気絶縁性材料)に対する穿孔深さをリストにするかまたは(例えば表によって)関係付けて、穿孔を実施することができる。この情報により、精確にＶＳＤ材料に至るように開口１１４を穿孔するための時間及びパワーレベルでレーザを動作させることができる。いくつかの実施形態において、開口１１４の深さを測定するために穿孔を停止させるプロセスを実施することができる。そのような停止／進行プロセスは、例えば、プレプレグ材からＶＳＤ材料への遷移線をこえる穿孔を予防することができる。深さが精確な穿孔に加えて、レーザの使用により穿孔のＸ方向及びＹ方向の横方向精度も高めることができる。
【００４１】
別の実施形態において、開口３１４の底におけるＶＳＤ材料の存在を検出する光センサのような、フィードバック機構３３６を必要に応じて用いてレーザ３３４を動作させることができる。ＶＳＤ材料が検出されると、レーザ穿孔が停止される。そのような実施形態において、レーザ３３４は、ＶＳＤ材料層３２０の存在を、さらに詳しくは、電気絶縁性材料層３１０の誘電体厚さからＶＳＤ材料層３２０への遷移をプログラム態様で検出するように構成された、一体化されているかまたは個別のコンポーネントで構成することができる。フィードバック機構３３６は、ＶＳＤ材料３２０への遷移を検出するために、レーザの出力に関する特徴及び／または穿孔されている材料の光学的特徴を評価するため、プロセッサをメモリのような他のリソースと組み合わせて組み込むことができる。あるいは、フィードバック機構３３６は(回路を含む、ファームウエアまたはハードウエアロジックのような)処理リソースによって実施することができる。
【００４２】
１つないしさらに多くの実施形態にしたがえば、レーザ穿孔の使用により、ＶＳＤ材料層３２０からいかなる有意な量の材料も除去せずに開口３１４をＶＳＤ材料層３２０に到達させることが可能になる。一実施形態において、レーザはＶＳＤ材料層の１％未満しか除去しない。実施形態では、プレプレグ材(またはその他の電気絶縁性材料)のレーザ穿孔の深さ方向許容度を、１００Å未満、さらには１０Å未満まで、レーザを制御できることがわかっている。
【００４３】
図３Ｃでは、基板デバイスの電極３４０が開口３１４を覆って形成されている。一実施形態において、開口３１４は、電極３４０を形成するために、メッキされるか、または別の手段で導電材料が与えられる。導電材料は開口３１４の壁面またはその他の縦面を覆うことができる。
【００４４】
図２Ａに関して、また本出願明細書のどこかで、説明されるような実施形態は、ＶＳＤ材料を用いる縦型スイッチングの提供に関して、従来手法に優る利点をいくつか提供する。例えば、従来手法のいくつかはＶＳＤ材料層３２０を含んでいたが、それらの手法は所望の導電開口形成を得るために穿孔または同様な構造を用いていなかった。レーザ穿孔を含む、穿孔により、例えばエッチングより精確であり、間隔が密な間隙または厚さが可能になる。したがって、図１に示され、説明されるような構造における間隔または許容度のレベル及び寸法は、従来手法の多くにしたがって提供されるレベル及び寸法よりも緊密にすることができる。
【００４５】
さらに、ＶＳＤ材料の縦型スイッチングを提供するための従来手法では、プレプレグ材またはその他の電気絶縁性材料３１０のような、付加層の使用が考慮されていなかった。本明細書に説明される実施形態は基板デバイスにおける様々な層内(または層上)へのＶＳＤ材料の実装を提供する。
【００４６】
さらにまた、従来手法と比較して、埋込ＶＳＤ材料を縦型スイッチング構成で使用することによって、「ターンオン」電圧またはクランプ電圧を図２Ｂで示されるような従来手法で確実に得ることができる電圧より低くすることが可能になる。上述したように、これは(図３Ｃの実施形態における電極「間隙」である)縦方向厚さを(例えばエッチングで与えられるような)プリント回路基板及び基板の製造プロセスよりも小さな寸法をより精確に制御できるためである。
【００４７】
一実施形態にしたがえば、図３Ｃで(または別に図２Ａで)示されるような構造は、単にＶＳＤ材料層に届く１つないしさらに多くの開口またはマイクロバイア(μバイア)を設けることによって、いかなる回路上のいかなるネット、ピン及びパッドに対しても、完全なＥＳＤ保護を与えることができる。対照的に、図２Ｂで説明されるような横型スイッチング動作ではＶＳＤ材料を通過するネット、ピンまたはパッドしか保護されない。横型スイッチング配位では、通常のＰＣＢ(プリント回路基板)上のピンの多く(例えば８０％)が未保護のままになるであろう。
【００４８】
図４は、一実施形態にしたがう、開口３１４のための実際にレーザ穿孔された穴を示す。穴４１０は、エキシマーレーザ、ＹＡＧレーザまたはＣＯ２レーザのような、市販のレーザを用いて穿孔することができる。実施形態では、ＶＳＤ材料の特性に基づいてレーザを選択できることがわかっている。例えば、ＣＯ２レーザでは光が散乱することがあり、ある与えられたタイプのＶＳＤ材料に対しては安全に穿孔するためにＣＯ２レーザを使用できない。しかし、同じＶＳＤ材料に対し、外部電極４１２及びプレプレグ材(またはその他の電気絶縁性材料)４１６に貫入する穴４１０をＹＡＧレーザは容易に形成することができる。穴４１０は第２の電極４２０に接触するかまたは電極４２０上に重なるＶＳＤ材料層４１８に届くまで延び込むことができる。しかし、先述したように、穴４１０を形成するレーザはプレプレグ材４１６からＶＳＤ材料４２０への遷移を検出する能力を有することができる。遷移を即時に検出できる能力によって、ＶＳＤ材料層に到達するが層内に延び込むことはない、穴４１０の形成が可能になる。必要に応じて、穴４１０はプラズマエッチングまたは化学エッチングでクリーニングして固着していない樹脂を除去する(汚れを落とす)ことができる。
【００４９】
多層構造
図２Ａに示されるような基板デバイス構成は、より大きな基板内に個別の厚みとして積み重ねるかまたは組み込むことができる。図５は、本発明の１つないしさらに多くの実施形態にしたがう縦型スイッチングＶＳＤ材料層を組み込んでいる、多層(８層)プリント回路基板(またはその他の基板デバイス)を示す。(セル式電話のような)小型電子デバイスのための代表的な回路基板構成において、層は、貼合わせ、穿孔及びメッキのサイクルの組合せによって提供される。例えば、高密度相互接続(ＨＤＩ)多層ＰＣＢ構成では一般に、多数回の貼合わせ、穿孔及びメッキのサイクルを必要とする、２＋４＋２または１＋１＋４＋１＋１の積層を用いることができる。
【００５０】
図５を参照すれば、基板５００の両面上でコア層５０２がＶＳＤ材料５１０に重なる。ＶＳＤ材料５１０はＰＣＢの両面上で接地面に隣接するように形成される。さらに別のコア層５０４，５０６が基板５００内に備えられる。コア層５０２，５０４，５０６のそれぞれは片面または両面に導電材料を有する。電気絶縁性材料層５２５をコア層間に配置することができる。
【００５１】
基板５００は、(ｉ)基板のそれぞれの外表面上の素子を電気的に接続するために基板の全厚を貫通するスルーバイア５０９，(ii)２つないしさらに多くの内部コア層の素子を電気的に接続する埋込バイア５１１，及び(iii)接地保護のために１つないしさらに多くの導電層をＶＳＤ材料まで延ばすためのレーザ穿孔されたマイクロバイア５１５を含む、異なるタイプのバイアを有することができる。例えば、電極５２１は、ＶＳＤ材料層５１０の下層の接地面５１２から電極を隔てるために、ＶＳＤ材料層の上部まで延びる開口に重ねて形成される。いくつかの導電素子が、外部コアの素子を内部コア層の素子と相互接続するためにＶＳＤ材料を穿通することができる。その他の数多くの変形も可能である。
【００５２】
例えば、電極５２１を挙げれば、ＹＡＧレーザ(すなわちExcellon Cobra)を用いてレーザ穿孔し、次いでメッキすることによって、外層からＶＳＤ材料５１０への接続を行うことができる。ＶＳＤ材料の「ターンオン」電圧(またはエネルギー)特性はＶＳＤ材料の配合及びＶＳＤ層厚によって定まる。ＶＳＤ材料の組成は、クランプ電圧を含む、所望の特性に対して選ぶことができる。標準的な電気メッキ、無電解メッキ、「積上」またはパターン転写を、穿孔された開口を、また層上の他の構造も、メッキするために用いることができる。図５または他の(例えば図２Ａの)実施形態に関して、ＶＳＤ層は連続的または不連続的(すなわちパターン付)態様で基板デバイスの与えられた厚みにかかるようにすることができる。
【００５３】
図６は、一実施形態にしたがう、過渡的電気事象に対する縦型スイッチング保護素子を設けるために埋込ＶＳＤ材料層を用いる、多層基板デバイス(例えばプリント回路基板)のプロセスフローを示す。図６に説明されるようなプロセスフローと同等のプロセスフローを図５で説明したような実施形態の実施に用いることができる。したがって、説明される工程または副工程に関する適する要素または特徴を説明する目的のため、図５の要素が参照される。論じられるプロセス工程は異なる種類の多層基板デバイスの形成に適合するように変えることができる。プロセスは、単層または二層の基板デバイスに適合させるために簡易化することができ、あるいはさらに重層化した基板デバイスに適合させるために工程を追加して実施することができる。
【００５４】
工程６１０において、多層基板デバイスの内層コア(Ｌ４及びＬ５)が像形成及びエッチングを含む標準プロセスにかけられる。工程６２０ではコアが貼り合わされて４層のサブコアを形成する。工程６３０では副コアに埋込バイア５１１が形成される。埋込バイア５１１を形成するために穿孔及びメッキプロセスを実施することができる。
【００５５】
工程６４０において、サブコアの外層上にエッチングでパターンが形成される。次に、工程６５０では外層コアの内層にエッチングでパターンが形成される。工程６６０において、外層コアがサブコアに貼り合わされる。
【００５６】
工程６７０において、スルーバイア５０９及びマイクロバイア５１５を形成するために複数の穿孔工程が実施される。上述したように、マイクロバイアは、図３Ａ〜３Ｃの実施形態で説明したような、精密レーザ穿孔を用いて形成することができる。
【００５７】
工程６８０ではレーザ穿孔バイア及びスルーホールの全てに最終メッキが施される。上述したように、マイクロバイア５１５がメッキされると、ＶＳＤ材料の縦方向間隙厚にかけて、対応する相互接続された素子を最も近い接地面に断続的に(すなわち、過渡的電気状態が存在するときに)接地する電極が形成される。
【００５８】
このプロセスフローへの、(ｉ)(連続またはパターン付の)埋込ＶＳＤ材料層が形成され、接地面との接触または接続が与えられ、(ii)導電開口が穿孔され、次いで少なくともＶＳＤ材料まで延びるように形成される、多くの変形または別形も導入することができる。
【００５９】
別形
説明したいくつかの実施形態は(続いてメッキされるかまたは電気材料が与えられる)開口または穴がレーザで形成される態様を提供するが、従来の機械的穿孔によって開口を形成することができる１つないしさらに多くの実施形態が考えられる。例えば、図７の実施形態は図２Ａに示される実施形態に対する変形を示す。図７において、第１の電極７１０はＶＳＤ層７３０の厚さＴに延び込んでいる。様々な(穿孔手法のような)実施手段及び実施形態によって第１の電極７１０が延び込む深さを与えることができる。いくつかの実施手段において、第１の電極はＶＳＤ層７３０の厚さの１０〜８０％の間のどこかを占めるまで延び込むことができる。図３Ａ〜３Ｃによって示されたプロセスと同様に(図３Ｂにおけるレーザの代わりに機械的穿孔が用いられることを除いて)、第１の電極７１０が形成される開口を形成するために、機械的穿孔を用いることができる。
【００６０】
さらに、１つないしさらに多くの実施形態では数多くの電極層及びＶＳＤ材料層を連続形態または不連続形態で設けることができる。
【００６１】
縦型スイッチング構成におけるＶＳＤ材料の使用を可能にするためのまた１つの別形として、「積上」プロセスを、埋込ＶＳＤ材料層に電気的に接触するようにスタックに縦方向開口を形成するために用いることができる。一実施形態において、「積上」プロセスはそのような構造をつくるために用いられる。感光像形成性誘電体材料層をＶＳＤ材料に被着して、パターンを形成することができ、次いで導電体層をパターンが付けられた誘電体層から積み上げることができる。パターン転写手法を用いて誘電体層及び／またはＶＳＤ材料層をパターニングすることもできるであろう。
【００６２】
結論
添付図面を参照して本発明の説明のための実施形態を本明細書で詳細に説明したが、本発明がこれらの精確な実施形態に限定されないことは当然である。したがって、多くの改変及び変形が当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲は添付される特許請求項及びそれらの等価物によって定められるとされる。さらに、個別にまたはある実施形態の一部として説明される特定の特徴は別の個別に説明された特徴または別の実施形態の部分部分と、別の特徴及び実施形態がその特定の特徴に言及していなくとも、組み合わされ得ると考えられる。したがって、組合せの説明の欠如によって発明者等のそのような組合せに対する特許請求の権利が排除されるべきではない。
【符号の説明】
【００６３】
１００    ＶＳＤ材料
１０２    境界
１０５    結合母材
１０８    電圧
１１０    金属粒子
１２０    半導体粒子
１２２    導電経路
１３０    高アスペクト比(ＨＡＲ)粒子
２００    基板デバイス
２１０，２４０    電極
２１５    間隙
２２０    電気絶縁性材料
２３０    ＶＳＤ材料層
【図１】
2011517138.tif 000003
【図２Ａ】
2011517138.tif 000004
【図２Ｂ】
2011517138.tif 000005
【図３Ａ】
2011517138.tif 000006
【図３Ｂ】
2011517138.tif 000007
【図３Ｃ】
2011517138.tif 000008
【図４】
2011517138.tif 000009
【図５】
2011517138.tif 000010
【図６】
2011517138.tif 000011
【図７】
2011517138.tif 000012
【国際調査報告】
2011517138.tif 000013
2011517138.tif 000014