(57)【要約】  ＶＳＤ材料の機械的および電気的特徴を向上させる目的で比較的高いアスペクト比を有する半導電性または導電性材料を利用した電圧で切替可能な誘電体（ＶＳＤ）材料の組成物が開示されている。【選択図】図３Ａ
2010515239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成物において、
結合剤、
導電性または半導電性である材料であって、前記結合剤内にナノスケールで分散され、１０以上のアスペクト比を有する高アスペクト比（ＨＡＲ）粒子を含む材料、および
前記ＨＡＲ粒子を含む材料以外の導体および／または半導体粒子、
を有してなり、
前記結合剤、前記材料および前記ＨＡＲ粒子が組み合わされて、前記組成物に、(i)固有の電圧レベルを超える電圧の印加されていない状態で誘電性であり、(ii)前記固有の電圧レベルを超える電圧が印加された状態で導電性である特徴が付与されることを特徴とする組成物。
【請求項２】
前記ＨＡＲ粒子が前記結合剤と均一に混合されていることを特徴とする請求項１記載の組成物。
【請求項３】
前記導体および／または半導体粒子および前記ＨＡＲ粒子が前記結合剤と均一に混合されていることを特徴とする請求項１記載の組成物。
【請求項４】
前記ＨＡＲ粒子がカーボン・ナノチューブであることを特徴とする請求項１記載の組成物。
【請求項５】
前記ＨＡＲ粒子が無機であることを特徴とする請求項１記載の組成物。
【請求項６】
前記ＨＡＲ粒子が酸化アンチモンスズ（ＡＴＯ）であることを特徴とする請求項１記載の組成物。
【請求項７】
前記ＨＡＲ粒子の少なくともある程度が、１０2または１０3以上のアスペクト比を有することを特徴とする請求項１記載の組成物。
【請求項８】
前記ＨＡＲ粒子の少なくともある程度がナノワイヤであることを特徴とする請求項１記載の組成物。
【請求項９】
前記ＨＡＲ粒子の少なくともある程度が、カーボンブラックまたは炭素繊維の内の１つ以上に対応することを特徴とする請求項１記載の組成物。
【請求項１０】
前記ＨＡＲ粒子の少なくともある程度が金属であることを特徴とする請求項１記載の組成物。
【請求項１１】
前記ＨＡＲ粒子が、銅、ニッケル、金、銀、コバルト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、ヒ化ガリウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、二酸化チタン、酸化アンチモンスズ、酸化インジウムスズ、酸化インジウム亜鉛、窒化ホウ素、酸化ビスマス、酸化鉄、酸化セリウム、および酸化アンチモン亜鉛のうちの１つ以上に対応することを特徴とする請求項１０記載の組成物。
【請求項１２】
前記導体および／または半導体粒子が金属または金属錯塩を含むことを特徴とする請求項３記載の組成物。
【請求項１３】
前記金属錯塩が、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属硫化物、およびそれらの組合せからなる群より選択されることを特徴とする請求項１２記載の組成物。
【請求項１４】
前記導体および／または半導体粒子がチタン化合物を含むことを特徴とする請求項３記載の組成物。
【請求項１５】
前記導体および／または半導体粒子が二酸化チタンを含むことを特徴とする請求項１４記載の組成物。
【請求項１６】
１０以上のアスペクト比を個々に有する高アスペクト比（ＨＡＲ）粒子を含むことを特徴とする電圧で切替可能な誘電体材料。
【請求項１７】
結合剤をさらに含み、前記ＨＡＲ粒子が前記結合剤中にナノスケールで分散されていることを特徴とする請求項１６記載の電圧で切替可能な誘電体材料。
【請求項１８】
前記ＨＡＲ粒子がナノワイヤに対応することを特徴とする請求項１６記載の電圧で切替可能な誘電体材料。
【請求項１９】
前記ＨＡＲ粒子が前記結合剤と均一に混合されていることを特徴とする請求項１６記載の電圧で切替可能な誘電体材料。
【請求項２０】
前記導体および／または半導体粒子および前記ＨＡＲ粒子が、前記結合剤と均一に混合されていることを特徴とする請求項１６記載の電圧で切替可能な誘電体材料。
【請求項２１】
電圧で切替可能な誘電体材料を形成する方法であって、
混合物であって、(i)誘電性である結合剤、(ii)金属および／または半導体粒子、および(iii)前記結合剤中にナノスケールで分散された高アスペクト比（ＨＡＲ）粒子を含む導電性または半導電性材料を含有する混合物を形成する工程であって、前記混合物が、硬化したときに、(i)固有の電圧を超える電圧が印加されていない状態で誘電性であり、(ii)該固有の電圧を超える電圧が印加された状態で導電性であるように、前記結合剤、前記金属および／または半導体粒子、および前記ＨＡＲ粒子を含む導電性または半導電性材料の各々を所定の量で使用する工程を含む工程、および
前記混合物を硬化させる工程、
を有してなる方法。
【請求項２２】
前記混合物をデバイスの標的位置に施す工程をさらに含み、前記混合物を硬化させる工程が、前記標的位置で前記混合物を硬化させる工程を含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記ＨＡＲ粒子を含む導電性または半導電性材料がカーボン・ナノチューブに対応することを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
前記金属および／または半導体粒子が、銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル、鋼、シリコン、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、酸化ビスマス、酸化鉄、酸化セリウム、および硫化亜鉛からなる群より選択されることを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２５】
前記金属および／または半導体粒子がチタン化合物を含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２６】
前記金属および／または半導体粒子が、二酸化チタン、二ホウ化チタン、または窒化チタンの内の１つを含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２７】
前記混合物を形成する工程が、前記金属および／または半導体粒子および前記ＨＡＲ粒子を前記混合物内に均一に混合する工程を含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２８】
前記均一に混合する工程が超音波撹拌を使用する工程を含むことを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
電圧で切替可能な誘電体材料であって、
混合物であって、(i)誘電性である結合剤、(ii)金属および／または半導体粒子、および(iii)前記結合剤中にナノスケールで分散された高アスペクト比（ＨＡＲ）粒子を含む導電性または半導電性材料を含有する混合物を形成する工程であって、前記混合物が、硬化したときに、(i)固有の電圧を超える電圧が印加されていない状態で誘電性であり、(ii)該固有の電圧を超える電圧が印加された状態で導電性であるように、前記結合剤、前記金属および／または半導体粒子、および前記ＨＡＲ粒子を含む導電性または半導電性材料の各々を所定の量で使用する工程を含む工程、および
前記混合物を硬化させる工程、
により形成されたことを特徴とする電圧で切替可能な誘電体材料。
【請求項３０】
前記ＨＡＲ粒子を含む導電性または半導電性材料がカーボン・ナノチューブに対応することを特徴とする請求項２９記載の電圧で切替可能な誘電体材料。
【請求項３１】
前記金属および／または半導体粒子が、銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル、鋼、シリコン、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、および硫化亜鉛からなる群より選択されることを特徴とする請求項２９記載の電圧で切替可能な誘電体材料。
【請求項３２】
前記金属および／または半導体粒子がチタン化合物を含むことを特徴とする請求項２９記載の電圧で切替可能な誘電体材料。
【請求項３３】
前記金属および／または半導体粒子が、二酸化チタン、二ホウ化チタン、または窒化チタンの内の１つを含むことを特徴とする請求項２９記載の電圧で切替可能な誘電体材料。
【請求項３４】
前記混合物を形成する工程が、前記金属および／または半導体粒子および前記ＨＡＲ粒子を前記混合物内に均一に混合する工程を含むことを特徴とする請求項２９記載の電圧で切替可能な誘電体材料。
【請求項３５】
前記均一に混合する工程が超音波撹拌を使用する工程を含むことを特徴とする請求項３４記載の電圧で切替可能な誘電体材料。
【請求項３６】
請求項１から１５いずれか１項記載の組成物を有してなる電子デバイス。
【請求項３７】
前記デバイスが、個別素子、半導体パッケージ、ディスプレイデバイスまたはバックプレーン、発光ダイオード、および無線識別デバイスからなる群より選択されるデバイスであることを特徴とする請求項３６記載の電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、「Voltage Switchable Dielectric Material With Reduced Metal Loading」と題する、２００６年７月２９日に出願された米国仮特許出願第６０／８２０７８６号の優先権を主張するものであり、上述した出願をここに完全に引用する。
【０００２】
本出願はまた、「Voltage Switchable Device and Dielectric Material With High Current Carrying Capacity and a Process for Electroplating the Same」と題する、２００６年９月２４日に出願された米国仮特許出願第６０／８２６７４６号の優先権も主張するものであり、上述した出願をここに完全に引用する。
【０００３】
本出願はまた、「Binders for Voltage Switchable Dielectric Materials」と題する、２００７年７月１１日に出願された米国仮特許出願第６０／９４９１７９号の優先権も主張するものであり、上述した出願をここにその全て引用する。
【０００４】
本出願はまた、「RFID Tag Using Voltage Switchable Dielectric Material」と題する、２００５年１１月２２日に出願された米国仮特許出願第６０／７３９７２５号の優先権を主張し、かつ「Light Emitting Devices with ESD Characteristics」と題する、２００５年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６０／７４０９６１号の優先権を主張する、「Light Emitting Device Using Voltage Switchable Dielectric Material」と題する、２００６年１１月２１日に出願された米国特許出願第１１／５６２２８９号の一部継続出願であり、上述した優先権の出願の全てをここに完全に引用する。
【０００５】
本出願はまた、「RFID Tag Using Voltage Switchable Dielectric Material」と題する、２００５年１１月２２日に出願された米国仮特許出願第６０／７３９７２５号の優先権を主張し、かつ「Light Emitting Devices with ESD Characteristics」と題する、２００５年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６０／７４０９６１号の優先権を主張する、「Wireless Communication Device Using Voltage Switchable Dielectric Material」と題する、２００６年１１月２１日に出願された米国特許出願第１１／５６２２２２号の一部継続出願であり、上述した優先権の出願の全てをここに完全に引用する。
【０００６】
本出願は、現在放棄されている、１９９９年１１月１０日に出願された米国特許出願第０９／４３７８８２号の継続出願であり、かつ１９９９年８月２７日に出願された米国仮特許出願第６０／１５１１８８号の優先権を主張する、「Current Carrying Structure Using Voltage Switchable Dielectric Material」と題する、２００４年９月２８日に発行された米国特許第６７９７１４５号の一部継続出願であり、上述した優先権の出願の全てをここに完全に引用する。
【技術分野】
【０００７】
開示された実施の形態は、広く、電圧で切替可能な誘電体(Voltage switchable dielectric)（ＶＳＤ）材料に関する。より詳しくは、ここに記載された実施の形態は、充填剤として導電性または半導電性の高アスペクト比（ＨＡＲ）粒子を含有するＶＳＤ材料を含む。
【背景技術】
【０００８】
電圧で切替可能な誘電体（ＶＳＤ）材料には、増加の一途をたどる用途がある。その用途としては、過渡電圧および静電放電（ＥＳＤ）事象に対処するための、例えば、プリント回路基板およびデバイスパッケージへの使用が挙げられる。
【０００９】
従来のＶＳＤ材料には様々な種類が存在する。電圧で切替可能な誘電体材料の例が、特許文献１から９などの文献に記載されている。ＶＳＤ材料は、ＳＵＲＧＸ社(SURGX CORPORATION)（リトルフューズ社(Littlefuse, Inc.)に所有されている）により製造される「ＳＵＲＧＸ」材料であっても差し支えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【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９７／０２９２４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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＶＳＤ材料には多くの利用法と用途があるが、この材料の従来の組成物には多くの欠点があった。典型的な従来のＶＳＤ材料は、脆く、スクラッチや他の表面損傷を受けやすく、接着強さが不足しており、高度の熱膨張を有する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、これらの欠点を克服した電圧で切替可能な誘電体（ＶＳＤ）材料に関する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態によるＶＳＤ材料を配合するプロセスに用いられる成分を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態の下での結合剤中に高アスペクト比粒子を有するＶＳＤ材料の組成物を配合するプロセスを示す流れ図
【図３Ａ】本発明の１つ以上の実施の形態により配合されたＶＳＤ材料の断面図
【図３Ｂ】図３Ａなどに記載されたような実施の形態によるＶＳＤ材料のクランプ電圧およびトリガー電圧の基本的な電気的性質を示すグラフ
【図３Ｃ】本発明の実施の形態の下での、電圧事象の発生に応答したＶＳＤ材料の実施例の電流に対する電圧性能を示すグラフ
【図３Ｄ】本発明の実施の形態の下での、電圧事象の発生に応答したＶＳＤ材料の異なる実施例の電流に対する電圧性能を示すグラフ
【図３Ｅ】本発明の実施の形態の下での、電圧事象の発生に応答したＶＳＤ材料の異なる実施例の電流に対する電圧性能を示すグラフ
【図４】本発明の実施の形態の下で、ＶＳＤ材料に、導体または半導体を被覆するＨＡＲ粒子を含ませる別のプロセスを示す流れ図
【図５Ａ】本発明の実施の形態の下で、金属／無機導体または半導体粒子の表面を被覆するＨＡＲ粒子の塗布が、ＶＳＤ材料中の金属／無機粒子の添加量をどのように減少できるかを示す概略図
【図５Ｂ】本発明の実施の形態の下で、金属／無機導体または半導体粒子の表面を被覆するＨＡＲ粒子の塗布が、ＶＳＤ材料中の金属／無機粒子の添加量をどのように減少できるかを示す概略図
【図５Ｃ】本発明の実施の形態による、粒子が結合剤中にナノスケールで分散されているときに、ＶＳＤ材料の結合剤中の充填剤としてのＨＡＲ粒子の比較的まとまりのない分布を示す概略図
【図６Ａ】本発明の実施の形態の下での、結合剤中に分布したＨＡＲ粒子を有するＶＳＤ材料（「有機ＶＳＤ」）により構成された基板デバイスの構成を示す断面図
【図６Ｂ】本発明の実施の形態の下での、結合剤中に分布したＨＡＲ粒子を有するＶＳＤ材料（「有機ＶＳＤ」）により構成された基板デバイスの異なる構成を示す断面図
【図７】図１〜５Ｃに記載された実施の形態のいずれかによる有機ＶＳＤ材料を用いた電気メッキプロセスを示す流れ図
【図８】ここに記載された実施の形態によるＶＳＤ材料が与えられる電子デバイスを単純化して示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
ここに記載された実施の形態は、ＶＳＤ材料の機械的および電気的特徴を向上させる目的のために比較的高いアスペクト比を有する半導電性または導電性材料を利用したＶＳＤ材料の組成物を含むデバイスを提供する。さらにまた、他の実施の形態は、ＶＳＤ材料の性質および特徴を向上させるのに使用するためのナノスケールの導体および半導体の使用を検討する。
【００１５】
一般に、「電圧で切替可能な材料」または「ＶＳＤ材料」は、その材料の固有の電圧レベルを超える電圧が材料に印加されない限り、誘電性すなわち非導電性であるという特徴を有する任意の組成物、または組成物の組合せであり、印加された場合には、その材料は導電性になる。それゆえ、ＶＳＤ材料は、その固有のレベルを超える電圧（例えば、ＥＳＤ事象により与えられるような）が材料が印加されない限り、誘電性であり、印加された場合には、ＶＳＤ材料は導電性である。ＶＳＤ材料は、非線形抵抗材料と見なされる任意の材料として特徴付けることができる。
【００１６】
ＶＳＤ材料は、記載したように電気的特徴を示しながら、その組成物において非層状であり、均一であると特徴付けてもよい。
【００１７】
さらにまた、ある実施の形態は、ＶＳＤ材料が、導体または半導体粒子と一部混合された結合剤を含む材料として特徴付けられる。固有の電圧レベルを超えた電圧が印加されない状態で、その材料は全体として、結合剤の誘電特徴を適応する。その固有のレベルを超えた電圧を印加すると、材料は全体として、導電特徴を適応する。
【００１８】
１つ以上の実施の形態が、ＶＳＤ材料の結合剤中において組み合わされるべきＨＡＲ粒子を提供するのが記載される。ＨＡＲ粒子は、結合剤中にナノスケール粒子として分散されて、従来のＶＳＤ材料と比較して、金属の添加量の減少、機械的性質の向上、および／または改善された電気的性能を可能にするであろう。
【００１９】
他の利点の中でも、ここに記載された実施の形態は、高い圧縮強度、引掻き抵抗性および非脆性の性質を含む改善された機械的性質を有するＶＳＤ材料の配合物を含む、組み込んだまたは他の様式で提供するデバイスを提供する。さらに、ここに記載された１つ以上の実施の形態は、高い接着強さ、および銅などの金属に付着する良好な能力を有するＶＳＤ材料の配合を提供する。記載されたような組成物により、様々な他の利点も提供されるであろう。
【００２０】
したがって、１つ以上の実施の形態はさらに、「ナノスケール」の寸法の導電性または半導電性粒子を含有するＶＳＤ材料組成物の結合剤を含む。これらは、ＨＡＲ粒子、およびある場合には超ＨＡＲ粒子（ほぼ１０００以上の程度のアスペクト比を有する）を含むであろう。本出願において、ナノスケール粒子は、最も小さい寸法（例えば、直径または断面）が５００ナノメートル未満である粒子である。１つ以上の実施の形態は、１００ｎｍ未満の最小寸法を有するナノスケール粒子を検討し、さらにまた、他の実施の形態は、５０ｎｍ未満の寸法を検討する。そのような粒子の例としてはカーボン・ナノチューブが挙げられるが、多くの他の種類の粒子も考えられる。カーボン・ナノチューブは、１０００：１以上のアスペクト比を有する超ＨＡＲ粒子の例である。カーボン・ナノチューブの代わりとして、またはそれに追加して、カーボンブラック（１０：１のＬ／Ｄ）粒子および炭素繊維（１００：１のＬ／Ｄ）粒子の１つ以上を含む、アスペクト比がそれより小さい材料も考えられる。
【００２１】
さらにまた、代わりの実施の形態は、中くらいのアスペクト比を有するナノスケール粒子の使用を検討する。例えば、１つ以上の実施の形態は、ナノロッド(nanorods)を、ＶＳＤ材料の結合剤と組み合わせることを含む。金属または半導体から形成されたナノロッドのいくつかの変種は、３〜１０の範囲に及ぶアスペクト比を有する。それゆえ、１つ以上の実施の形態は、中くらいのアスペクト比を有するナノスケールの導体または半導体の使用を検討する。
【００２２】
ＶＳＤ材料を占めるそのようなポリマー相粒子の量は、ＶＳＤ材料が浸透(percolation)閾値未満（またはほんの少し下回る）のままであるように選択される。ＶＳＤ材料を浸透閾値未満に維持するために、ＶＳＤ組成物中に用いられる金属粒子（または他の非ポリマー相粒子）の量は、使用されるポリマー粒子の量と関係して、様々であってよい。それゆえ、１つ以上の実施の形態によれば、ＶＳＤ材料を配合するために使用できる金属粒子の量は、ＶＳＤ組成物のポリマー中に用いられる（半）導電性材料の量により、わずかしか（または他の程度で）影響を受けず、よって、その材料は全体として、浸透閾値をほんの少し下回るままであろう。
【００２３】
上述したように、使用できるＨＡＲ粒子の量は、全体としてのＶＳＤ材料の電気的特徴により最適化または制限されるであろう。ある実施の形態において、ＨＡＲ粒子の量と種類は、ＶＳＤ材料の結合剤が、ちょうどその浸透閾値またはそれ未満となるようにする量に設定されるであろう。結合剤をこの制限にするために、ＶＳＤ材料を構成する金属粒子の量を、ＶＳＤ材料から望まれるパラメータおよび特徴に応じて調節してよい。
【００２４】
この向上した電流容量(current handling capacity)により、以前のＥＳＤ材料よりも大きいエネルギーの事象に対処する能力が可能になる。これらのタイプの事象の例には、ＥＳＤ、ＥＦＴ、ＥＯＳおよび稲妻があるであろう。
【００２５】
一般に、ＶＳＤ材料の固有の電圧は、ボルト／長さ（例えば、５ミル（約０．１２７ｍｍ）当たり）で測定される。１つ以上の実施の形態では、ＶＳＤ材料は、動作回路の電圧レベルを超える固有の電圧レベルを有する。そのような電圧レベルは、静電放電のような過渡条件に関連付けられるであろうが、ある実施の形態は、計画された電気的事象を検討する。さらに、１つ以上の実施の形態では、固有の電圧を超える電圧が印加されていない状態で、その材料は結合剤のように挙動する。
【００２６】
さらにまた、ある実施の形態は、上述したプロセスまたは方法から形成されたＶＳＤ材料を提供する。
【００２７】
さらにまた、ここに記載された実施の形態のいずれかによるＶＳＤ材料を備えた電子デバイスが提供される。
【００２８】
ある実施の形態において、ＨＡＲ粒子または材料は、単層または多層のカーボン・ナノチューブである。
【００２９】
さらに、１つ以上の実施の形態は、断面に亘り均一に混合されたおよび／または非層状材料である材料を提供する。そのような材料は、固有の電圧を超える電圧が印加されると、誘電体から導体に切り替わる能力などの、非オーム特徴を示すという点で、ＶＳＤであろう。
【００３０】
図１は、本発明の実施の形態による、ＶＳＤ材料を配合するプロセスに用いられる成分を示すブロック図である。ある実施の形態において、導電性（および／または）半導電性の高アスペクト比（ＨＡＲ）粒子１１０を導体および／または半導体粒子１２０と組み合わせて、ＶＳＤ材料１４０を形成する。随意的な添加剤として、絶縁体粒子を導体／半導体粒子１２０と組み合わせてもよい。結合剤１３０をＨＡＲ粒子１１０および導体粒子と組み合わせて、ＶＳＤ材料１４０を形成してもよい。ＶＳＤ配合プロセス１５０を用いて、ＶＳＤ材料１４０の様々な成分を組み合わせてもよい。ＨＡＲ粒子１１０を含むＶＳＤ材料を使用する配合プロセスを、例えば、図２の実施の形態に関して、以下に説明する。
【００３１】
ある実施の形態において、結合剤１３０は、ＨＡＲ粒子１１０および導体／半導体粒子１２０を保持する基質である。ある実施の形態において、ＨＡＲ粒子１１０はナノスケール粒子として分散される。ある実施の形態において、結合剤中に分散されるＨＡＲ粒子の量により、結合剤が浸透閾値をわずかに下回るように置かれる。ＨＡＲ粒子１１０は、分散されたナノスケール粒子として、１つ以上の寸法（例えば、断面、直径、幅）でナノスケールであり、互いから個々に離散している粒子を含む。それゆえ、配合プロセス１５０により、結合剤１３０内に粒子が均一に分布されるであろう。
【００３２】
ある実施の形態において、ＨＡＲ粒子１１０は、有機導電性または半導電性粒子、および特に、炭素のみの細長い粒子を含む。例えば、ＨＡＲ粒子１１０は、カーボン・ナノチューブまたはさらにはカーボンブラックを含む、細長いまたは円柱状フラーレンに対応するであろう。カーボン・ナノチューブは、単層または多層の品種であってよい。
【００３３】
追加または代わりとして、ＨＡＲ粒子１１０は、ナノワイヤまたはある種のナノロッドにより提供されるような、導電性または半導電性無機粒子に対応するであろう。そのような粒子の材料としては、銅、ニッケル、金、銀、コバルト、酸化亜鉛、酸化スズ、炭化ケイ素、ヒ化ガリウム、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、および酸化アンチモン亜鉛が挙げられる。
【００３４】
ある実施の形態において、導体／半導体粒子１２０としては、シリコン、炭化ケイ素、二酸化チタン、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、酸化セリウム、酸化鉄、金属酸化物と、金属窒化物と、金属炭化物と、金属ホウ化物と、金属硫化物とからなる群より選択される金属および／または錯塩、またはそれらの組合せを含む半導体粒子と組み合わされた、金属などの導体が挙げられる。
【００３５】
１つ以上の実施の形態によれば、配合プロセス１５０に使用される他の成分としては、溶媒および触媒が挙げられる。溶媒を、そうしなければナノスケールで塊になるかまたは凝集するであろう粒子を離散させるために、結合剤１３０に加えてよい。混合プロセスを用いて、離散した粒子の間隔を均一にあけてもよい。ある実施の形態において、混合プロセスの結果は、組成物が、粒子をナノスケールで分散させるように均一に混合されていることである。それゆえ、カーボン・ナノチューブまたは他のＨＡＲ粒子などの粒子が、材料中に個々に離散され、比較的均一に分布されているであろう。ナノスケールの分散を達成するために、１つ以上の実施の形態は、数時間以上続く期間に亘り、超音波撹拌機および最新式の混合装置（例えば、ロータ・ステータ式ミキサ、ボールミル粉砕機、ミニミル粉砕機および他の高剪断混合技術などの）の使用を提供する。一度混合されたら、得られた混合物は、硬化または乾燥してもよい。
【００３６】
結合剤１３０は様々な種類のものであってよい。結合剤１３０は、ＨＡＲ粒子１１０および導体／半導体粒子１２０を保持する結合剤の形態で提供されるであろう。異なる実施の形態によれば、結合剤１３０は、シリコーンポリマー、フェノール樹脂、エポキシ、ポリウレタン、ポリ（メタ）クリレート、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアクリルアミド、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ゾルゲル材料、およびセラマーからなる群より選択される材料から形成される。結合剤１３０は、ＨＡＲ粒子１１０、導体／半導体粒子１２０、並びにＶＳＤ材料１４０を構成する他の粒子または化合物を懸濁および／または保持する結合剤に対応するであろう。
【００３７】
有機材料によるＶＳＤの配合
大雑把に、実施の形態は、体積百分率で、５〜９９％の結合剤、０〜７０％の導体、０〜９０％の半導体、および導電性または半導電性であり、かつ０．０１〜９５％の範囲の組成物の体積を有するＨＡＲ粒子を含むＶＳＤ材料の使用を提供する。１つ以上の実施の形態は、体積百分率で、２０〜８０％の結合剤、１０〜５０％の導体、０〜７０％の半導体、および導電性または半導電性であり、かつ０．０１〜４０％の範囲にある組成物の体積を有するＨＡＲ粒子を含むＶＳＤ材料の使用を提供する。さらにまた、ある実施の形態は、体積百分率で、３０〜７０％の結合剤、１５〜４５％の導体、０〜５０％の半導体、および導電性または半導電性であり、かつ０．０１〜２５％の範囲にある組成物の体積を有するＨＡＲ粒子を含むＶＳＤ材料の使用を提供する。結合剤の例としては、シリコーンポリマー、エポキシ、ポリイミド、フェノール樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ゾルゲル材料、セラマーおよび無機ポリマーが挙げられる。導電性材料の例としては、銅、アルミニウム、ニッケル、銀、金、チタン、ステンレス鋼、クロムおよび他の合金などの金属が挙げられる。半導電性材料の例としては、有機と無機両方の半導体が挙げられる。いくつかの無機半導体の例としては、シリコン、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、および酸化鉄が挙げられる。ＶＳＤ材料の特別な用途に最もよく合う機械的性質および電気的性質について、特定の配合物および組成物が選択されるであろう。
【００３８】
図２は、本発明のある実施の形態による、ＨＡＲ粒子を有するＶＳＤ材料の組成物を配合するプロセスを示している。最初に、工程２１０において、導体および半導体粒子、並びに結合剤中の導体／半導体粒子組成物を減少させるための充填剤として機能を果たすＨＡＲ粒子の組合せを含有する樹脂混合物を形成する。樹脂混合物は、配合が完了したときに、ＶＳＤ材料の結合剤として機能を果たすであろう。ある実施の形態において、ＨＡＲ粒子はカーボン・ナノチューブに対応してよい。他の実施の形態は、ナノワイヤまたはナノロッドの使用を提供する。
【００３９】
ある実施の形態によれば、混合物に加えられるＨＡＲ粒子の量は、混合物を全体として、浸透閾値をわずかに下回るように維持するように指定される。しかしながら、存在するＨＡＲ粒子の量は、配合されたＶＳＤ材料中の粒子の所望の体積百分率に応じて、様々であってよい。カーボン・ナノチューブがＨＡＲ粒子として用いられるある実施の形態において、樹脂に加えられるカーボン・ナノチューブの量の結果として、カーボン・ナノチューブが全体の組成の１０質量％未満、より具体的には、配合されたＶＳＤ材料の０．０１％および１０％の間の百分率を有することとなる。ここに記載された実施の形態では、所望の効果を達成するために結合剤中に使用されるＨＡＲ粒子の量は、検討されている材料のアスペクト比によるであろうことが認識される。例えば、結合剤は、個々のＨＡＲ粒子のアスペクト比が比較的低い場合には、１０％より多くＨＡＲ粒子を含むであろう。より具体的な実例として、１０００：１のアスペクト比を有する粒子は、材料全体の１質量％を占め、一方で、１０：１の個々のアスペクト比を有する粒子では２５％以上が必要とされるであろう。
【００４０】
工程２２０において、混合物に金属および／または無機導体／半導体を加える。図１の実施の形態に関して記載したように、多くの種類の導体または半導体を用いてよい。複数の種類の導体／半導体粒子を加えてもよい。ある実施の形態において、二酸化チタン（ＴｉＯ2）が、追加の導体粒子と共に、主な種類（の内の１つ）の導体／半導体粒子として用いられる。追加の硬化剤および触媒成分を混合物に加えてもよい。
【００４１】
工程２３０において、所定の期間に亘り混合プロセスを行ってもよい。ある実施の形態において、混合プロセスは、数分から数時間に及ぶ期間に亘り、超音波撹拌機を含む混合装置により行われる。混合プロセスは、ＨＡＲ粒子をナノスケールレベルで分散させるように機能する。そのような程度まで混合した結果の１つは、ＨＡＲ粒子の少なくともある程度が、互いに凝集したり塊になったりしないように、結合剤内で互いから離れて実質的に懸濁されていることである。ＨＡＲ粒子が個々にナノスケールの１つ以上の寸法を含むという条件で、そのような混合により、結合剤内のナノスケールの分散がさらに可能になる。
【００４２】
工程２４０において、混合物を所望の標的に施す。例えば、特定のデバイスの２つの所定の電極間の５ミル（約０．１２７ｍｍ）の間隔に亘り、混合物を施してよい。標的位置で、混合物はＶＳＤ材料に硬化する。
【００４３】
図１の実施の形態に関して記載したように、得られたＶＳＤ材料には、従来のＶＳＤ材料よりも改善された機械的性質が数多くある。例えば、得られるであろう他の改善の中でも、記載されたような実施の形態により配合されたＶＳＤ材料は、良好な圧縮強度を有し、金属（特に銅）に良好に付着し、および／または良好な審美的性質を有するであろう。
【００４４】
具体例の配合および組成物
ここに記載した実施の形態による化合物は以下のように配合される：ＨＡＲ粒子は、カーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）の形態で提供してもよく、これは、適切な樹脂混合物に加えられる。ある実施の形態において、樹脂混合物は、Ｅｐｏｎ  ８２８およびシランカップリング剤を含有する。ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２ピロリドン）を樹脂混合物に加えてもよい。その後、導体または半導体粒子を混合物に加えてよい。ある実施の形態において、二酸化チタンを、窒化チタン、二ホウ化チタン、硬化性化合物または硬化剤、および触媒と共に、樹脂に混合する。混合物は、例えば、超音波と共にロータ・ステータ式ミキサを用いて、数時間（例えば８時間）も続く混合期間に亘り均一に混合してもよい。この混合期間に、ＮＭＰを必要に応じて加えてよい。得られた混合物は、＃５０巻線ロッドを用いてコーティングとして施しても、所望の標的にスクリーン印刷してもよい。ある実施の形態において、コーティングは、２つの電極間の５ミル（約０．１２７ｍｍ）の間隙に亘り施される。その後、様々な硬化プロセスを行ってよい。硬化プロセスの１つは、７５℃で１０分間、１２５℃での１０分間、１７５℃での４５分間、および１８７℃での３０分間の硬化を含む。
【００４５】
特別な配合は、設計の基準および用途に基づいて様々であってよい。カーボン・ナノチューブがＶＳＤ材料の結合剤のＨＡＲ粒子に用いられる配合物の一例としては以下が挙げられる：
2010515239.tif 000003
カーボン・ナノチューブには、有機充填剤であるという利点がある。長さまたはアスペクト比は、材料の切替電圧などの所望の性質を達成するために様々であってよい。
【００４６】
図３Ａは、デバイス３０２上に設けられたＶＳＤ材料の断面図であり、ここで、ＶＳＤ材料は、本発明の１つ以上の実施の形態にしたがって配合されている。ある実施の形態において、ＶＳＤ材料３００の厚さまたは層は、金属粒子３１０、結合剤３１５、およびＨＡＲ粒子３２０（例えば、カーボン・ナノチューブ、ナノワイヤ）の基礎成分を含む。
【００４７】
しかしながら、実施の形態により、カーボン・ナノチューブは長さ対幅比がかなり大きいことが認識される。この寸法的性質により、カーボン・ナノチューブは、固有の電圧を超える過渡電圧の発生において、結合剤が電子を導体粒子から導体粒子に送る能力を向上させることができる。このようにして、カーボン・ナノチューブは、ＶＳＤ材料中に存在する金属添加量を減少させることができる。金属添加量を減少させることによって、その層の物理的特徴が改善されるであろう。例えば、１つ以上の他の実施の形態について述べたように、金属添加量を減少させると、ＶＳＤ材料３００の脆さが減少する。
【００４８】
図２の実施の形態に記載されたように、ＶＳＤ材料３００は、デバイス３０２の標的位置上に混合物として堆積させることにより、デバイス３０２上に形成してもよい。その標的位置は、第１と第２の電極３２２，３２４の間のスパン３１２に対応してよい。１つ以上の実施の形態によれば、スパン３１２は、プリント回路基板などの用途について、約（すなわち、６０％以内）３．０ミル（約０．０７６ｍｍ）、５．０ミル（約０．１２７ｍｍ）、または７．５ミル（約０．１９１ｍｍ）である。しかしながら、スパン３１２の正確な距離は、設計仕様に基づいて様々であってよい。ＰＣＢ用途において、その範囲は、例えば、２および１０ミル（約０．０５１および０．２５４ｍｍ）の間に及んでよい。半導体パッケージにおいては、その値は、ずっと小さくてもよい。間隙にＶＳＤ材料を施用することにより、ＶＳＤ材料の固有の電圧を超える過渡電圧から生じる電流に対処することができる。
【００４９】
デバイス３０２は、多くの種類の電気デバイスのいずれに使用してもよい。ある実施の形態において、デバイス３０２は、プリント回路基板の一部として実施される。例えば、ＶＳＤ材料３００は、基板の表面上の厚さとして、または基板の厚さ内に設けてもよい。デバイス３０２は、半導体パッケージの一部として、または個別素子として設けてもよい。
【００５０】
あるいは、デバイス３０２は、例えば、発光ダイオード、無線タグまたはデバイス、または半導体パッケージに対応してもよい。
【００５１】
他の実施の形態について記載したように、ＶＳＤ材料は、デバイスの標的位置に施されたときに、固有の（またはトリガー）電圧、クランプ電圧、漏れ電流および通電容量などの電気的性質により特徴付けられる。ここに記載された実施の形態は、本出願の他の場所に記載されたいくつかの所望の機械的性質を維持しながら、記載されたような電気的性質の調節を可能にする混合物にＨＡＲ粒子に使用することを提供する。
【００５２】
図３Ｂは、図３Ａおよび本出願の他の場所に記載されたような実施の形態による、ＶＳＤ材料に関するクランプ電圧およびトリガー電圧の基本的な電気的性質のグラフを示している。一般に、固有のまたはトリガー電圧は、ＶＳＤ材料がそれによってオンになるまたは導電性になる電圧レベル（単位長さ当たりで変動するであろう）である。クランプ電圧は、典型的に、トリガー電圧未満であり、ＶＳＤ材料をオンの状態に維持するのに必要な電圧である。ＶＳＤ材料が２つ以上の電極間に設けられたある場合には、トリガー電圧およびクランプ電圧は、ＶＳＤ材料自体に亘り出力として測定される。それゆえ、ＶＳＤ材料のオン状態は、停電(break down)閾値エネルギーまたは時間未満の期間に亘り、クランプ電圧より高い入力電圧レベルを維持することによって、維持されるであろう。使用に際して、トリガー電圧および／またはクランプ電圧は、スパイクされた、パルスにされた、整形されたまたはいくつかのパルスに亘り変調された入力信号の結果として変動するであろう。
【００５３】
実施の形態ではさらに、興味深いある別の電気的性質として、デバイスの動作電圧により電流を測定することによって決定されるオフ状態の抵抗が挙げられることが認識される。オフ状態の抵抗は、漏れ電流に対応するであろう。ＶＳＤ材料がオンとオフにされた前後と比較したオフ状態の抵抗の変化は、ＶＳＤ材料の性能の低下を示唆する。ほとんどの場合、これは、最小にすべきである。
【００５４】
さらにまた、別の電気的性質は、オンにされ、次いでオフにされた後に材料がそれ自体を維持する能力として測定される通電容量に対応するであろう。
【００５５】
表１には、１つ以上の実施の形態による、結合剤中に用いられるＨＡＲ粒子が酸化アンチモンスズ（ＡＴＯ）ナノロッドである、ＶＳＤ材料の別の配合物が列記されている。
【表１】
2010515239.tif 000004
【００５６】
表２には、ＶＳＤ材料が、ここに記載された１つ以上の実施の形態により、ＨＡＲ粒子としてカーボン・ナノチューブを含むいくつかの追加の具体例が列記されている。表２には、上述した組成物によるＶＳＤ材料の使用から得られる、クランプ電圧およびトリガー電圧により定量化された、一般的に測定された電気的性質（電気的性質のデータが決定される様式および／または入力信号の形態の間に相違がないことを意味する）が列記されている。
【表２】
2010515239.tif 000005
【００５７】
表２に関して、具体例１は、他の具体例と比較するための基準であるＶＳＤ材料の組成を与える。具体例１において、ＨＡＲ粒子は、ＶＳＤ材料中には存在しない。さらに、ＶＳＤ材料には、比較的多く金属が添加されている。具体例２は、具体例１と同様の組成を示しているが、ＨＡＲ粒子としてカーボン・ナノチューブが導入されている。その結果、トリガー電圧とクランプ電圧が減少している。トリガー電圧およびクランプ電圧は、ニッケルを所定（一定）量で添加した状態でカーボン・ナノチューブを加えることにより、減少される。
【００５８】
具体例３も、ＨＡＲ粒子としてのカーボン・ナノチューブを含まないＶＳＤ材料を示しており、一方で、具体例４は、カーボン・ナノチューブを混合物に含ませる効果を示している。トリガー電圧およびクランプ電圧の劇的な減少が示されている。具体例３および具体例４に関して、両方の組成は、所望の機械的性質、並びにオフ状態の抵抗および通電容量の特徴（いずれもチャートには示されていない）を有する組成を示している。しかしながら、具体例３のクランプ電圧およびトリガー電圧の値は、カーボン・ナノチューブを含まない組成物では、オンにして、オンを維持することが難しいことを示している。それゆえ、トリガー電圧およびクランプ電圧が異常に高いと、その組成物の有用性が減少してしまう。
【００５９】
図３Ｃ〜３Ｅに示された性能図は、パルス電圧入力を想定している。この性能図は、以下の表に提供された具体例に言及されている。
【表３】
2010515239.tif 000006
【００６０】
図３Ｃは、具体例５により示された、ＶＳＤ材料の結合剤中に比較的多量の濃度のカーボン・ナノチューブ（ＨＡＲ粒子として）を有するＶＳＤ材料の性能図を示す図である。図３Ｃの図に示されるように、５００〜１０００ボルトの範囲の最初の電圧事象３７２の発生の結果として、通電するように、材料がオンにされる。最初の事象からデバイスをオフにした後の第２の電圧事象３７４の印加により、比較的同じ電圧レベルで、材料において最初の事象３７２が通電するのと同様の効果が生じる。デバイスを２回目にオフにした後の第３の電圧事象３７６が発生すると、ＶＳＤ材料中に運ばれるアンペア数において最初の２回の発生と同様の結果となる。それゆえ、図３Ｃは、ＶＳＤ材料が、オンとオフの２回の切替え後にも効果的なままであるという点で、具体例５の組成のＶＳＤ材料が、比較的大きい通電容量を有することを示している。
【００６１】
図３Ｄは、導電性または半導電性ＨＡＲ粒子を含有しないＶＳＤ組成物である、具体例６に関連する。このＶＳＤ材料は最初の電圧事象３８２において効果的であるが、その後の第２の電圧事象３８４が生じたときに、検出できる非線形挙動（すなわち、ターンオン電圧）がない。
【００６２】
図３Ｅは、カーボン・ナノチューブの形態にあるＨＡＲ粒子の量が少ない具体例７に関連する。そのような導電性／半導電性ＨＡＲ粒子をわずかに添加すると、第１の電圧事象３９２のアンペア数および第２の電圧事象３９４の小さい（が存在する）アンペア数により示されるように、ＶＳＤ材料の通電容量が改善される。
【００６３】
被覆された導体または半導体粒子
１つ以上の実施の形態は、金属粒子の外面の被覆されたかまたは他の様式で組み合わされた導電性または半導電性ＨＡＲ粒子微小充填剤の使用を含むＶＳＤ材料の配合を含む。そのような配合により、金属粒子のサイズおよび／またはそうしなければ金属粒子により占められるであろう体積をさらに減少させることができる。そのような減少により、他の実施の形態に記載されたような様式で、ＶＳＤ材料の全体の物理的性質が改善されるであろう。
【００６４】
以下に記載するように、１つ以上の実施の形態は、金属または他の無機導電性要素を被覆または結合するＨＡＲ粒子微小充填剤の使用を提供する。無機／金属粒子をＨＡＲ粒子で被覆する目的の１つは、使用にあたって金属粒子の体積を減少させながら、ＶＳＤ材料の結合剤中の導電性材料の全体の有効体積を一般に維持することにある。
【００６５】
図４は、本発明の実施の形態の下で、ＶＳＤ材料を配合できるより詳しいプロセスを示している。工程４１０によれば、ＶＳＤ材料のために結合剤中に添加すべき導電性（または半導電性）要素を最初に調製する。この工程は、ＨＡＲ粒子（例えば、カーボン・ナノチューブ）を、最終混合物が硬化されたときに所望の効果を生じるように被覆すべき粒子と組み合わせる工程を含んでもよい。
【００６６】
ある実施の形態において、金属粒子と金属酸化物粒子について、別々の調製工程が行われる。ある実施の形態においては、工程４１０は、アルミニウム粉末およびアルミナ粉末を濾過する副工程を含んでもよい。次いで、粉末セットの各々をＨＡＲ粒子で被覆して、導電性／半導電性要素を形成する。ある実施の形態において、アルミニウムについて、以下のプロセスを用いてもよい：(i)アルミニウム（有機溶媒中に分散された）１グラム当たり１〜２ミリモルのシランを加え、(ii)超音波アプリケータを用いて、粒子を分布させ、(iii)撹拌により２４時間反応させ、(iv)Ｃａｂ−Ｏ−Ｓｉｌまたは有機導体を溶液中に計り取り、(v)Ｃａｂ−Ｏ−Ｓｉｌおよび／または有機導体混合物に適切な溶媒を加え、(vi)アルミニウムの分散体にＣａｂ−Ｏ−Ｓｉｌおよび／または有機導体を加え、(vii)３０〜５０℃で一晩乾燥させる。
【００６７】
同様に、アルミナに以下のプロセスを用いてもよい：(i)アルミナ（有機溶媒中に分散された）の１グラム当たり１〜２ミリモルのシランを加え、(ii)超音波アプリケータを用いて、粒子を分布させ、(iii)撹拌により２４時間反応させ、(iv)Ｃａｂ−Ｏ−Ｓｉｌおよび／または有機導体を溶液中に計り取り、(v)アルミナの分散体にＣａｂ−Ｏ−Ｓｉｌおよび／または有機導体を加え、(vi)３０〜５０℃で一晩乾燥させる。
【００６８】
ある実施の形態によれば、導電性要素の被覆または調製に、カーボン・ナノチューブまたはナノワイヤなどのＨＡＲ粒子を用いてもよい。カーボン・ナノチューブは、粒子の導電長さ(conductive length)を延ばすと同時に、必要な金属の全体の体積を減少させるように、金属粒子と結合したときに、直立するようにバイアスされてもよい。これは、ＶＳＤ材料内に導体を形成すべき金属粒子の外面に化学反応剤を配置することにより行ってもよい。ある実施の形態において、金属粒子を、ＨＡＲ粒子（例えば、カーボン・ナノチューブ）の長手方向の端部に配置された別の化学物質と反応性の化学物質で処理してもよい。金属粒子は、例えば、シランカップリング剤により処理してもよい。ＨＡＲ粒子の端部を反応剤で処理して、カーボン・ナノチューブの金属粒子の表面への端と端を接した結合を可能にしてもよい。
【００６９】
工程４２０において、混合物を調製する。結合剤は、適切な溶媒中に溶解させてもよい。多かれ少なかれ溶媒を加えることによって、所望の粘度が達成されるであろう。導電性要素（または工程４１０からの半導電性要素）を結合剤に加える。溶液を混合して、均一な分布を形成してもよい。次いで、適切な硬化剤を加えてもよい。
【００７０】
工程４３０において、工程４２０からの溶液を、標的用途（すなわち、基板、または個別要素または発光ダイオードまたは有機ＬＥＤ）上に適応し、または設け、次いで、加熱して、または硬化させて、固体のＶＳＤ材料を形成する。加熱前に、ＶＳＤ材料の特定の用途のために、ＶＳＤ材料を成形または被覆してもよい。金属または無機導体／半導体をＨＡＲ粒子で被覆または結合したＶＳＤ材料には、様々な用途がある。
【００７１】
図５Ａおよび図５Ｂは、金属／無機導体または半導体の表面を被覆するまたはその表面に結合させるためのＨＡＲ粒子の塗布が、本発明の実施の形態の下で、そのような粒子の添加量をどのように減少できるかを示している。図５Ａは、ＶＳＤ材料の結合剤中の導体および／または半導体粒子が、どのようにカーボン・ナノチューブで表面被覆できるかの単純化された図である。導電性要素５００が、金属粒子５１０および金属酸化物または他の随意的な無機半導体粒子５２０を含有するのが示されている。金属粒子５１０は、直径ｄ１により表される寸法を有し、一方で、金属酸化物粒子５２０は、ｄ２により表される寸法を有する。図５Ａにより示される実施の形態において、ＨＡＲ粒子充填剤５３０（例えば、カーボン・ナノチューブ）が、それぞれの粒子５１０，５２０の外面に結合または化合されている。ＨＡＲ粒子充填剤５３０は導電性または半導電性であるので、その効果は、ＶＳＤ材料の結合剤中のそれらの粒子の体積を増加させずに、粒子５１０，５２０のサイズを増加させることにある。ＨＡＲ粒子充填剤が存在することにより、固有の電圧を超える電圧が生じたときに、電気伝導、または電子のホッピングまたは分子から分子への通り抜け(tunneling)が可能になる。導電性要素５００は、実際に、導電性要素５００が、固有の電圧が超えられたときに集団で導電性であるという性質を有するであろうという点で、半導電性であろう。
【００７２】
図５Ｂにおいて、ＨＡＲ粒子が加えられていない従来のＶＳＤ材料が示されている。固有の電圧を超える電圧が印加されたときに電荷を通すために、金属粒子５０２，５０４が比較的接近して間隔があけられている。より接近して間隔があけられている導体の結果として、デバイスを導体状態に切り替えられるようにするために、より多くの金属添加が必要である。図５Ａに示されたような実施の形態と比較して、図５Ｂに示されるような従来の手法の下では、粒子５１０，５２０はガラス粒子の空間（例えば、Ｃａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ）により間隔があけられており、図５Ａに示されたような実施の形態では、導電性であり、所望の物理的性質を有し、金属を適切に置替するための寸法を有する導電性充填剤５３０で金属の体積を置替している。
【００７３】
図５Ｃは、ＨＡＲ粒子充填剤（例えば、カーボン・ナノチューブ）の比較的まとまりのない分布を示しており、ＨＡＲ粒子充填剤が、ナノスケールで均一に分散されたときに、図５Ａの単純化された図から望まれる結果と類似した結果をどのように本質的に生成するかを示している。図５Ｃの説明は、図３または本出願の他の場所に示され、記載されたような実施の形態を示すであろう。多数の均一に分布した導電性／半導電性ＨＡＲ粒子充填剤５３０は、電子の通り抜けおよびホッピングによることを含む、電流を取り扱うための導電性通路を可能にするために、十分な接触および／または近接を可能にするのが示されている。これにより、特に、ＶＳＤ材料の結合剤中の金属添加量の減少に関して、電気的および物理的性質を改善することができる。さらに、粒子が結合剤内にナノスケールで均一に分散されているときに、所望の導電率効果を生成するのに、わずかなＨＡＲ粒子５３０しか必要ない。
【００７４】
ＶＳＤ材料の用途
ここに記載された実施の形態のいずれによるＶＳＤ材料にも、数多くの用途がある。特に、実施の形態により、プリント回路基板、半導体パッケージ、個別素子、並びにＬＥＤや無線デバイス（例えば、ＲＦＩＤタグ）などのより具体的な用途などの基板デバイス上に設けられるべきＶＳＤ材料が提供される。さらに、他の用途は、液晶ディスプレイ、有機発光ディスプレイ、エレクトロクロミック・ディスプレイ、電気泳動ディスプレイ、またはそのようなデバイスのバックプレーンドライバにここに記載したようなＶＳＤ材料を使用することを提供するであろう。ＶＳＤ材料を含める目的は、ＥＳＤ事象により生じるであろうような、過渡条件および過電圧条件の対処を向上させることにあるであろう。ＶＳＤ材料の別の用途としては、L.Kosowskyに発行された米国特許第６７９７１４５号明細書（ここにその全てを引用する）に記載されているような、金属付着が挙げられる。
【００７５】
図６Ａおよび図６Ｂの各々は、本発明の実施の形態の下における、充填剤として高アスペクト比粒子を有するＶＳＤ材料（「ＨＡＲ粒子ＶＳＤ」）により構成された基板デバイスに関する異なる構成を示している。図６Ａにおいて、基板デバイス６００は、例えば、プリント回路基板に対応するであろう。そのような構成において、ＨＡＲ粒子ＶＳＤ６１０が、結合された要素を接地するために表面６０２上に設けられるであろう。代案または変種として、図６Ｂは、ＨＡＲ粒子ＶＳＤが基板の厚さ６１０内に接地通路を形成している構成を示している。
【００７６】
電気メッキ
例えば、ＥＳＤ事象に対処するためにデバイス上にＶＳＤ材料を含ませることに加え、１つ以上の実施の形態は、基板上のトレース要素、およびビアなどの相互接続要素を含む、基板デバイスを形成するためのＶＳＤ材料の使用を検討する。米国特許第６７９７１４５号明細書（ここにその全てを引用する）には、ＶＳＤ材料を用いた、基板、ビアおよび他のデバイスを電気メッキするための様々な技法が列挙されている。ここに記載された実施の形態により、本出願における実施の形態のいずれかに記載されているように、ＨＡＲ粒子ＶＳＤ材料の使用が可能になる。
【００７７】
図７は、図１〜５に記載された実施の形態のいずれかによるＨＡＲ粒子ＶＳＤ材料を用いた、電気メッキのためのプロセスが記載されている。ここに記載された実施の形態により提供された向上した物理的および電気的性質により、米国特許第６７９７１４５号明細書に記載されたような電気メッキプロセスが容易になる。図７は、米国特許第６７９７１４５号明細書に記載されたような、単純化された電気メッキプロセスを記載しており、ここで、使用されるＶＳＤ材料は、図１から図５に記載された実施の形態のいずれかによるものである。
【００７８】
図７において、本発明の１つ以上の実施の形態による基本的な電気メッキ技法が記載されている。工程７１０において、デバイス（例えば、基板）の標的領域に、ＨＡＲ粒子ＶＳＤ材料を用いて、パターンを形成する。パターン形成は、例えば、基板上にＶＳＤの連続層を施し、次いで、ＶＳＤ層上にマスクを配置することよって行ってもよい。このマスクは、所望の電気／トレースパターンのネガパターンを画成する。代案も可能である。例えば、ＶＳＤ材料を全領域に施し、次いで、選択的に除去して、通電要素を有することが意図されている領域を露出してもよい。さらにまた、ＶＳＤ材料に、標的領域上で予めパターンを形成してもよい。
【００７９】
工程７２０では、基板を電解溶液中に浸漬する。
【００８０】
工程７３０では、固有の電圧を超えた電圧をデバイスのパターン形成された領域に印加する。電圧の印加は、パルス変調して、破壊時間未満の指定の期間に亘り行ってもよい。破壊時間は、所定の電圧が印加されたときに、ＨＡＲ粒子ＶＳＤ材料が破壊することが知られている最小期間に対応する。破壊時には、ＨＡＲ粒子ＶＳＤ材料は、切替性質を含む電気的性質が損なわれるであろう。通電トレースおよび要素のパターンは、ＨＡＲ粒子ＶＳＤ材料のパターンに実質的に一致するであろう。電解溶液中で、荷電された要素は、ＨＡＲ粒子ＶＳＤ材料の露出領域を引きつけ、それに結合し、そのデバイス上に通電トレースおよび要素を形成する。
【００８１】
特に、デバイス上に電気メッキするための１つ以上の実施の形態は、充填剤中の高アスペクト比粒子の使用により金属添加量の減少したＨＡＲ粒子ＶＳＤ材料の使用を含む。そのような配合により、従来のＶＳＤ材料と比較して、７２０および７３０のメッキ工程を実施するためのパルス時間を長くできる。さらに、ＨＡＲ粒子ＶＳＤ材料を使用すると、ＶＳＤ材料が、メッキプロセス後にも健全性を維持する傾向が増す。これは、トレース要素に、デバイスに組み込める固有接地能力が提供されることを意味する。
【００８２】
図７の実施の形態と一致して、ここに記載した実施の形態によるＶＳＤ材料の使用が、米国特許第６７９７１４５号明細書に記載された電気メッキ技法のいずれにも適用されるであろう。記載されたＨＡＲ粒子ＶＳＤ材料に関する電気メッキ技法は、(i)基板デバイス上にビアを形成し、(ii)各面に通電パターンを有する多面基板デバイスを形成し、および／または(iii)各面に通電パターンを有する多面基板デバイスの間でビアを相互連結するために用いてもよい。
【００８３】
他の用途
図８は、ここに記載された実施の形態によるＶＳＤ材料がその上に設けられる電子デバイスの単純化図である。図８は、基板８１０、コンポーネント８２０、および随意的なケーシングまたはハウジング８３０を含むデバイス８００を示している。ＶＳＤ材料８０５を、表面８０２上、表面８０２の下（トレース要素の下またはコンポーネント８２０の下などの）、または基板８１０の厚さ内の位置を含む、多くの位置の任意の１つ以上に組み込んでもよい。あるいは、ＶＳＤ材料はケーシング８３０に組み込んでもよい。各場合において、ＶＳＤ材料８０５は、固有の電圧を超える電圧が存在するときに、トレースリード線などの導電性要素と連結するように組み込んでもよい。それゆえ、ＶＳＤ材料８０５は、特定の電圧条件の存在下で導電性要素である。
【００８４】
ここに記載した用途のいずれに関しても、デバイス８００はディスプレイデバイスであってよい。例えば、コンポーネント８２０は、基板８１０から照明するＬＥＤに対応してもよい。基板８１０上のＶＳＤ材料８０５の位置決めおよび構造は、導線、端子（すなわち、入力または出力）および、発光デバイスに設けられる、それにより使用されるまたはそれに組み込まれる他の導電性要素を収容するように選択的であってよい。代案として、ＶＳＤ材料は、基板から離れた、ＬＥＤデバイスの正と負の導線の間に組み込まれてもよい。さらにまた、１つ以上の実施の形態は、有機ＬＥＤの使用を提供し、その場合、ＶＳＤ材料は、例えば、ＯＬＥＤの下に設けられる。
【００８５】
ＬＥＤに関して、米国特許出願第１１／５６２２８９号明細書（ここに引用する）に記載された実施の形態のいずれも、ここに記載された実施の形態による、導電性／半導電性ＨＡＲ粒子と共に結合剤を含有するＶＳＤ材料に実施してよい。
【００８６】
あるいは、デバイス８００は、無線識別デバイスなどの、無線通信デバイスに対応してもよい。無線識別デバイス（ＲＦＩＤ）および無線通信コンポーネントなどの無線通信デバイスに関して、ＶＳＤ材料はコンポーネント８２０を、例えば、過充電またはＥＳＤ事象から保護する。そのような場合において、コンポーネント８２０は、デバイスのチップまたは無線通信コンポーネントに対応する。あるいは、ＶＳＤ材料８０５を使用して、他のコンポーネントを、コンポーネント８２０により生じるかもしれない帯電から保護してもよい。例えば、コンポーネント８２０は電池に対応し、ＶＳＤ材料８０５は、電池事象から生じる電圧条件に対して保護するために基板８１０の表面上のトレース要素として設けられてもよい。
【００８７】
米国特許出願第１１／５６２２２２号明細書（ここに引用する）に記載された実施の形態のいずれを、ここに記載した実施の形態のいずれによる、導電性／半導電性高アスペクト比粒子と共に結合剤を含有するＶＳＤ材料に実施してもよい。
【００８８】
代案または変種として、コンポーネント８２０は、例えば、別個の半導体デバイスに対応してもよい。ＶＳＤ材料８０５は、そのコンポーネントと一体になっていても、またはその材料をオンに切り替える電圧の存在下でコンポーネントに電気的に連結するように位置していてもよい。
【００８９】
さらにまた、デバイス８００は、パッケージされたデバイス、あるいは、基板コンポーネントを受け入れるための半導体パッケージに対応してもよい。ＶＳＤ材料８０５は、基板８１０またはコンポーネント８２０をデバイスに含める前に、ケーシング８３０と組み合わせてもよい。
【００９０】
結論
図面を参照して記載された実施の形態は、例示と考えられ、本出願人の特許請求の範囲は、そのような例示の実施の形態の詳細に制限されるべきではない。記載された実施の形態に関して、異なる例示の実施の形態と別々の記載された特徴の組合せを含む、様々な改変および変更が含まれる。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲により定義されることが意図されている。さらに、個別にまたは実施の形態の一部のいずれかとして記載された特定の特徴は、他の特徴および実施の形態が特定の特徴を言及していない場合でさえ、他の個別に記載された特徴、または他の実施の形態の部分と組み合わせられることが考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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