CN102246247B - 用于在基底器件中包括电压可切换保护材料的几何和电场考量 - Google Patents

用于在基底器件中包括电压可切换保护材料的几何和电场考量 Download PDF

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Abstract

一种基底器件，包括：一个非线性的电阻瞬态保护材料层；以及，多个导电元件，形成导电层的一部分。所述导电元件包括被间隙分隔开的一对电极，但是当所述瞬态保护材料导电时，该对导电元件电连接。所述基底包括使在所述间隙两端形成的瞬态电气路径线性化的特征。

Description

用于在基底器件中包括电压可切换保护材料的几何和电场考量
L.科索斯盖，R.弗莱明，史宁
相关申请
本申请要求标题为“GEOMETRIC CONFIGURATIONS OF LAYERSFORMING SUBSTRATE DEVICE WITH INTEGRATED TRANSIENT PROTECTIVELAYER”的第61/111,673号美国临时专利申请，以及标题为“SUBSTRATEDEVICE HAVING SHAPED OR REDUCED CONTACT BETWEEN PROTECTIVE VSDLAYER AND ELECTRICAL CONTACTS”的第61/140,060号美国临时专利申请的优先权；上述申请特此通过引用的方式全文纳入。
技术领域
本文描述的实施方案总体属于基底(substrate)器件，并且更具体地，属于包括瞬态保护材料以防止电气事件的基底器件。
背景技术
电压可切换电介质(VSD)材料是在低电压绝缘并且在较高电压导电的材料。这些材料通常是由绝缘聚合物基质(matrix)中的导电粒子、半导电粒子和绝缘粒子组成的组合物(composite)。这些材料用于电子器件的瞬态保护，尤其用于静电放电保护(ESD)和电过载(EOS)。通常，VSD材料是介电的，除非施加一个特征电压或电压范围，在这种情况下，VSD材料就像导体。存在多种VSD材料。在诸如美国专利第4,977,357号，美国专利第5,068,634号，美国专利第5,099,380号，美国专利第5,142,263号，美国专利第5,189,387号，美国专利第5,248,517号，美国专利第5,807,509号，WO 96/02924以及WO97/26665中提供了电压可切换电介质材料的实例；所有上述专利通过引用的方式纳入本说明书。
可使用多种方法形成VSD材料。一种传统的技术是：聚合物层填充有高水平金属粒子，直到非常接近渗出阈值，通常为大于20％(按体积计)。然后将半导体和/或绝缘体材料添加到该混合物。
另一传统的技术是：通过将掺杂的金属氧化物粉末混合，然后烧结所述粉末以制成具有晶界(grain boundary)的粒子，以及然后将所述粒子添加到聚合物基质直到超过渗出阈值，来形成VSD材料。
在标题为“VOLTAGE SWITCHABLE DIELECTRIC MATERIAL HAVINGCONDUCTIVE OR SEMI-CONDUCTIVE ORGANIC MATERIAL”的第11/829,946号美国专利申请，以及标题为“VOLTAGE SWITCHABLE DIELECTRICMATERIAL HAVING HIGH ASPECT RATIO PARTICLES”的第11/829,948号美国专利申请中记载了用于形成VSD材料的其他技术。
附图说明
图1是电压可切换电介质(VSD)材料层或厚度的示意性(未按比例)截面图，描绘了根据多个实施方案的VSD材料的组分(constituent)。
图2A示出了一种配置有VSD材料的基底器件，该VSD材料具有本文提供的任一实施方案中描述的成分(composition)。
图2B示出了其中导电层被嵌入在基底中的一种配置。
图2C示出了一种竖直切换布置，用于将VSD材料纳入基底中。
图3表示了两个电极的电场分布，这两个电极被物理分隔开，但是通过(由于瞬态电气事件)切换进入导电状态的VSD材料的底层或覆层桥接，以越过所述分隔而进行电连接。
图4A示出了具有根据一个实施方案的具有单体电极的基底，所述单体电极包括凸起结构或构造，以便于在由VSD材料所桥接的间隙(gap)两端水平或者横向切换。
图4B示出了一个实施方案，其中基底的单体电极设有粗糙的表面形貌。
图5A是一示意图，示出了根据一个实施方案使用电阻层以增强包括瞬态保护材料的结构的耐用性以及电气特征。
图5B示出了一个实施方案，其使用了高击穿强度和低导电性的电介质层。
图6示出了根据一个实施方案的基底，其包括被内置在VSD材料层和电介质层之间的导电材料的附加构造。
图7示出了根据一个实施方案的基底，其包括了在具有VSD材料的水平切换布置中的成形电极。
图8示出了根据一个实施方案的包括水平间隙构造的基底，所述水平间隙构造将VSD材料包括作为间隙填充物(filler)。
图9示出了根据一个实施方案的配置，其中竖直导电元件与将接地平面的两个电极分隔开的间隙构造相交叉。
图10A和图10B示出了根据一个或多个实施方案的对一个实施方案的变体，其中基底包括图案化的VSD材料层。
图10C示出了根据一个实施方案的空隙(void)，该空隙通过从电极或迹线元件(trace element)位置下面的VSD层移除VSD而产生。
图11示出了根据一个实施方案的变体，其中在基底中的导电层的电极下面形成的空隙填充有选用材料。
具体实施方式
本文提供了包括基底器件的多个实施方案，所述基底器件具有：(i)瞬态保护材料的集成层；以及，(ii)多个层、结构元件和/或特征，这些层、结构元件和/或特征被设计为当所述瞬态保护材料被用于处理瞬态电气事件时增加电场的均匀性。
根据一些实施方案，瞬态保护材料可具有非线性的电阻特征，原因在于瞬态保护材料是：(i)在电压不超过该材料的特征触发电压的情况下，基本不导电；以及，(ii)当将超过特征触发电压的电压施加至所述瞬态保护材料时，导电。在非导电状态下，所述瞬态保护材料基本上表现为电绝缘体或非导体，除非某些情况下，当施加电压时，可从该材料感应到相对小的(例如，微安或纳安级的)漏电电流。在导电状态下，瞬态保护材料表现为导体，原因在于当存在瞬态电压时，瞬态保护材料自由地导通电流。总之，非线性的电阻材料不遵守欧姆定律，原因在于：根据足够的瞬态电压或电气事件的存在，它既可具有导电状态又可具有非导电状态。这样的非线性的电阻瞬态保护材料包括电压可切换电介质(VSD)材料和/或压敏电阻(varistor)材料的成分。下面提供非线性的电阻瞬态保护材料(包括VSD材料)的多种成分。根据一些实施方案，非线性的电阻瞬态保护材料被集成在基底器件，例如核心层结构中，从而保护随后在该器件上形成的电气元件(例如，形成导电路径、分立部件等的电极)免于出现ESD、EOS或其他电气事件。瞬态保护材料在基底器件中的集成包括如下规定：当瞬态保护材料被切换进入导电状态时，保护基底器件的瞬态保护材料和部件免于出现非均匀的电场分布。
根据一个或多个实施方案，基底器件包括瞬态保护材料层以及形成导电层的一部分的多个导电元件。所述导电元件包括被间隙间隔开的一对电极，但是当瞬态保护材料导电时，该对电极相互电连接。该基底包括使瞬态电气路径(其在该间隙的两端形成)线性化的特征。这样的特征包括例如：一个或这两个电极的结构变体、附加层的使用或者交替间隔开的导电元件。
VSD材料概述
如在本文中使用的，“电压可切换材料”或“VSD材料”是这样的任意成分或多种成分的组合：所述成分具有介电或非导电的特征，除非给该材料施加超过该材料的特征水平的场或电压，在给该材料施加超过该材料的特征水平的场或电压情况下，该材料变得导电。因此，VSD材料是介电的或非导电的，除非给该材料施加超过特征水平的电压(或场)(例如由ESD事件提供的)；在给VSD材料施加超过特征水平的电压(或场)的情况下，该VSD材料被切换进入导电状态。VSD材料可进一步被描述为非线性的电阻材料。在诸如所述的实施方案中，特征电压可在这样的值的范围内变化：所述值超过电路或器件的工作电压水平的几倍以上。这样的电压水平可以是瞬态工况的等级，诸如由静电放电所产生的瞬态工况，虽然实施方案可以包括使用计划的电气事件。另外，在一个或多个实施方案中，在电压未超过特征电压的情况下，所述材料就像粘合剂。
更进一步，在一个实施方案中，提供一种VSD材料，该VSD材料可以被表征为包括部分地混有导体或半导体粒子的粘合剂的材料。在电压不超过特征电压水平的情况下，所述材料整体上符合粘合剂的介电特征。在施加超过特征水平的电压的情况下，所述材料整体上符合导电特征。
通过恰好在渗出阈值以下将大量的导电材料分散在聚合物基质中，VSD材料的许多成分提供期望的“电压可切换”电气特征，其中该渗出阈值在统计上被定义为：借助于该阈值，可在该材料的厚度上形成连续的导电路径。可将其他材料(例如绝缘体或半导体)分散在基质中，以更好地控制渗出阈值。更进一步，VSD材料的其他成分(包括一些包含粒子组分(诸如核壳式粒子)的成分)使得VSD材料上方的总粒子组分被加载到该渗出阈值以上。如实施方案所描述的，VSD材料可位于电气器件上，从而在电气事件(例如ESD或EOS)中保护器件(或者该器件的特定子区域)的电路或电气部件。相应地，在一个或多个实施方案中，VSD材料具有超过该器件的工作电路或部件的特征电压水平的特征电压水平。
根据本文所描述的实施方案，该VSD材料的组分可被均匀地混合在粘合剂或聚合物基质中。在一个实施方案中，该混合物以纳米级被分散，这意味着：包括有机导电/半导电材料的粒子在至少一个尺寸(例如，横截面)上是纳米级的；并且，包括总体分散数量的基本大量粒子在体积上被单独地分离(以免聚集或紧压在一起)。
更进一步，电子器件可以设有根据本文所描述的任一实施方案的VSD材料。这些电子器件可包括基底器件，诸如印刷电路板、半导体封装、分离器件、发光二极管(LED)，以及射频(RF)部件。
图1是VSD材料层或厚度的示例性(未按比例)截面图，描绘了根据多个实施方案的VSD材料的组分。如所描绘的，VSD材料100包括基质粘合剂105以及以各种浓度分散在粘合剂中的各类粒子组分。VSD材料的粒子组分可包括导电粒子110、半导电粒子120、纳米尺寸的粒子130和/或其他类型的粒子的组合，所述其他类型的粒子便于或者促进例如期望的电气或物理性能和/或粒子加载水平。作为一种替代或变体，该VSD成分可以不使用导体粒子110、半导电粒子120或纳米尺寸的粒子130。因而，取决于该VSD材料的期望电气特征和物理特征，可改变包括在VSD成分中的粒子的组分的类型。例如，一些VSD成分可包括导电粒子110，但是不包括半导电粒子120和/或纳米尺寸的粒子130。更进一步，其他实施方案可以不使用导电粒子110来代替其他类型的粒子，诸如压敏电阻(未示出)粒子或核壳式粒子。
基质粘合剂105的实例包括聚乙烯、硅酮、丙烯酸酯、聚酰亚胺、聚氨酯、环氧树脂、聚酰胺、聚碳酸酯、聚砜、聚酮、以及共聚物，和/或它们的混合物。
导电材料110的实例包括金属，诸如铜、铝、镍、银、金、钛、不锈钢、镍磷、铌、钨、铬，其他金属合金，或如二硼化钛或氮化钛的导电陶瓷。半导电材料120的实例包括有机半导体和无机半导体。一些无机半导体包括碳化硅、氮化硼、氮化铝、氧化镍、氧化锌、硫化锌、氧化铋、二氧化钛、氧化铈、氧化铋、氧化锡、氧化铟锡、氧化锑锡、氧化铁，以及氧化镨。可以为最适合于VSD材料的具体应用的机械和电气性能选择特定的配方和成分。纳米尺寸的粒子130可以是一种或多种类型。取决于实施方式，包括纳米尺寸粒子130的一部分的至少一种组分是：(i)有机粒子(例如，碳纳米管、石墨烯)；或者(ii)无机粒子(金属粒子、金属氧化物、纳米棒或纳米线)。纳米尺寸的粒子可具有高纵横比(high-aspect ratio，HAR)，从而具有超过至少10∶1(并且可超过1000∶1或更多)的纵横比。粒子组分可以以多种浓度均匀地分散在聚合物基质或粘合剂中。所述粒子的具体实例包括铜、镍、金、银、钴、氧化锌、氧化锡、碳化硅、砷化镓、氧化铝、氮化铝、二氧化钛、锑、氮化硼、氧化锡、氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铋、氧化铈，以及氧化锑锌。
各类粒子在基质105中的分散可以使得VSD材料100是不分层的，并且在其成分上是均匀的，同时呈现出电压可切换电介质材料的电气特征。通常，VSD材料的特征电压是以伏特/长度(例如，每5密尔(mil))测量的，尽管其他的场测量单位可以用于替代伏特。因此，如果电压超过间隙距离L的特征电压，则施加在VSD材料层的边界102两端的电压108可将VSD材料100切换进入导电状态。
如子区域104(其旨在代表VSD材料100)所描绘的，VSD材料100包括粒子组分，当电压或场作用在VSD成分上时，所述粒子组分单独地携带电荷。如果场/电压在触发阈值以上，至少一些类型的粒子携带足够的电荷，以将VSD成分100的至少一部分切换进入导电状态。更具体地，如所示出的，对于代表性的子区域104，当存在电压或场时，单独的粒子(例如导体粒子、核壳式粒子或半导电或合成粒子类型)获得聚合物粘合剂105中的导电区域122。使导电区域122的幅度和量足以导致电流穿过VSD材料100(例如，边界102之间)的厚度的电压或场水平与所述成分的特征触发电压一致。图1示出了在总厚度的一部分中存在导电区域122。设置在边界102之间的VSD材料100的一部分或者厚度可代表横向或者竖直放置的电极之间的分隔。当存在电压时，可影响VSD材料的一些部分或者所有部分，以增大该区域中的导电区域的幅度或计数。当施加电压时，取决于例如该事件的电压的位置和幅度，导电区域的存在可在VSD成分的整个厚度(竖直厚度或横向厚度)上变化。例如，取决于该电气事件的电压和功率水平，仅一部分VSD材料可跳变(pulse)。
相应地，以下因素可局部影响图1示出的VSD成分的电气特征(例如导电性或触发电压)：(i)粒子的浓度，所述粒子为例如导电粒子、纳米粒子(例如，HAR粒子)、压敏电阻粒子和/或核壳式粒子；(ii)所述粒子的电气和物理特征，包括电阻特征(其由所述粒子的类型所影响，例如所述粒子是核壳式还是导体)；以及(iii)聚合物或粘合剂的电气特征。
在标题为“VOLTAGE SWITCHABLE DIELECTRIC MATERIAL HAVINGCONDUCTIVE OR SEMI-CONDUCTIVE ORGANIC MATERIAL”的第11/829,946号美国专利申请以及标题为“VOLTAGE SWITCHABLE DIELECTRICMATERIAL HAVING HIGH ASPECT RATIO PARTICLES”的第11/829,948号美国专利申请中描述了将有机和/或HAR粒子纳入VSD材料的成分中的特定成分和技术；上述的专利申请都通过引用的方式被本申请全文纳入。
一些实施方案可提供包括压敏电阻粒子的VSD材料，该压敏电阻粒子作为VSD材料粒子组分的一部分。一些实施方案可包含单独地显示非线性的电阻性能的粒子的浓度，以便被认为是活性压敏电阻粒子。所述粒子通常包括氧化锌、二氧化钛、氧化铋、氧化铟、氧化锡、氧化镍、氧化铜、氧化银、氧化镨、氧化钨和/或氧化锑。压敏电阻粒子的这种浓度可通过烧结压敏电阻粒子(例如，氧化锌)并随后将烧结的粒子混合在VSD成分中来形成。在一些应用中，压敏电阻粒子复合物由主要组成部分和次要组成部分的组合形成，其中所述主要组成部分是氧化锌或二氧化钛，并且所述次要组成部分或其他金属氧化物(例如上面列出的)通过一种方法(例如，烧结)熔融扩散至所述主要组成部分的晶界。
取决于包括所述VSD材料的粒子组分中的一种或多种的电气或物理特征，VSD材料的粒子加载水平可在渗出阈值以上或以下变化。使用具有高带隙(例如，使用绝缘壳层)的粒子可使得VSD成分超过渗出阈值。相应地，在一些成分(例如包含有高带隙粒子的那些成分)中，VSD材料的总粒子浓度超过该成分的渗出阈值。
在一些传统方法中，VSD材料的成分已包括分散在VSD材料的粘合剂中的金属粒子或导电粒子。取决于一些情况下的VSD材料的期望电气特征，该金属粒子可在尺寸和数量上变化。具体地，金属粒子可被选定具有影响具体电气特征的特征。例如，为了获得较低的箝位值(clamp value)(例如，使得VSD材料能够导电所需要的施加电压的量)，VSD材料的成分可包括相对较高体积分数的金属粒子。为此，由于金属粒子形成了导电路径(短路)，将低的初始漏电电流(或高电阻)保持在低偏压将变得困难。
VSD材料应用
根据本文所描述的任一实施方案，存在VSD材料成分的多种应用。具体地，实施方案提供将VSD材料设置在基底器件(例如，印刷电路板、半导体封装、分立器件、薄膜电子器件)上，以及更多的具体应用，例如设置在LED和射频器件(例如，射频标签)上。更进一步，其他应用可提供VSD材料的使用，例如本文所描述的液晶显示器、有机光发射显示器、电致变色显示器、电泳显示器或者所述器件的底板驱动器。包括该VSD材料的目的可以是增强例如可随着ESD事件而出现的瞬态状况以及过压状况的处理。VSD材料的另一应用包括金属沉积，如L.Kosowsky的第6,797,125号美国专利中所描述的，该专利特此通过引用的方式被全文纳入本说明书。
图2A示出了配置有VSD材料的基底器件，该VSD材料具有本文所提供的任一实施方案所描述的成分。如图2A所示，基底器件200对应于例如印刷电路板。包括电极212和其他迹线元件或互连的导电层210在基底200的表面的厚度上形成。在所示出的配置中，VSD材料220(具有本文任一实施方案所描述的成分)可被设置在基底200(例如，作为核心层结构的一部分)上，从而在存在合适的电气事件(例如，ESD)的情况下，在覆盖VSD层220的电极212之间提供横向开关(switch)。电极212之间的间隙218用作横向或水平开关，当足够的瞬态电气事件发生时，所述横向或水平开关被触发接通(‘on’)。在一种应用中，所述电极212的其中之一是延伸至地面或器件的接地元件。由于VSD层220中的材料被切换进入导电状态(由于瞬态电气事件)，所以接地电极212将由间隙218分隔开的其他导电元件212互连至地。
在一种实施方式中，通路(via)235从接地电极212延伸进入基底200的厚度中。所述通路提供电连接，以完成从接地电极212延伸的接地路径。间隙218下方的VSD层的一部分桥接该导电元件212，使得瞬态电气事件接地，从而保护与包括导电层210的导电元件212互连的部件和器件。
图2B示出了其中导电层被嵌入基底中的配置。在所示出的配置中，包括电极262、262的导电层260被分布在基底250的厚度中。VSD材料层270和电介质材料(例如，B阶(B-stage)材料)层274可覆盖嵌入的导电层。还可包括附加的电介质材料层277，例如直接在VSD层270的下方或者直接与VSD层270接触。表面电极282、282包括设置在基底250的表面上的导电层280。表面电极282、282还可覆盖VSD材料层271。一个或多个通路275可使导电层260、280的电极/导电元件电气互连。VSD材料层270、271被定位，以便当足够幅度的瞬态电气事件到达VSD材料时，水平地切换并桥接各自导电层260、280的间隙268两端的邻近电极。
作为一种替代或变体，图2C示出了将VSD材料纳入基底的竖直切换布置。基底286包括将两层导电材料288、298分隔开的VSD材料层290。在一种实施方式中，所述导电层298的其中之一被嵌入。当瞬态电气事件到达VSD材料层290时，该VSD材料层290切换为导电并桥接所述导电层288、298。该竖直切换配置还可被用于将导电元件互连至地。例如，该嵌入的导电层298可提供接地平面。
减少不期望的电场特征的电极结构
图3表示了两个电极的电场分布，所述两个电极被物理地分隔开，但是通过(由于瞬态电气事件)切换进入导电状态的VSD材料的底层或覆层而桥接，以越过所述分隔进行电连接。所述VSD材料300被设置在所述电介质层302和导电层301之间，并且一旦发生高压瞬态应力就进行切换。作为与图2A中示出的配置的比较，例如当来自基底200的VSD层220的材料切换为互连间隙218两端的电极212、212时，可产生电场分布。当发生瞬态电气事件时，所述水平切换布置在VSD层220内部建立了非均匀的电场分布。
进一步参考图3，由于导电层301的电极和VSD层300的电极之间高度的不同，VSD材料中的电场分布通过弧形或非线性的导电路径(由于将VSD材料切换为导电状态的瞬态事件而形成)变得局部更为不均匀。在竖直方向上，由于导电层由定位在VSD层300上的电极301组成，VSD层300中的电场从接近导电层的区域的最高值减小到远离导电层的区域的较低值。与导电层301的接近度相关，VSD层300中减小的电场分布构成PCB的竖直方向上变化的非均匀电场。电场由从亮到暗进行变化的阴影(表示颜色)示出。在水平方向上，VSD层300内接近电极的区域处的电场大大高于由亮处所示出的VSD层300的中心处的区域。因此，例如，在由例如图2A示出的布置中，其中间隙218分隔相邻的电极212(焊盘和反焊盘)，电场(由阴影/颜色示出)明显高于(较暗区域)邻近于所述单体电极的角部或者边缘的区域。通路235的存在可进一步影响电场的非均匀性。
因此，实施方案认识到，瞬态过流浪涌在该基底的各个区域可分布得显著不同。与其他区域相反，流入通路焊盘和通路反焊盘附近区域的大电流密度导致产生明显更高的热。电流流动的不均衡导致这些区域中瞬态材料的更大的退化。
实施方案进一步认识到，当以水平切换配置在基底上使用VSD材料时，通过减小或者线性化该间隙218两端的瞬态电气路径的弧度(参看例如图2A)，电场分布中的非均匀性变小。更具体地，缩短和/或更线性化的路径可使电场分布更均匀(或者减少非均匀性)。
图4A示出了根据一个或多个实施方案的具有单体电极的基底，所述单体电极具有凸起结构或构造，以便于在由VSD材料桥接的间隙两端的水平或者横向切换。在图4A示出的配置中，导电层410被嵌入在基底400(例如，核心层结构)中，与图2B中示出的相似。VSD材料层420直接覆盖导电层。电介质层430(例如，B阶材料)覆盖VSD材料层420。在所示出的一种实施方式中，附加的电介质层440在导电层410的下方。导电层410的邻近电极412可被间隙418分隔开，以及当瞬态电气事件使VSD材料420导通时，VSD材料420桥接该间隙。此外，导电层的电极412包括凸起结构413，该凸起结构413向上延伸一厚度而进入VSD材料层420。邻近电极上的凸起结构413的存在，使得在瞬态事件情况下，该间隙两端的瞬态电气路径更线性。凸起结构413可以是任何通常形状，例如可设置为隆起的、波状的或者角状的。凸起结构413的位置优选地在各自电极412的边缘处或者邻近各自的电极412的边缘，以便邻接间隙418的边界。
在例如图4A示出的一个实施方案中，导电层可以选择性地沉积在核心层结构中，以在导电层410中形成单体电极412、412的凸起结构413。例如，导电层可以选择性地通过如下技术形成，包括：(i)丝网印刷(screen-printing)；(ii)狭缝涂覆；(iii)喷墨印刷；或者(iv)图形喷射(pattern spraying)，使一侧粘合有导电层，且相对侧粘合有瞬态保护材料。
在一种实施方式中，凸起结构可通过图形电镀来实施。具体地，导电层410可被粘合至电介质层430，并且选择性地由干膜图像图形来进行掩膜(masked)。然后，在导电层上应用构建图形电镀的铜。在到达凸起的导电层413的厚度之后，干膜图像图形被应用在导电层上。这样建立以提供进一步蚀刻隔离区域(例如间隙418)的基础。在蚀刻之后，所述干膜可被条纹化，并且VSD材料420被粘合至所构建的结构，并进一步粘合至电介质层430。
可对凸起结构的形状和/或尺寸做出改变。可通过隆起形状(即，波状的)、增大厚度的梯度，或者通过步骤结构来提供凸起结构413。在一个实施方案中，凸起结构可源于各自电极412的基本平坦的部分433。具体地，凸起结构413可源于各自电极412的基本平坦的部分433，意味着：(i)该平坦部分的厚度在电极412的所述部分两端的变化不大于5％；以及(ii)该表面是不粗糙或者光滑的。作为一个变体，凸起结构413可源于槽或谷。凸起结构413可具有超过各自电极412的剩余部分(例如，平坦部分433)10％的厚度，并且在一些变体中，可超过大于25％或40％。
尽管一个实施方案(例如，所描述的实施方案)提供由导电层的导电材料形成的凸起结构(例如，隆起)，替代的实施方案可利用不同种类的材料，包括具有不同导电性/电阻特征的材料。更进一步，在一些实施方案中，凸起结构可由并非该导电层的基底的一部分的材料形成。例如，凸起结构可由印刷导电材料形成。
此外，尽管当瞬态事件发生时，例如图4A中示出的结构在减少电场的“热点(hot spot)”方面是有效的，一些实施方案认识到，制造公差可使得难以制造该凸起结构的构造。图4B示出了一个实施方案，其中基底的单体电极设有粗糙的表面形貌。更具体地，基底450包括嵌入在基底450(例如，核心层结构)中的导电层460，与图2B示出的相似。VSD材料层470直接覆在导电层460上。电介质层480(例如，B阶材料)覆在VSD材料层470上。在所示出的一种实施方式中，附加的电介质层490在导电层460的下方。包括导电层460的邻近电极462被间隙468分隔开，当来自VSD层470的下方材料被切换进入导电状态时(通过瞬态电气事件)，该间隙468可被桥接。导电层460的单体电极462设有粗糙的表面形貌461。粗糙的表面形貌461可通过粗加工包括导电层460的单体电极462的至少一部分来形成。变粗糙的电极462可被用在核心结构中，以降低瞬态材料切换处的浪涌电压的幅度。由于变粗糙，导电层460的单体电极462包括延伸一厚度至VSD材料的峰状或凸起结构，与图4A的一个实施方案中描述的配置相似。可通过例如化学/机械蚀刻步骤/方法来使电极462变粗糙。
如所提及的，参考图4A和图4B，更加线性的瞬态电气路径减少了可由瞬态电气事件引起的电场的非均匀性。更加均匀的电场增强了VSD材料所期望的电气性能，包括可由给定厚度的材料所处理的电压或能量的幅度。
内置的电阻层
图5A是示出了使用电阻层来增强包括瞬态保护材料的结构的耐用性和电气特征的图。更具体地，结构500包括被夹在导电材料层510和电介质材料层530(例如，B阶)之间的电阻层520。在一些实施方式中，该层可以是图案化的或者半连续的。作为比较，图2B示出了包括导电层、电介质层和VSD层的堆叠结构。在图5A示出的一个实施方案中，电阻层520被内置在VSD层540和电介质层530的层之间。与图2A和图2B的中的一个实施方案相似，导电层510由被间隙518分隔开的电极512组成。当发生合适的电气事件时，提供桥接所述间隙518两端的两个电极512、512的VSD层540。在其他配置中，通过使用通路或其他导电结构(未示出)，电极512的其中之一可互连或形成接地的一部分。电阻层520由高电阻材料(例如，具有106Ω/m或更大的特征电阻的材料)形成。当发生瞬态和/或强有力的电气事件时，电阻层520的存在用于保护电介质层530不被击穿。此外，当发生瞬态电气事件时，电阻层520可便于使跨越两个电极512、512的间隙518的瞬态电气路径线性化。
在一个实施方案中，电阻层520被粘合在包括VSD层540的材料的一侧上。在另一侧上，电阻层520与电介质层530粘合，所述电介质层530可包括在热和压力下层压的B阶材料。根据一些实施方案，电阻层520由下列材料形成：任何低导电性金属、半导体，或者聚合物复合材料，例如铁、硅或填充聚合物复合材料的金属粒子。
尽管图5A示出了VSD材料层540被内置在电阻层520和导电层510之间，但是在其他实施方式中，电阻层520可被粘合或者涂覆至导电层以及VSD材料层。在这样的一个实施方案中，电阻层可提供用于间隙518的填充物，以便占据将电极512、512分隔开的间隙的体积的至少一部分。例如，提供电阻层520来代替图5B的HBSLCD层570。根据一些实施方案，电阻层520由具有如下特征的材料组成：该材料在特征间隙两端提供至少100000Ω的电阻，并且更优选地，在特征间隙两端提供至少1兆欧的电阻。
作为电阻层的一种替代方案，图5B示出了一种利用高击穿强度和低导电材料层(HBSLCD层570)的实施方案。根据所描述的实施方案，HBSLCD层570材料由以下材料形成：(i)在超过500伏特/密尔(1密尔等于1/1000英寸)的电压下击穿；以及(ii)当承受小于该击穿电压的电压时，导通电流小于10nA。下列材料可被纳入或者用于HBSLCD层570。合适的材料的实施例包括：(i)BT环氧树脂，被制造为NELCO N5000，具有1200伏特/密尔的电气强度；(ii)FR4环氧树脂，根据ISOLA 370HR制造，具有1350伏特/密尔的电气强度；以及(iii)聚酰亚胺，被制造为RFLEX，具有8000伏特/密尔的电气强度。结构550包括HBSLCD层570，该HBSLCD层570被粘合、涂覆或者分层，以与导电层560和VSD材料层580相接触。电介质层590(例如，B阶)可设置在VSD材料层580上方。与图2A和图2B的一种实施方案相似，导电层560由被间隙568间隔开的电极562组成。当足够的电气事件(即，提供的电压超过该VSD材料的特征触发电压的电气事件)发生时，提供VSD层580来桥接间隙568两端的两个电极562、562。在其他配置中，通过使用通路或者其他导电结构(未示出)，电极562的其中之一可互连或者形成接地的一部分。在由图5B示出的一个实施方案中，HBSLCD层570是间隙568的填充物，以便占据分隔开电极562、562的间隙的体积的至少一部分。
在一种替代配置中，一种实施方案提供被夹在导电层560和电介质层590之间的HBSLCD层570。HBSLCD层570可被粘合、涂覆或者定位以直接接触瞬态材料层580以及电介质层590(以便处于瞬态材料层580以及电介质层590之间)。
内置的导电材料
图6和图7都示出了根据一个实施方案的一种包括导电材料的附加构造的基底，该导电材料的附加构造被内置在VSD材料层和电介质层之间。在图6的一个实施方案中，设置结构600，其中导电材料642的选择性沉积物或者构造被设置在VSD材料层620和电介质材料层630(例如，B阶)之间。导电材料642的构造(“导电构造642”)可通过金属沉积物形成。导电层610与导电构造642分隔，导电层610包括被间隙618分隔开的电极612、612。电极612、612(例如，焊盘和反焊盘或接地元件)被提供以与VSD材料层620接触，使得当超过VSD材料的触发电压的电气事件发生时，VSD材料桥接电极612、612。例如任一在先实施方案中所描述的其他层可被包括作为该基底的一部分。在一种实施方式中，电介质层630可被提供在VSD材料层620上方。电阻层(未示出，例如通过图5A的一个实施方案所描述的)还可被包括在该基底中。在图6的一个实施方案中，导电构造642是分立的，并且被定位在电介质层630和VSD材料层620之间。当发生电气事件(其供应超过VSD材料的触发电压的电压)时，每一导电构造642促进瞬态电气路径的线性化，所述瞬态电气路径延伸至导电层610的电极612、612中对应的一个。更具体地，VSD材料620切换进入导电状态(从而处理瞬态事件的浪涌电压)的触发电压至少局部基于以下因素：(i)VSD材料620的厚度；以及(ii)由VSD材料层620所覆盖的面积。VSD材料620和导电层610之间的导电构造642的存在辅助进行线性化，原因在于当发生瞬态电气事件时，它缩短了可该间隙618两端所形成的瞬态电气路径。由于导电层642比VSD材料620具有更高的导电性，切换将在导电层610和导电构造642之间所设置的VSD材料620中发生，并且VSD材料620中的一部分切换路径区域被导电构造642代替。因而，通过适当地选择导电构造642的长度，可缩短VSD材料620中的路径长度。导电构造642的长度越长，VSD材料层620内的瞬态电气路径就越短。VSD材料层620顶部的导电构造642减少了在VSD材料层的厚度内沿着竖直方向的电场值的变化，从而当发生瞬态电气事件时降低(并且从而改善)了电场分布的非均匀性。在图6示出的配置中，瞬态电气路径相对于间隙结构的平面对准(由电极612、612所提供的)是成锐角的。因而，导电构造642的存在使得互连电极612、612的瞬态电气路径线性化。这样，导电构造642减少了间隙618两端的电场的可变性。作为另一益处，使用分立的导电构造642减少了漏电电流的存在，当切换时所述漏电电流可使得VSD材料的性能退化。
作为一种替代或变体，导电材料可以是非导电的，但是导电性比标准电介质强。
图7示出了根据一个实施方案的基底，该基底包括具有VSD材料的以水平切换布置的成形电极。更具体地，根据图7的一个实施方案，一种成形的导电元件被定位，以缩短和线性化瞬态电气路径，该瞬态电气路径在当底层VSD材料桥接间隙构造中的电极时形成。基底700包括导电层710，所述导电层710包括电极或其他迹线元件，包括被间隙718分隔开的电极712、712。电极712、712(例如，焊盘和反焊盘或接地元件)被设置以与VSD材料层720接触，使得当发生超过VSD材料的触发电压的电气事件时，该VSD材料桥接电极712、712。其他层(例如通过任一在先的实施方案所描述的其他层)可被包括作为基底的一部分。在一种实施方式中，电介质层730可被设置在VSD材料层720上方。电阻层(在图7中未示出，例如通过图5A的一个实施方案所描述的电阻层)还可被包括在基底中。进一步提供成形的导电元件725，其从导电层710中的电极712、712的其中之一延伸。在一个实施方案中，成形的导电元件725的形状被设置为从接地电极竖直延伸通过VSD材料720层的至少一部分。此外，成形的导电元件725的形状被设置为至少局部地水平延伸跨越间隙718。作为一种变体，成形的导电元件725还可完全延伸跨越间隙718，以便形成竖直切换布置。不管是局部延伸跨域间隙718还是完全延伸跨越间隙718，间隙718的两端所形成的任何瞬态电气路径都是线性化的并且被缩短，从而减少当发生电气事件时可能产生的不想要的电场效应。
VSD材料间隙填充物
图8示出了根据一个实施方案的包括水平间隙构造的基底，该水平间隙构造包含VSD材料作为间隙填充物。基底800包括由被间隙818分隔开的电极812、812所组成的导电层810。在所示出的一个实施方案中，VSD材料层820(或者其他瞬态保护材料)被定位，以占据对应于该间隙818的体积。作为一种间隙填充物，当发生超过VSD材料的触发电压的电气事件时，VSD材料能够桥接电极812、812。其他层(例如任一在先的实施方案所描述的其他层)可被包括作为基底的一部分。在一个实施方案中，电介质层830可设置在VSD材料层820上方。电阻层(例如关于图5A的一个实施方案所描述的电阻层)也可以被包括在基底中。
在一个实施方案中，VSD材料层820被形成作为两层的结合，这两层在导电层的不同侧上执行的单独过程中沉积或形成。在一种实施方式中，导电层810被涂覆在具有VSD材料层820的第一部分的一侧上。导电层810(例如，铜箔)可通过光刻技术来蚀刻，以便分隔电极812、812。VSD材料820的第二部分被涂覆在导电层810的相对侧上。在一种实施方式中，蚀刻的铜箔被涂覆有VSD材料，接着被粘合至在两侧上形成核心层结构的在热和压力下层压的电介质层。然后，VSD材料被沉积在跨越该通路焊盘以及通路反焊盘的区域中。
在另一实施方案中，VSD材料层可被丝网(或者喷墨)印刷在导电层的一侧上，所以VSD材料流入将所述电极分隔开的间隙中。另一VSD材料层可被涂覆在导电层的另一侧上。导电层的每一侧上都可使用不同成分的VSD材料。
交叉通路
作为一种补充或替代，图9示出了一种配置，在该配置中，竖直导电元件与间隙构造交叉，该间隙构造分隔开接地平面的两个电极。更详细地，基底900包括由被间隙918分隔开的接地电极912、912组成的接地平面910。还可提供一种附加的导电层(未示出)。VSD材料层920(或者其他的瞬态保护材料)被覆在接地平面上，以便被定位从而占据对应于该间隙918的体积。其他层(例如通过任一在先实施方案所描述的其他层)可被包括作为基底的一部分。在一种实施方式中，电介质层930可被设置在VSD材料层920的上方。电阻层(例如通过图5A的一个实施方案所描述的电阻层)还可被包括在基底中。
在一个实施方案中，竖直导电元件940与所述间隙918交叉。竖直导电元件940可与一个或多个导电层互连。当发生瞬态电气事件时，VSD材料层接通，并且竖直导电元件940连接至接地平面910。通过与间隙918交叉，竖直导电元件使当VSD材料切换时所形成的瞬态导电路径线性化，从而减少由于VSD材料切换进入导电状态所产生的不想要的电场效应。在一种实施方式中，竖直导电元件940是与间隙918交叉的微通路。
VSD材料图形化
更进一步，一些实施方案提供通过一种使得相对的电极之间能够瞬态电连接的方式对VSD材料层进行图形化。
本文描述的一些实施方案提供一种基底，其包括覆有电气迹线或元件的VSD保护材料的构造，其中通过移除一些原本占据迹线元件下方空间的VSD材料来减少VSD材料的构造。结果是，与覆在VSD构造上的电气迹线的总体覆盖区(footprint)相比较，减小了VSD材料和迹线元件130之间的接触面积。
根据一个或多个实施方案，电气迹线在VSD材料层上方形成。然后一份量的VSD材料从该基底移除，以减少VSD材料和迹线元件之间的接触面积。
图10A示出了根据本发明实施方案的一个基底，其包括VSD材料的图形化层。基底1000包括覆有电极1012(例如，迹线元件)的VSD材料层1020，所述电极1012共同形成导电层1010。在所示出的一种配置中，电极1012被定位，以限定将第一电极1012从接地电极1014分隔开的间隙1015。VSD材料1020被放置在间隙1015下面，从而在瞬态电气事件超过VSD材料的触发电压时桥接所述电极。接地电极1014占据VSD层1020上的覆盖区1031。然而，空隙1011延伸通过电极1014所覆盖位置处的VSD材料层1020。结果，与覆盖区1031内的原本可能的总面积相比较，VSD层1020和电极1014之间的总接触面积减少了。
一些实施方案认识到，导电层1010下面的VSD层1020的存在可影响包括导电层的单体电极1012、1012的电容量。相应地，一个或多个实施方案认识到，可通过以下方式控制或调整迹线元件的电容量：(i)从对应于所述电极1012的其中之一的迹线元件下面移除VSD材料；以及，可选地(ii)提供填充物材料来代替所移除的VSD材料。
参考图10B，导电层中多于一个的电极1012、1014可被局部空隙1011的构造所影响，所述局部空隙1011是由于从单体电极下面的VSD层1020移除材料而产生的。
根据一个实施方案，单独空隙1011、1011激光钻孔进入基底1000的背侧。其他技术(例如机械钻孔或者化学机械抛光)也可被用在合适的应用中。用于从VSD层1020移除材料的这种类型的机制，以及执行所述移除的机制的尺寸，可影响所移除的VSD材料部分的轮廓。例如，取决于用于将材料从VSD层1020移除的工具，所移除部分的轮廓可以是成圆形的或者粗糙的(例如，参看图10C)，或者更精细的。
更具体地，作为另一变体，可在基底110中形成多于一个的空隙，以位于给定的电极1012、1014下方。所述从电极下面移除的VSD材料的量以及空隙1011、1011的数量可被各自电极的尺寸以及在结构上和电气上支持单体电极的能力所限制，其中所述空隙1011、1011在基底中形成以位于迹线元件(同时提供足够量的VSD材料)下方。
图10C示出了根据一个实施方案的导致VSD从电极或迹线元件的位置下面的VSD层移除的空隙。取决于用于移除VSD材料的过程，在VSD材料层1020中形成的空隙1011的形状可改变。例如，激光钻孔机可导致圆形的移除。包括电极1012的一些或者全部导电材料也可在该过程中被移除。
图11示出了根据一个实施方案的一种变体，其中在基底中的导电层的电极下面形成的空隙中填充有选用材料。图11示出了包括导电层1110的基底1100，该导电层1110由单体电极1112(或多个电极)组成。如通过图10A至图10C的一个实施方案所描述的，空隙1140在基底中形成，以将材料从覆在一个或多个电极1112下方位置处的VSD层1120移除。在一种实施方式中，填充材料1150被用于填充空隙1040的至少一部分。在一种实施方式中，填充材料1150被提供作为层压过程的一部分。替代地，该空隙1140可以是未填充的，或者填充有被选定以提供期望特征的其他材料。在一种类型的配置中，填充物1150被相应电极1112下方的VSD材料层至少局部地包围。
在这些实施方案中，空隙1140被填充有影响包括电极1112的导电材料的电容量的材料。在一个实施方案中，空隙1140或者迹线元件中受影响区域被填充有降低迹线元件的总介电常数的材料。替代地，空隙1140被填充有提升受影响区域的电容量的材料1150。更进一步，空隙1140的材料1150可被选定，以调节受影响区域的基底的电容量。在一种实施方式中，填充物1150被选定，以调节包括电极1112的材料的电路的谐振频率。
在所述上下文中，填充物1150是部分地基于其介电常数而被选定的。用作填充物1150的合适材料的实例包括环氧树脂、陶瓷或陶瓷复合材料。
尽管本文结合对附图的参考详细描述了一些示例性实施方案，但是在此包括了对具体实施方案的变体和细节。本发明的范围旨在由随后的权利要求及其等价物所限定。此外，设想所描述的具体特征(单独部分或者作为实施方案的一部分)可与其他单个描述的特征或其他实施方案的部分相组合。因而，缺少描述组合不应妨碍发明人声明对所述组合的权利。

Claims (8)

1.一种基底器件，包括：
一个或多个非线性的电阻瞬态保护材料层；
多个导电元件，被分布作为所述基底器件的导电层的一部分，其中所述一个或多个非线性的电阻瞬态保护材料层覆盖所述多个导电元件，所述一个或多个非线性的电阻瞬态保护材料层中的至少一层与所述多个导电元件相接触，所述多个导电元件包括被间隔开以形成间隙的一对导电元件，但是当瞬态保护材料导电时，该对导电元件电连接；以及
其中该对导电元件中的至少一个导电元件(i)延伸通过所述一个或多个非线性的电阻瞬态保护材料层中的至少一层，并且(ii)至少局部地延伸跨越所述间隙。
2.根据权利要求1所述的基底器件，其中所述瞬态保护材料包括电压可切换电介质材料。
3.根据权利要求1所述的基底器件，其中该对导电元件中的至少一个导电元件包括一个或多个结构特征，所述一个或多个结构特征是包含在该对导电元件的至少一个导电元件中的凸起部分。
4.根据权利要求1所述的基底器件，其中该对导电元件中的至少一个导电元件包括一个或多个结构特征，所述一个或多个结构特征是该对导电元件中的至少一个导电元件的至少一部分上的粗糙表面。
5.根据权利要求4所述的基底器件，其中所述粗糙表面是由于在包括该对导电元件中的至少一个导电元件的导电层的一部分上执行机械或化学蚀刻过程的结果。
6.根据权利要求1所述的基底器件，进一步包括一个或多个电介质材料层，该一个或多个电介质材料层包括一个与所述导电层的导电元件接触的电介质材料层。
7.根据权利要求6所述的基底器件，进一步包括电阻材料层，该电阻材料层被定位在所述导电层和所述与导电层的导电元件接触的电介质材料层之间。
8.根据权利要求7所述的基底器件，其中所述电阻材料层由电介质材料组成。
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