DE112013006122T5

DE112013006122T5 - Schutz vor elektrostatischen Entladungen für elektrische Komponenten, Vorrichtungen, die einen solchen Schutz aufweisen, und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE112013006122T5
Application number: DE112013006122.8T
Authority: DE
Inventors: David Hamby; Adam M. Scotch
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-09-10
Also published as: WO2014099772A1; CN104885219A

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren zum Schützen elektrischer Komponenten in der Art von Leuchtdioden beschrieben. Gemäß einigen Ausführungsformen werden elektrische Komponenten vor elektrostatischen Entladungsereignissen (”ESD-Ereignissen”) mit einem hohen Pegel durch eine Leiterplatte geschützt, die ein intrinsisches Niveau eines ESD-Schutzes bereitstellt. Gleichzeitig werden solche elektrischen Komponenten durch eine oder mehrere Dioden, die elektrisch damit gekoppelt sind, vor Niederpegel-ESD-Ereignissen geschützt. Die eine oder die mehreren Dioden können Dünnfilmdioden sein, die wenigstens eine Schicht aus einem p-dotierten halbleitenden Material und wenigstens eine Schicht aus einem n-dotierten halbleitenden Material umfassen. Vorrichtungen, die einen ESD-Schutz aufweisen, und Verfahren für die Herstellung solcher Vorrichtungen werden auch beschrieben.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung ist eine internationale Anmeldung, welche den Vorteil aus der am 21. Dezember 2012 eingereichten US-Patentanmeldung 13/724,713 mit dem Titel ”ELECTROSTATIC DISCHARGE PROTECTION FOR ELECTRICAL COMPONENTS, DEVICES INCLUDING SUCH PROTECTION AND METHODS FOR MAKING THE SAME”, deren gesamter Inhalt hier durch Verweis aufgenommen ist, beansprucht.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft allgemein das Bereitstellen eines Schutzes vor elektrostatischen Entladungen (ESD) auf gedruckten Leiterplatten und insbesondere das Bereitstellen eines solchen Schutzes in Leuchtdioden-(LED)-Systemen.
HINTERGRUND
Eine Beschädigung elektronischer Komponenten durch elektrostatische Entladungen ist ein gut dokumentiertes Problem. Die finanziellen Kosten solcher Schäden können nach manchen Schätzungen zehn Prozent der jährlichen Gesamtverkäufe eines elektronischen Produkts überschreiten. Dadurch können auch die Produktivität und die Produktzuverlässigkeit über ein breites Spektrum der Elektronikindustrie beeinträchtigt werden.
Leuchtdioden (LED) sind ein Typ elektronischer Komponenten, die für eine Beschädigung durch ESD anfällig sind. ESD-Schäden können während der Herstellung, Handhabung, Verpackung oder Installation von LED auftreten. Große Anzahlen von LED werden häufig auf Modulen zusammengefasst, um Beleuchtungssysteme zu erzeugen, die einen ESD-Schutz benötigen. Oberflächenmontage- und Chip-auf-einer-Platine-Technologien wurden entwickelt, um LED und anderen elektronischen Schaltungen einen ESD-Schutz bereitzustellen, sie weisen jedoch einen oder mehrere Nachteile auf. Beispielsweise können solche Technologien das Bestücken mit großen Anzahlen oberflächenmontierter Dioden und/oder komplexe Herstellungstechniken erfordern. Leiterplatten mit einem integralen (beispielsweise eingebetteten) ESD-Schutz wurden auch entwickelt, um diesen Problemen zu begegnen, sie können jedoch keinen angemessenen Schutz für solche Komponenten wie LED bereitstellen. Insbesondere kann eine Leiterplatte mit einem integralen ESD-Schutz solche Komponenten nicht vor ESD-Ereignissen schützen, die eine verhältnismäßig kleine Spannung und einen damit verbundenen Strom in Sperrrichtung erzeugen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Es wird nun auf die folgende detaillierte Beschreibung Bezug genommen, die in Zusammengang mit den folgenden Figuren gelesen werden sollte, wobei gleiche Bezugszahlen gleiche Teile repräsentieren. Es zeigen:
die 1A und 1B schematisch ein als Beispiel dienendes Modul bzw. Feld, die einen ESD-Schutz aufweisen, gemäß der vorliegenden Offenbarung,
2 eine als Beispiel dienende Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz gemäß der vorliegenden Offenbarung,
3 eine als Beispiel dienende Auftragung bestimmter elektrischer Eigenschaften eines spannungsschaltbaren dielektrischen Materials gemäß der vorliegenden Offenbarung,
4 eine als Beispiel dienende ESD-Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
5 schematisch ein weiteres als Beispiel dienendes Modul mit einem ESD-Schutz gemäß der vorliegenden Offenbarung,
6 schematisch ein weiteres als Beispiel dienendes Feld mit einem ESD-Schutz gemäß der vorliegenden Offenbarung,
7 schematisch eine weitere ESD-Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
8 schematisch eine als Beispiel dienende Anordnung elektrischer Komponenten mit einem ESD-Schutz gemäß der vorliegenden Offenbarung,
9A schematisch eine weitere als Beispiel dienende Anordnung elektrischer Komponenten mit einem ESD-Schutz gemäß der vorliegenden Offenbarung,
9B ein als Beispiel dienendes Diagramm eines Querschnitts an einer Linie A aus 9A,
10 ein Blockflussdiagramm eines als Beispiel dienenden Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung und
11 einen als Beispiel dienenden Bandüberspielherstellungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Leuchtdioden (LED), ein Typ einer optoelektronischen Vorrichtung, können beschädigt werden, wenn sie einer Sperrvorspannung und einem damit verbundenen Strom, beispielsweise infolge eines Transienten-Ereignisses in der Art einer elektrostatischen Entladung (ESD) ausgesetzt werden. Tatsächlich sind moderne LED häufig sehr empfindlich für ESD-Ereignisse, welche Sperrvorspannungen und damit verbundene Ströme erzeugen, unabhängig davon, ob diese Sperrvorspannungen/diese Ströme verhältnismäßig groß oder verhältnismäßig klein sind. Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung adressieren dieses Problem durch die Verwendung einer Kombination einer Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz und einer oder mehreren Dioden für das Schützen elektronischer Komponenten in der Art von LED vor Spannungen, die während eines Transienten-Ereignisses in der Art einer elektrostatischen Entladung erzeugt werden. Wie nachstehend in Einzelheiten beschrieben wird, können solche Systeme und Verfahren empfindliche elektronische Komponenten vor Niederpegel- und Hochpegel-ESD-Ereignissen schützen.
Für den Zweck der vorliegenden Offenbarung bedeutet der Begriff ”Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz” eine Leiterplatte (beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte), welche ein intrinsisches Schutzniveau vor ESD-Ereignissen bietet, und zwar ohne die Verwendung anderer Komponenten, die an der Leiterplatte angebracht oder abgeschieden werden können, und insbesondere ohne die Verwendung einer oder mehrerer Dioden. Gemäß einigen Ausführungsformen können die hier beschriebenen Leiterplatten mit eingebettetem ESD-Schutz elektronische Komponenten vor ESD-Ereignissen schützen, welche eine Spannung erzeugen oder auf andere Weise mit sich bringen, welche eine charakteristische Spannung der Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz übersteigt. Solche ESD-Ereignisse werden hier als Hochpegel-ESD-Ereignisse oder ”Hochpegel-ESD” bezeichnet.
Der Begriff ”charakteristische Spannung” soll hier eine angelegte Spannung bedeuten, welche zumindest einen Teil der Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz ”veranlasst” oder ”dazu bringt”, von einem elektrisch nicht leitenden Zustand in einen elektrisch leitenden Zustand überzugehen. Die Begriffe ”Niederpegel-ESD” und ”Niederpegel-ESD-Ereignis” werden hier austauschbar verwendet, um ein ESD-Ereignis anzugeben, das eine Spannung erzeugt oder auf andere Weise mit sich bringt, die kleiner als eine charakteristische Spannung einer Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz ist.
Eine Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz kann beispielsweise eine charakteristische Spannung von etwa 70 V oder mehr, wie etwa 80 V, etwa 90 V, etwa 100 V, etwa 110 V, etwa 120 V oder sogar etwa 240 V, aufweisen. Deshalb kann die Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz daran angebrachte Komponenten vor Hochpegel-ESD-Ereignissen schützen, indem sie eine Spannung nebenschließt und einen damit verbundenen Strom zu einer Massefläche leitet, wie später beschrieben wird. Weil die charakteristische Spannung der Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz verhältnismäßig hoch ist, kann sie daran angebrachte Komponenten jedoch nicht vor Niederpegel-ESD-Ereignissen schützen, d. h. vor Ereignissen, die eine Spannung unterhalb von etwa 70 V oder was auch immer die charakteristische Spannung der Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz sein mag, erzeugen. Daher können Komponenten in der Art von LED, die an einer Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz angebracht sind, nach für eine Beschädigung durch ein Niederpegel-ESD-Ereignis empfindlich ein.
Um Komponenten vor Niederpegel-ESD zu schützen, können die Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung eine oder mehrere Dioden verwenden, die an einer Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz angebracht und/oder darauf abgeschieden sind. Die hier beschriebenen Dioden können eine beliebige geeignete Diode in der Art einer oberflächenmontierten Diode, einer Dünnfilmdiode (”TFD”), Kombinationen davon und der gleichen sein. Wie später beschrieben wird, kann die Diode (können die Dioden) gemäß der vorliegenden Offenbarung parallel oder in Reihe mit elektronischen Komponenten geschaltet sein. In jedem Fall kann die hier beschriebene Diode (können die hier beschriebenen Dioden.) elektrische Eigenschaften aufweisen, welche zugehörige elektronische Komponenten in der Art von LED davor schützen, einer schädlichen Spannung und schädlichen Strömen auszugesetzt zu werden, die durch Niederpegel-ESD-Ereignisse erzeugt werden.
Es wird nun auf die 1A und 1B Bezug genommen, in denen ein nicht einschränkendes Beispiel eines Moduls und eines Modulfelds gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt ist. Wie in 1A dargestellt ist, weist das Modul 100 eine Leiterplatte 102 mit eingebettetem ESD-Schutz auf, welche mehrere elektronischen Komponenten 104 trägt. Die Leiterplatte 102 mit eingebettetem ESD-Schutz trägt auch eine einzelne Diode 106, die mit mehreren elektronischen Komponenten 104 parallel oder in Reihe geschaltet ist. Wie in 1B gezeigt ist, können mehrere Module 100 zu einem Feld 110, wie es beispielsweise in einer Beleuchtungsvorrichtungskomponente vorgefunden werden kann, organisiert sein.
Die Leiterplatte 102 mit eingebettetem ESD-Schutz kann flexibel oder starr sein, und sie kann ein oder mehrere spannungsschaltbare dielektrische Materialien aufweisen, die hier auch als ein ”spannungsschaltbares Dielektrikum” oder VSD bezeichnet werden. Die Begriffe ”spannungsschaltbares dielektrisches Material”, ”spannungsschaltbares Dielektrikum”, ”spannungsschaltbares Material” und ”VSD” werden hier austauschbar verwendet, um eine Zusammensetzung oder Kombination von Zusammensetzungen zu bezeichnen, die dielektrisch oder nicht leitend sind, bis eine Spannung angelegt wird, die größer oder gleich einer charakteristischen Spannung des VSD-Materials ist, woraufhin das VSD-Material leitend wird. Mit anderen Worten werden VSD-Materialien beim Anlegen einer Spannung leitend, die größer oder gleich der charakteristischen Spannung ist (wie beispielsweise durch ein ESD-Ereignis bereitgestellt), andernfalls jedoch nicht leitend sind. Alternativ oder zusätzlich können VSD-Materialien als Materialien mit einem nicht linearen Widerstand verstanden werden.
In den hier beschriebenen Leiterplatten mit eingebettetem ESD-Schutz kann ein beliebiger Typ eines VSD-Materials verwendet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen umfassen die hier beschriebenen VSD-Materialien leitende und/oder halbleitende Teilchen, die heterogen oder homogen in einem Bindemittel in der Art eines polymerischen Bindemittels verteilt sind. Beispielsweise können die hier beschriebenen VSD-Materialien erste Teilchen und zweite Teilchen aufweisen, die in einem Bindematerial verteilt sind, wobei die zweiten Teilchen von den ersten Teilchen verschieden sind. Die ersten und die zweiten Teilchen können aus leitenden und/oder halbleitenden Teilchen ausgewählt sein.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist zumindest eines von den ersten und den zweiten Teilchen in den hier beschriebenen VSD-Materialien ein Teilchen mit einem hohen Aspektverhältnis (HAR-Teilchen). HAR-Teilchen können als Teilchen verstanden werden, deren Aspektverhältnis (größte Abmessungskleinste Abmessung, beispielsweise Länge:Durchmesser oder Länge:Querschnitt) von etwa 10:1 bis etwa 100:1 oder sogar von etwa 10:1 bis etwa 1000:1 reicht. Natürlich werden von der vorliegenden Offenbarung auch Teilchen erwogen, deren Aspektverhältnis größer ist oder innerhalb der vorstehenden Bereiche liegt, und sie können verwendet werden. Demgemäß können alle Teilchen gemäß der vorliegenden Offenbarung oder kann ein Teil davon in Form von Sphäroiden, Plättchen, Fasern (beispielsweise Nanofasern), Stäben (beispielsweise Nanostäben), Röhren (beispielsweise Nanoröhren), Kombinationen davon und dergleichen vorliegen. Nicht einschränkende Beispiele von HAR-Teilchen umfassen ein- oder mehrwändige Kohlenstoffnanoröhrchen, Carbon Black und Kohlenstofffullerene.
Alternativ oder zusätzlich zu HAR-Teilchen können die hier beschriebenen VSD-Materialien organische und/oder anorganische Teilchen umfassen, die leitend oder halbleitend sein können. Nicht einschränkende Beispiele solcher Teilchen umfassen Teilchen, die aus Kupfer, Nickel, Gold, Silber, Kobalt, Zinkoxid, Zinnoxid, Indiumzinnoxid, Indiumzinkoxid, Wismutoxid, Ceroxid, Antimonzinkoxid, Silicium, Siliciumcarbid, Titandioxid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Nickeloxid, Zinkoxid, Zinksulfid, Wismutoxid, Ceroxid, Eisenoxid, Metallen und/oder Komplexen, die aus Oxiden, Metallnitriden, Metallcarbiden, Metallboriden, Metallsulfiden, Kombinationen davon und dergleichen ausgewählt sind, bestehen oder diese aufweisen. Ohne Einschränkung können Teilchen, die in den hier beschriebenen VSD-Materialien enthalten sind, eine Kombination von metallisch leitenden Teilchen mit halbleitenden Teilchen, einschließlich eines oder mehrerer von Silicium, Siliciumcarbid, Titandioxid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Nickeloxid, Zinkoxid, Zinksulfid, Wismutoxid, Ceroxid, Eisenoxid, Metall und/oder aus Oxiden, Metallnitriden, Metallcarbiden, Metallboriden und Metallsulfiden ausgewählten Komplexen, umfassen.
Ein beliebiger geeigneter Typ eines Bindemittels kann in den hier beschriebenen VSD-Materialien verwendet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Bindemittel eines oder mehrere von einem Siliciumpolymer, einem Phenolharz, einem Epoxidharz, einem Polyurethan, Poly(meth)acrylat, einem Polyamid, einem Polyester, einem Polycarbonat, einem Polyacrylamid, einem Polyimid, Polyethylen, Polypropylen, Polyphenylenoxid, Polysulphon, Sol-Gel-Materialien, Kerameren, Kombinationen davon und dergleichen aufweisen.
Ohne Einschränkung können bevorzugte VSD-Materialien, die gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, jene einschließen, die in US-Patent 7 695 644 beschrieben sind, dessen gesamter Inhalt hier durch Verweis aufgenommen ist.
Es wird nun auf 2 Bezug genommen, welche ein nicht einschränkendes Beispiel einer Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz zeigt, welche gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann. Wie gezeigt ist, umfasst die Leiterplatte 200 mit eingebettetem ESD-Schutz eine Massefläche 202, eine Schicht aus VSD-Material 204 und eine optionale zweite Schicht 206. Im Allgemeinen stellt die Massefläche 202 einen Leitungsweg zur elektrischen Masse bereit. Demgemäß kann die Massefläche 202 beispielsweise ein leitendes Material wie Kupfer, Silber, Gold, Aluminium oder dergleichen aufweisen oder daraus bestehen. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die Massefläche 202 eine Kupferlage, eine Kupferschicht oder eine Schicht eines anderen leitenden Materials auf oder innerhalb eines Substrats in der Art eines faserverstärkten Verbundstoffs.
Gemäß der erläuterten Ausführungsform ist das VSD-Material 204 auf der Massefläche 202 vorhanden. Im Interesse der Einfachheit und zum Erleichtern des Verständnisses ist das VSD-Material 204 in 2 als eine kontinuierliche Schicht in direktem Kontakt mit der Massefläche 202 dargestellt. Es ist jedoch zu verstehen, dass das VSD-Material 204 eine beliebige gewünschte Konfiguration aufweisen kann. Beispielsweise kann das VSD-Material 204 auf isolierten Bereichen der Massefläche 202, in einem Muster auf der Massefläche 202, Kombinationen davon und dergleichen abgeschieden werden. Ebenso braucht das VSD-Material 204 nicht in direktem Kontakt mit der Massefläche 202 zu stehen. Beispielsweise kann das VSD-Material 204 fern von der Massefläche 202 angeordnet sein, jedoch in elektrischem Kontakt mit der Massefläche 202 stehen, beispielsweise durch einen oder mehrere Drahte, Bondkontaktstellen, Kontakte, Kombinationen davon und dergleichen.
Elektronische Komponenten (nicht dargestellt) können auf die Leiterplatte 200 mit eingebettetem ESD-Schutz gebondet oder auf andere Weise darauf aufgebracht werden. Gemäß einigen Ausführungsformen können diese Komponenten direkt an das VSD-Material 204 gebondet werden. Alternativ oder zusätzlich können solche Komponenten an die optionale zweite Schicht 206 auf leitendem Material (beispielsweise Kupfer, Silber, Gold, Aluminium und dergleichen) gebondet werden, welches selbst an VSD-Material 204 gebondet; angeheftet oder auf andere Weise damit in elektrischem Kontakt stehen kann.
Wie zuvor erklärt wurde, können die hier beschriebenen VSD-Materialien beim Anlegen einer Spannung, die über ihrer charakteristischen Spannung liegt, von einem nicht leitenden Zustand in einen leitenden Zustand übergehen. Dieses Konzept ist in 3 allgemein dargestellt, wobei es sich um eine als Beispiel dienende Auftragung der grundlegenden elektrischen Eigenschaften der hier beschriebenen VSD-Materialien handelt. Allgemein ist die charakteristische Spannung (Auslösespannung) der Spannungspegel, bei dem das VSD-Material leitend wird. Vor dem Anlegen von Vein, welche die charakteristische Spannung (Auslösespannung) überschreitet, ist das VSD-Material nicht leitend. Die Klemmenspannung (KlemmenV) in der Graphik ist der Spannungspegel, der erforderlich ist, um das VSD-Material in einem leitenden Zustand zu halten, sobald das Material in einen solchen Zustand übergegangen ist. Im Allgemeinen ist KlemmenV kleiner als die charakteristische Spannung (AuslöseV).
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die in den hier beschriebenen Leiterplatten mit eingebettetem ESD-Schutz verwendeten VSD-Materialien so gewählt, dass ihre charakteristische Spannung eine Betriebsspannung einer elektronischen Schaltung in Zusammenhang mit einer oder mehreren elektronischen Komponenten, beispielsweise den elektronischen Komponenten 104 aus 1, überschreitet. Mit anderen Worten kann die charakteristische Spannung so gewählt werden, dass das VSD-Material während des Normalbetriebs der Schaltung nicht leitend ist, jedoch leitend wird, wenn das Substrat einem Hochpegel-ESD-Ereignis ausgesetzt wird.
Die charakteristische Spannung der hier beschriebenen VSD-Materialien kann in großen Bereichen variieren. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die charakteristische Spannung der hier beschriebenen VSD-Materialien größer oder gleich etwa 28 V. größer oder gleich etwa 40 V, größer oder gleich etwa 50 V, größer oder gleich etwa 60 V, größer oder gleich etwa 70 V, größer oder gleich etwa 80 V, größer oder gleich etwa 120 V oder sogar größer oder gleich etwa 240 V. Natürlich dienen solche Werte nur als Beispiel, und VSD-Materialien mit charakteristischen Spannungen, die oberhalb, unterhalb und innerhalb der vorstehenden Werte liegen, sind von der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Gemäß einigen Ausführungsformen überschreitet die charakteristische Spannung eine Sperrvorspannung, welche eine elektronische Komponente in der Art einer LED beschädigen würde.
Die charakteristische Spannung der hier beschriebenen VSD-Materialien kann auch in Bezug auf die Spannung pro Einheit des Zwischenraums und/oder der Materialdicke verstanden werden. Demgemäß können die hier beschriebenen VSD-Materialien beispielsweise eine charakteristische Spannung aufweisen, die größer oder gleich etwa 14 V/mil ist, beispielsweise größer oder gleich etwa 15 V/mil, größer oder gleich etwa 20 V/mil oder sogar größer oder gleich etwa 25 V/mil (mil = 0,001 Zoll oder 0,0254 mm). Wenn demgemäß ein VSD-Material mit einer charakteristischen Spannung von 14 V/mil über einem 5 mil (0,005 Zoll) messenden Zwischenraum aufgebracht wird (eine typische minimale Zwischenraumbreite für eine mit 1 Unze Kupfer plattierte Leiterplatte), beträgt die charakteristische Spannung des VSD-Materials etwa 70 V. Das heißt, dass das VSD beim Anlegen einer Spannung, die etwa +/– 70 V überschreitet, welche sich beispielsweise aus einem ESD-Ereignis ergibt, von einem nicht leitenden Zustand in einen leitenden Zustand wechselt.
Im Interesse der Erläuterung und des einfachen Verständnisses beschreibt die vorliegende Offenbarung nun den Betrieb einer nicht einschränkenden Ausführungsform, wobei die Leiterplatte 200 mit eingebettetem ESD-Schutz in 2 als die Leiterplatte 102 mit eingebettetem ESD-Schutz aus 1A verwendet wird. Es sei bemerkt, dass diese Beschreibung gleichermaßen für andere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gelten kann (wie beispielsweise in den 5, 6, 8 und 9A dargestellt ist).
Gemäß dieser als Beispiel dienenden Ausführungsform kann eine Spannung Vein an die Leiterplatte 102, 200 mit eingebettetem ESD-Schutz angelegt werden, um elektronische Komponenten 104, die daran gebondet oder auf andere Weise elektrisch damit verbunden sind, in diesem Fall LED, anzusteuern. Ohne Einschränkung ist die während des Normalbetriebs angelegte Spannung Vein vorzugsweise kleiner als die charakteristische Spannung (beispielsweise 70 V oder mehr) des VSD-Materials 204, das in der Leiterplatte 102, 200 mit eingebettetem ESD-Schutz enthalten ist oder diese bildet. In diesen Fällen bleibt das VSD-Material 204 während des Normalbetriebs der Leiterplatte 102, 200 in einem nicht leitenden Zustand. Beim Auftreten eines Hochpegel-ESD-Ereignisses kann Vein (die eine Durchlass- oder eine Sperrvorspannung sein kann) die charakteristische Spannung des VSD-Materials 204 übersteigen, wodurch bewirkt wird, dass das VSD-Material 204 aus einem nicht leitenden in einen leitenden Zustand übergeht. In diesem leitenden Zustand kann das VSD-Material 204 eine Spannung und/oder einen Strom, die oder der während des Hochpegel-ESD-Ereignisses erzeugt wird, zur Massefläche 202 ableiten, wodurch verhindert wird, dass die Spannung und der Strom die Komponenten 104 erreichen. Auf diese Weise kann das VSD-Material 204 in der Leiterplatte 102, 200 mit eingebettetem ESD-Schutz die elektronischen Komponenten 104 auf der Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz vor einer möglicherweise schädlichen Spannung und vor möglicherweise schädlichen Strömen schützen, die während eines Hochpegel-ESD-Ereignisses erzeugt werden.
Zu den 1A und 1E zurückkehrend sei bemerkt, dass die Komponenten 104 von einem beliebigen Komponententyp sein können, der für eine Beschädigung durch eine Spannung und/oder einen Strom anfällig ist, welcher während eines transienten Ereignisses in der Art eines Hochpegel- oder Niederpegel-ESD-Ereignisses erzeugt wird. Gemäß einigen Ausführungsformen liegen elektronische Komponenten in Form von Leuchtdioden vor. In dieser Hinsicht sei bemerkt, dass moderne LED und andere elektronische Komponenten beschädigt werden können, indem sie Sperrvorspannungen und damit verbundenen Strömen ausgesetzt werden, selbst wenn diese Sperrvorspannung/dieser Strom verhältnismäßig klein ist. Im Fall von LED können die elektronischen Komponenten 104 beispielsweise beschädigt werden, indem sie einer Sperrvorspannung ausgesetzt werden, die größer als 0 und kleiner oder gleich etwa 70 V ist und beispielsweise zwischen 0 und etwa 60 V. zwischen 0 und etwa 50 V, zwischen 0 und etwa 40 V, zwischen 0 und etwa 30 V, zwischen 0 und etwa 20 V, zwischen 0 und etwa 15 V, zwischen 0 und etwa 14 V, zwischen 0 und etwa 10 V, zwischen 0 und etwa 5 V oder sogar zwischen 0 und etwa 3 V liegt. Gemäß einigen Ausführungsformen können elektronische Komponenten 104 (beispielsweise LED) beschädigt werden, indem sie Sperrvorspannungen ausgesetzt werden, die zwischen 0 und etwa 70 V, zwischen etwa 1 und etwa 70 V, etwa 2 und etwa 70 V, etwa 3 und etwa 70 V, etwa 4 und etwa 70 V, etwa 5 und etwa 70 V oder sogar etwa 10 und etwa 70 V liegen. In einigen Fällen wird eine Spannung (Durchlass- oder Sperrvorspannung), welche eine Komponente beschädigen kann, hier als erster Spannungspegel bezeichnet.
In vielen Fällen kann die charakteristische Spannung einer Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz den ersten Spannungspegel (Durchlass- oder Sperrvorspannung) überschreiten, dem die elektrischen Komponenten 104 widerstehen können, ohne beschädigt zu werden. Wie zuvor erwähnt wurde, kann beispielsweise eine Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz ein VSD-Material mit einer charakteristischen Spannung von etwa 70 V aufweisen. Dabei kann die Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz elektrisch damit verbundene Komponenten vor Hochpegel-ESD-Ereignissen schützen, d. h. Ereignissen, die Spannungspegel von etwa 70 V oder mehr erzeugen, wie zuvor beschrieben wurde. Die Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz kann Niederpegel-ESD-Ereignisse jedoch nicht abmildern, die Spannungspegel erzeugen, welche unterhalb der charakteristischen Spannung der Leiterplatte/des VSD-Materials liegen, die jedoch noch höher sein können als der erste Spannungspegel. Mit anderen Worten kann das VSD-Material im Substrat 102, 200 mit eingebettetem ESD-Schutz während eines Niederpegel-ESD-Ereignisses in einem nicht leitenden Zustand bleiben, wodurch ermöglicht wird, dass eine Spannung und ein Strom (in Durchlass- und/oder in Sperrrichtung), die während dieses Ereignisses erzeugt werden, elektronische Komponenten 104 erreichen.
Um elektronische Komponenten 104 vor Niederpegel-ESD-Ereignissen zu schützen, ist die Diode 106 an der Leiterplatte 102 mit eingebettetem ESD-Schutz montiert oder auf andere Weise daran angebracht und parallel zu den Komponenten 104 oder in Reihe damit geschaltet. Die Diode 106 kann eine beliebige geeignete Diode in der Art einer oberflächenmontierten Diode, einer Dünnfilmdiode (”TFD”) oder dergleichen sein, vorausgesetzt, dass sie geeignete elektrische Eigenschaften aufweist, um zu ermöglichen, dass sie die Komponenten 104 vor Niederpegel-ESD-Ereignissen schützt, Beispielsweise kann in Fällen, in denen die Diode 106 parallel zu den Komponenten 104 geschaltet ist, die Diode 106 eine Zener-Diode sein, die eine Spitzenspannung in Sperrrichtung (d. h. eine maximale Nenn-Sperrvorspannung) aufweist, welche es ermöglicht, dass sie die Komponenten 104 vor einer möglicherweise schädlichen während eines Niederpegel-ESD-Ereignisses erzeugten Spannung schützt. In Fällen, in denen die Diode 106 in Reihe mit Komponenten 104 geschaltet ist, kann die Diode 106 verhindern, dass ein möglicherweise schädlicher Strom und/oder eine möglicherweise schädliche Spannung, der oder die während eines Niederpegel-ESD-Ereignisses erzeugt wird, Komponenten 104 erreicht.
Gemäß einigen Ausführungsformen können die Dioden gemäß der vorliegenden Offenbarung so ausgelegt sein, dass sie Komponenten vor Niederpegel-ESD-Ereignissen schützen können, welche Sperrvorspannungen erzeugen, die von größer als 0 bis etwa 70 V, etwa 1 bis kleiner oder gleich etwa 70 V, etwa 2 bis kleiner oder gleich etwa 70 V, etwa 3 bis kleiner oder gleich etwa 70 V, etwa 4 bis kleiner oder gleich etwa 70 V, etwa 5 bis kleiner oder gleich etwa 70 V oder sogar etwa 10 bis kleiner oder gleich etwa 70 V reichen. Beispielsweise können die hier beschriebenen Dioden die Übertragung der Sperrvorspannung (beispielsweise oberhalb eines ersten Spannungspegels) und des damit verbundenen Stroms auf empfindliche elektronische Komponenten in der Art von LED blockieren, während sie es ermöglichen, dass die Sperrvorspannung und der damit verbundene Strom durchgelassen werden.
Wiederum zu 1 zurückkehrend sei bemerkt, dass das Modul 100 wie gezeigt eine einzige Diode 106 aufweist, die dafür verantwortlich ist, mehrere Komponenten 104 vor Niederpegel-ESD-Ereignissen zu schützen. Insbesondere ist gemäß dieser dargestellten Ausführungsform eine (1) Diode 106 dafür verantwortlich, zwölf (12) LED 104 vor Niederpegel-ESD-Ereignissen zu schützen. Dieses Konzept wird in 1B weitergeführt, wo das Feld 110 mehrere Module 100 aufweist, die jeweils eine einzige Diode 106 für das Schützen mehrerer LED aufweisen.
Wie vorstehend erwähnt wurde, kann die Diode 106 parallel zu Komponenten 104 geschaltet werden. Dieses Konzept ist allgemein in 4 dargestellt, wo eine ESD-Schutzschaltung 400 eine Kette von Komponenten 104 aufweist (in diesem Fall LED), die parallel zur Diode 106, beispielsweise einer Zener-Diode, geschaltet sind. In diesem Fall kann die Diode 106 eine Spitzenspannung in Sperrrichtung aufweisen, die kleiner ist als die charakteristische Spannung der darunter liegenden Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz und kleiner als ein erster Spannungspegel, bei dem eine oder mehrere Komponenten 104 beschädigt werden wurden. Falls Komponenten 104 beispielsweise durch Sperrvorspannungen beschädigt werden würden, die größer oder gleich 4 V sind, kann die Diode 106 so ausgelegt werden, dass sie eine Spitzenspannung in Sperrrichtung von weniger als 4 V aufweist. Falls eine Spannung (durch eine Niederpegel-ESD erzeugt) die Spitzenspannung der Diode 106 in Sperrrichtung übersteigt, kann die Diode 106 die Spannung auf einen sicheren Pegel für die Komponenten 104 klemmen und jegliche Spannung oberhalb ihrer Klemmenspannung abführen.
Wenngleich die in den 1A, 1B und 4 dargestellten Konfigurationen für einige Anwendungen wirksam sind, kann der Grad des von der Diode 106 bereitgestellten ESD-Schutzes mit dem Abstand von einer oder mehreren der Komponenten 104 abnehmen. Das heilt, dass mit zunehmendem Abstand zwischen der Diode 106 und einer Komponente 104 der Betrag des ESD-Schutzes, den die Diode 106 für eine solche Komponente bereitstellen kann, abnehmen kann. Die Diode 106 kann überdies Komponenten 104 in einer Schaltung nicht vor Niederpegel-ESD-Ereignissen schützen, die in bestimmten Gebieten innerhalb der Schaltung auftreten, wie zwischen jeweiligen Komponenten 104 in 4.
Ein Mechanismus für das Adressieren dieses Problems besteht darin, die Anzahl der Dioden zu erhöhen, die einen Niederpegel-ESD-Schutz für zugehörige elektronische Komponenten bereitstellen. In dieser Hinsicht sieht die vorliegende Offenbarung ESD-Schutzschaltungen vor, die ein Verhältnis von ESD-Schutzdioden zu zugehörigen elektronischen Komponenten aufweisen, das etwa 1:10, 1:5, 12, 11, 2:1, 3:1, 5:1, 10:1, 100:1 oder sogar etwa 1000:1 oder mehr beträgt. Natürlich dienen diese Verhältnisse nur als Beispiel, und es kann gemäß der vorliegenden Offenbarung ein beliebiges Verhältnis zwischen ESD-Schutzdioden und elektronischen Komponenten verwendet werden.
Für nicht einschränkende Erläuterungen dieses Konzepts wird auf die 5 und 6 Bezug genommen, worin ein anderes als Beispiel dienendes Modul und Feld gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt sind. Wie dargestellt ist, weisen das Modul 500 und das Feld 610 eine Leiterplatte 102 mit eingebettetem ESD-Schutz auf, welche mehrere elektronische Komponenten 104 und mehrere Dioden 106 tragen. Die allgemeine Natur und Funktion jeder dieser Komponenten gleichen jenen, die vorstehend in Zusammenhang mit der in den 1A und B gezeigten Ausführungsform beschrieben wurden, und sie werden hier im Interesse der Kürze nicht wiederholt.
Wie in 5 gezeigt ist, ist jeder Komponente 104 eine einzige Diode 106 zugeordnet, welche sie vor Niederpegel-ESD-Ereignissen schützt. Demgemäß beträgt das Verhältnis zwischen Dioden 106 und Komponenten 104 gemäß der dargestellten Ausführungsform 1:1. Auf diese Weise wird jede Komponente durch eine entsprechende Diode geschützt, wodurch ein erhöhtes Niveau an Niederpegel-ESD-Schutz gegenüber den in den 1A und 1B dargestellten Ausführungsformen geboten werden kann, wobei eine einzige Diode 106 für das Schützen mehrerer Komponenten 104 verantwortlich ist.
Um den Niederpegel-ESD-Schutz werter zu verbessern, kann eine noch größere Anzahl von Dioden verwendet werden, um einzelne Komponenten zu schützen. Dieses Konzept ist in 6 dargestellt, wobei das als Beispiel dienende Feld 610 von Modulen (nicht markiert) jeweils ein Substrat 102 mit eingebettetem ESD-Schutz, mehrere Komponenten 104 und mehrere Dioden 106 aufweist. Insbesondere wird jede Komponente 104 durch 16 Dioden 106 vor Niederpegel-ESD-Ereignissen geschützt. Natürlich dient die Anzahl der in 6 dargestellten Dioden nur als Beispiel, und es kann eine beliebige Anzahl von Dioden verwendet werden. In jedem Fall kann es die Erhöhung der Anzahl der Dioden Entwicklern ermöglichen, so viele ESD-Schutzpunkte wie nötig in einer Schaltung anzuordnen. Tatsächlich kann dies Entwicklern ermöglichen, Untergebiete einer Schaltung mit einer oder mehreren Dioden zu schützen, um ein gewünschtes Niveau eines ESD-Schutzes zu erreichen. Wie verständlich sein wird, kann hierdurch der Schutz von Komponenten 104 vor Niederpegel-ESD-Ereignissen verbessert werden.
Wie zuvor erwähnt wurde, können die Dioden gemäß der vorliegenden Offenbarung in Reihe mit einer oder mehreren elektrischen Komponenten geschaltet werden. 7 ist eine als Beispiel dienende Darstellung dieses Konzepts. Wie gezeigt ist, umfasst die Schaltung 700 eine Spannungsquelle 708, mehrere elektrische Komponenten (in diesem Fall LED) 104', 104'', 104''' und mehrere Dioden 106', 106'', 106'''. Jede Komponente ist in Reihe mit einer komplementären Diode geschaltet. Gemäß dieser Ausführungsform kann jede Diode dafür ausgelegt sein, einen Sperrvorspannungsdurchbruch im Fall eines Niederpegel-ESD-Ereignisses zu verhindern. Das heißt, dass jede Diode eine Spitzenspannung in Sperrrichtung (d. h. eine maximale Nenn-Sperrvorspannung) aufweisen kann, welche ausreicht, um einer Sperrvorspannung zu widerstehen, die kleiner ist als die charakteristische Spannung einer Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz. Daher kann eine zugehörige Komponente durch das Vorhandensein der Diode wirksam davor geschützt werden, einer schädlichen Spannung während Niederpegel-ESD-Ereignissen ausgesetzt zu werden.
Beispielsweise kann ein Niederpegel-ESD-Ereignis 701 zwischen den Komponenten 104' und 104'' an einem Punkt A auftreten. Bei Nichtvorhandensein der Diode 106' kann das Niederpegel-ESD-Ereignis 701 eine Spannung und einen Strom erzeugen, die sich entgegen dem Uhrzeigersinn um die Schaltung 700, d. h. in einer Sperrspannungsrichtung, ausbreiten könnten, wodurch die Komponente 104' beschädigt werden wurde. infolge des Vorhandenseins der Diode 106' werden die Spannung und der Strom, welche durch das Niederpegel-ESD-Ereignis 701 erzeugt werden, jedoch dazu gezwungen, sich entgegen dem Uhrzeigersinn (d. h. in Durchlassrichtung) auszubreiten, wie allgemein durch eine Linie B angegeben ist. Wenngleich die Komponenten 104'' und 104''' dadurch einer erhöhten Durchlassvorspannung und einem entsprechenden Strom ausgesetzt werden könnten, könnten diese Komponenten in der Lage sein, diese Bedingungen zu tolerieren. Dies gilt insbesondere im Fall moderner LED, die empfindlich für eine Sperrvorspannung sein können, jedoch eine höhere Toleranz für eine Durchlassvorspannung haben.
Wenngleich 7 die Schaltung 700 als eine einzige komplementäre Diode für jede Komponente aufweisend zeigt, ist zu verstehen, dass diese Konfiguration nur als Beispiel dient und dass eine beliebige Anzahl von Dioden verwendet werden kann. Beispielsweise kann die Schaltung 700 so ausgelegt sein, dass sie mehrere komplementäre Dioden für jede Komponente 104', 104'', 104''' aufweist. Solche Dioden können sich beispielsweise zwischen den Komponenten 104' und 104'', zwischen den Komponenten 104'' und 104''' und/oder zwischen der Komponente 104''' und der Anode der Spannungsquelle 708 befinden.
Wie zuvor erwähnt wurde, können die Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung eine beliebige geeignete Diode verwenden, um elektronische Komponenten vor Niederpegel-ESD-Ereignissen zu schützen, einschließlich oberflächenmontierter Dioden und Dünnfilmdioden. Wie verständlich sein wird, können oberflächenmontierte Dioden bestimmte Eigenschaften aufweisen, die ihre Nützlichkeit bei Anwendungen eines elektrostatischen Entladungsschutzes begrenzen können. Beispielsweise weisen oberflächenmontierte Dioden eine verhältnismäßig hohe Größe auf und können demgemäß eine erhebliche Nutzfläche an der Oberfläche einer gedruckten Leiterplatte einnehmen. Die Anzahl der oberflächenmontierten Dioden, die bei einer Anwendung eines elektrostatischen Entladungsschutzes verwendet werden kann, kann daher durch die Größe des verfügbaren Raums beschränkt sein, welcher der Diodenanordnung zugeordnet werden kann. Oberflächenmontierte Dioden erfordern häufig auch die Verwendung einer Bestückungstechnologie, wobei einzelne Dioden manuell oder automatisch in gewünschten Gebieten einer Leiterplatte angeordnet werden. Wenngleich die Bestückungstechnologie eine mögliche Technik für die Herstellung elektronischer Bauteile ist, kann sie zeitaufwendig sein, insbesondere wenn große Anzahlen von Dioden in einer elektronischen Vorrichtung angeordnet werden. Überdies können oberflächenmontierte Dioden und die Bestückungstechnologie nicht das Anordnen von Dioden an bestimmten gewünschten Schaltungsstellen für den ESD-Schutz erlauben.
Ohne Einschränkung liegen die hier beschriebenen Dioden demgemäß vorzugsweise in Form von Dünnfilmdioden (TFD) vor, die auf einer Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz abgeschieden oder auf andere Weise darauf angebracht werden. Im Gegensatz zu oberflächenmontierten Dioden sind TFD verhältnismäßig klein und können leicht in großen Anzahlen über einer breiten Fläche abgeschieden werden. Daher kann die Anzahl der TFD, die in eine ESD-Schutzschaltung aufgenommen werden können, praktisch unbegrenzt sein.
In den Systemen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung kann ein beliebiger TFD-Typ verwendet werden, solange er geeignete elektrische Eigenschaften für die Verwendung in ESD-Schutzanwendungen hat. Demgemäß können die hier beschriebenen TFD beispielsweise als eine Zener-Diode mit einer Sperrdurchbruchspannung ausgelegt sein, die dafür geeignet ist, eine oder mehrere elektronische Komponenten vor Niederpegel-ESD-Ereignissen zu schützen, wie vorstehend beschrieben wurde. Alternativ oder zusätzlich können die beschriebenen TFD dafür ausgelegt sein, einer Sperrvorspannung und/oder einem entsprechenden Strom auf einem Pegel zu widerstehen, der eine oder mehrere Komponenten beschädigen würde, für deren Schutz die TFD angeordnet wurde.
Gemäß einigen Ausführungsformen umfassen die hier beschriebenen TFD wenigstens eine Schicht aus einem n-dotierten halbleitenden Material und wenigstens eine Schicht aus einem p-dotierten halbleitenden Material. Jeder beliebige geeignete Typ eines n- oder p-dotierten halbleitenden Materials kann verwendet werden. Beispielsweise kann das n- oder p-dotierte halbleitende Material ein anorganisches Material, ein organisches Material (beispielsweise ein halbleitendes Polymer) oder eine Kombination davon sein. Gemäß einigen Ausführungsformen sind sowohl das n-dotierte als auch das p-dotierte halbleitende Material beide organische Materialien, beispielsweise halbleitende p- und n-dotierte Polymere. Als ein nicht einschränkendes Beispiel eines n-dotierten halbleitenden Polymers, das verwendet werden kann, sei Poly(2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-(l-cyanovinylen)phenylen (”CN-PPV”) erwähnt. Ein nicht einschränkendes Beispiel eines p-dotierten halbleitenden Polymers, das verwendet werden kann, umfasst Polypyrrol-(PPy) und Poly(3,4,ethylendioxythiophen) (PEDOT).
Die hier beschriebenen TFD können in irgendeiner geeigneten Weise auf einer Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz abgeschieden werden. Beispielsweise können eine oder mehrere TFD-Schichten durch Aerosolstrahlen, atomare Schichtabscheidung (ALD), räumliche atomare Schichtabscheidung (S-ALD), chemische Dampfabscheidung (CVD), metallorganische CVD, gepulste Laserabscheidung (PLD), Sputtern, Direktschreiben (beispielsweise durch positiven Versatz), Drucken. (beispielsweise Tintenstrahldrucken), Kombinationen davon und dergleichen auf einer Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz abgeschieden werden. Gemäß einigen Ausführungsformen sind die hier beschriebenen Dünnfilmdioden organische Dioden, die durch einen Druckprozess in der Art eines Tintenstrahldrucks abgeschieden werden. Gemäß anderen nicht einschränkenden Ausführungsformen sind die hier beschriebenen Dünnfilmdioden anorganische Dioden, die durch atomare Schichtabscheidung abgeschieden werden.
Wie Fachleute verstehen werden, weist jeder dieser Abscheidungsprozesse mehrere zugeordnete Parameter auf, deren Nennwerte ausgewählt und/oder eingestellt werden können, um eine Dünnfilmstruktur mit einer oder mehreren gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Hier bedeutet die Verwendung des Begriffs ”nominell” oder ”Nenn-”, wenn er sich auf einen Betrag bezieht, einen festgelegten oder theoretischen Betrag, der vom tatsächlichen Betrag abweichen kann. Beispielsweise umfassen Prozessparameter in Zusammenhang mit einer gepulsten Laserabscheidung die Temperatur, den Abscheidungsdruck, die Laserwiederholungsrate, die Gesamtanzahl der Laserpulste und die Gasumgebung für das Wachstum der Filme, beispielsweise N₂, H₂, Ar oder Formiergas. Der Nennwert (die Nennwerte) eines oder mehrerer gewählter Parameter kann (können) vom Substratmaterial, von der gewünschten Dicke der Dünnfilmstruktur und/oder von einer gewünschten Oberflächeneigenschaft (beispielsweise gleichmäßig oder ungleichmäßig) der Dünnfilmstruktur abhängen. Der Nennwert (die Nennwerte) der Parameter kann (können) während des Abscheidungsprozesses eingestellt werden, um dadurch eine oder mehrere Eigenschaften der Dünnfilmstruktur zu ändern. In jedem Fall können die vorstehenden Abscheidungstechniken das Abscheiden von TFD direkt auf einem Substrat mit eingebettetem ESD-Schutz an einem gewünschten Ort ermöglichen. Dadurch können Schaltungsentwickler so viele ESD-Schutzpunkte wie erforderlich anordnen, wodurch nach Wunsch einige oder alle Komponenten auf einer Schaltung geschützt werden.
8 zeigt eine weitere nicht einschränkende Ausführungsform einer ESD-Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Wie gezeigt ist, umfasst eine Schaltung 800 eine Spannungsquelle 708, mehrere Komponenten 104, die an jeweilige Substrate (Leiterbahnen) 200 mit eingebettetem ESD-Schutz gebondet oder auf andere Weise daran angeheftet wurden, und mehrere Dünnfilmdioden (TFD) 106. Gemäß dieser Ausführungsform können die Komponenten 104 Leuchtdioden sein, wie Galliumnitrid-LED, jedoch ohne Einschränkung darauf. Natürlich dient die Verwendung von Galliumnitrid-LED nur als Beispiel, und es kann jeder beliebige Typ von LED oder jede beliebige Kombination von LED-Typen als Komponenten 104 verwendet werden.
Drähte 801 verbinden einzelne Komponenten 104 mit Bondkontaktstellen 812 der Leiterplatte 200 mit eingebettetem ESD-Schutz. Dabei kann 8 als ein drahtgebondetes Feld von Komponenten 104 zeigend verstanden werden. Wie in dieser Ausführungsform gezeigt ist, werden die TFD 106 so gebildet, dass sie an die Bondkontaktstellen 812 der ESD angrenzen. Das Anordnen in dieser Weise kann ermöglichen, dass die TFD 106 die Komponenten 104 angemessen vor Sperrvorspannungen schützen, die während Niederpegel-ESD-Ereignissen erzeugt werden, wie zuvor beschrieben wurde. Überdies kann die dichte Anordnung der TFD 106 an den Bondkontaktstellen 812 das Auftreten von ESD-Ereignissen zwischen den jeweiligen TFD und Bondkontaktstellen verhindern.
Natürlich sind die Systeme und verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht auf das Bereitstellen eines ESD-Schutzes bei drahtgebondeten Anwendungen beschränkt. Tatsächlich können TFD in Zusammenhang mit einer Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz zum Bereitstellen eines ESD-Schutzes bei jeder beliebigen geeigneten Anwendung verwendet werden. In dieser Hinsicht wird auf die 9A und 9B Bezug genommen, wobei eine weitere als Beispiel dienende ESD-Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt ist. Ebenso wie die anderen Ausführungsformen umfasst die Schaltung 900 in 9A eine Spannungsquelle 708 und mehrere Leiterplatten (Leiterbahnen) 200 mit eingebettetem ESD-Schutz. Ein Zwischenraum 905 befindet sich zwischen jeweiligen Leiterplatten/Leiterbahnen 200 mit eingebettetem ESD-Schutz. Eine Komponente 400, beispielsweise eine Leuchtdiode, überbrückt jeden Zwischenraum. Dabei kann 9A als eine ”Flip-Chip”- oder ”Direktanbringungs”-Konfiguration zeigend verstanden werden.
Wie in 9A dargestellt ist, wird jede Komponente 104 auf ihrer Anodenseite durch eine TFD 106 geschützt. Die TFD 106 kann an einer beliebigen Position auf der Leiterplatte 200 mit eingebettetem ESD-Schutz abgeschieden/angeordnet sein. Ohne Einschränkung werden die TFD 106 jedoch vorzugsweise in der Nähe ihrer jeweiligen Komponenten angeordnet. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den TFD 106 und ihren jeweiligen Komponenten kleiner oder gleich etwa 5 mm, kleiner oder gleich etwa 2,5 mm, kleiner oder gleich etwa 1 mm, kleiner oder gleich etwa 500 Mikrometer, kleiner oder gleich etwa 100 Mikrometer oder weniger sein. Durch das Anordnen einer TFD in der Nähe ihrer jeweiligen Komponente kann das Risiko verringert werden, dass Niederpegel-ESD-Ereignisse zwischen der TFD und ihrer Komponente auftreten. In jedem Fall kann die TFD 106 ihre jeweilige Komponente 104 vor Sperrvorspannungen schützen, die sich später ergeben, beispielsweise infolge eines Niederpegel-ESD-Ereignisses.
9B ist eine Schnittansicht eines Elements der Schaltung 900 entlang einer Linie A aus 9. Wie in dieser Schnittansicht gezeigt ist, umfasst das Substrat 200 mit eingebettetem ESD-Schutz die Massefläche 202 und das VSD-Material 204. Die Natur und die Funktionsweise dieser Komponenten wurden zuvor in Zusammenhang mit 2 beschrieben, und dies wird hier aus Gründen der Kürze nicht wiederholt. Die TFD 106 umfasst leitende Schichten 907, eine n-dotierte Halbleitermaterialschicht 909 (”n-dotierte Schicht 909”) und eine p'-dotierte Halbleiterschicht 911 (”p-dotierte Schicht 911”). Die leitenden Schichten 907 können aus einem beliebigen leitenden Material, beispielsweise Kupfer, Aluminium, Gold, Silber, Kombinationen davon und dergleichen bestehen. Die n-dotierte Schicht 909 und die p-dotierte Schicht 911 können aus einem beliebigen n-dotierten Halbleitermaterial und p-dotierten Halbleitermaterial bestehen, wie zuvor beschrieben wurde. Gemäß einigen Ausführungsformen besteht die n-dotierte Schicht 909 aus Poly[2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-(1-cyanovinylen)phenylen (”CN-PPV”), und besteht die p-dotierte Schicht 911 aus Polypyrrol-(PPy) oder Poly(3,4,ethylendioxythiophen) (PEDOT).
Wie verständlich sein wird, können die leitenden Schichten 907 durch einen beliebigen Abscheidungsprozess gebildet werden, der für das Abscheiden leitender Materialien geeignet ist, wie Sputtern, chemische Dampfabscheidung, physikalische Dampfabscheidung, atomare Schichtabscheidung, Kombinationen davon und dergleichen, jedoch ohne Einschränkung darauf. Ähnlich können die n-dotierte Schicht 909 und die p-dotierte Schicht 911 unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Abscheidungstechnik gebildet werden. Falls die n-dotierte Schicht 909 und die p-dotierte Schicht 911 beispielsweise aus organischen Materialien in der Art der zuvor beschriebenen Polymere bestehen, können sie unter Verwendung einer Drucktechnik (beispielsweise Tintenstrahldruck, Sprühen usw.), durch chemische Dampfabscheidung, physikalische Dampfabscheidung, Kombinationen davon und dergleichen auf dem Substrat mit eingebettetem ESD-Schutz abgeschieden werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft Verfahren zum Bereitstellen eines Schutzes vor elektrostatischen Entladungen für eine oder mehrere elektrische Komponenten in der Art von LED, In dieser Hinsicht wird auf 10 Bezug genommen, welche ein Blockflussdiagramm ist, welches ein als Beispiel dienendes Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt. Wie dargestellt ist, beginnt das Verfahren 1000 in Block 1001 mit dem Bereitstellen eines Substrats mit einem eingebetteten ESD-Schutz, d. h. einer Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz. Wie zuvor erwähnt wurde, kann die Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz in Farm einer flexiblen oder starren Leiterplatte (beispielsweise wie in 2 dargestellt) vorliegen. Ohne Einschränkung ist die Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz vorzugsweise flexibel, weil die Verwendung einer flexiblen Leiterplatte Zugänge zu Verarbeitungstechniken mit hohem Volumen, wie eine Bandüberspielherstellung, eröffnen kann.
Sobald eine Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz bereitgestellt wurde, kann das Verfahren in einem optionalen Block 1002 fortgesetzt werden, wo eine oder mehrere elektrische Komponenten (beispielsweise LED) an gewünschten Stellen auf dem Substrat angeordnet werden können. Alternativ kann der optionale Block 1002 übersprungen werden und kann das Verfahren direkt in Block 1003 fortgesetzt werden, worin Dünnfilmdioden an gewünschten Stellen auf der Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz abgeschieden werden. Beispielsweise können die Dünnfilmdioden so auf der Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz abgeschieden werden, dass sie parallel oder in Reihe mit einer oder mehreren Komponenten sind oder geschaltet werden. Ohne Einschränkung werden die TFD-Dioden vorzugsweise in der Nähe ihrer entsprechenden Komponente abgeschieden, um der Komponente ein gewünschtes Niveau eines Niederpegel-ESD-Schutzes bereitzustellen, wie zuvor beschrieben wurde.
Sobald die eine oder die mehreren TFD-Dioden abgeschieden wurden, kann das Verfahren fortgesetzt werden. Falls dieser optionale Block 1002 übersprungen wurde, kann das Verfahren in Block 1002' fortgesetzt werden, woraufhin elektrische Komponenten in der Art von LED an gewünschten Stellen auf der Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz angeordnet werden. Falls dieser optionale Block 1002 ausgeführt wurde und Komponenten angeordnet wurden, kann Block 1002' übersprungen werden. In jedem Fall endet das Verfahren in Block 1004.
Wie zuvor erwähnt wurde, können die TFD auf einer flexiblen Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz abgeschieden werden, wodurch Zugänge zu Herstellungstechniken mit hohem Volumen in der Art einer Bandüberspielverarbeitung eröffnet werden. In dieser Hinsicht wird auf 11 Bezug genommen, worin schematisch ein Bandüberspielherstellungssystem 1100 für eine LED-Modulherstellung gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt ist. Wie gezeigt ist, umfasst das System 1100 eine Abspielspule oder -rolle 1102 und eine Aufnahmespule oder -rolle 1104. Beim Betrieb kann die Rolle 1102 eine flexible Leiterplatte 1108 mit eingebettetem ESD-Schutz für die Verarbeitung abgeben. Insbesondere kann die flexible Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz von der Rolle 1102 abgewickelt werden und in einer kontinuierlichen Zufuhrbewegung unter eine Abscheidungsvorrichtung 1106 geführt und anschließend auf die Rolle 1104 gewickelt werden. Die Abscheidungsvorrichtung 1106 kann dafür ausgelegt sein, LED, TFD-Dioden und optional andere Komponenten auf der flexiblen Leiterplatte 1108 mit eingebettetem ESD-Schutz abzuscheiden. Die flexible Leiterplatte 1108 mit eingebettetem ESD-Schutz kann später in Abschnitte (beispielsweise entlang Begrenzungslinien 1110) unterteilt werden, wobei jeder Abschnitt ein Modul einer Vorrichtung bildet, beispielsweise ein Leuchtmodul mit einem Feld von LED, TFD-Dioden und zugeordneten Komponenten.
Wenngleich die Grundgedanken der Erfindung hier beschrieben wurden, werden Fachleute verstehen, dass diese Beschreibung nur als Beispiel dient und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken soll. Andere Ausführungsformen werden innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu den dargestellten und hier beschriebenen als Beispiel dienenden Ausführungsformen erwogen. Von einem Durchschnittsfachmann vorgenommene Modifikationen und Substitutionen werden als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegend angesehen, der nur durch die folgenden Ansprüche eingeschränkt sein soll.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen eines Schutzes vor elektrostatischen Entladungen (ESD) für eine elektrische Komponente, welches folgende Schritte umfasst: elektrisches Verbinden wenigstens einer elektrischen Komponente mit einer Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz, wobei die wenigstens eine elektrische Komponente dafür anfällig ist, dadurch beschädigt zu werden, dass sie bei Überschreiten eines ersten Spannungspegels einer Sperrvorspannung ausgesetzt wird, und elektrisches Verbinden wenigstens einer Dünnfilmdiode mit der wenigstens einen elektrischen Komponente, wobei: die Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz eine charakteristische Spannung aufweist, oberhalb derer zumindest ein Teil der Leiterplatte von einem elektrisch nicht leitenden Zustand in einen elektrisch leitenden Zustand übergeht, wobei die charakteristische Spannung oberhalb des ersten Spannungspegels liegt, und die wenigstens eine Dünnfilmdiode eine Spitzenspannung in Sperrrichtung aufweist, die ausreicht, um einer Sperrvorspannung zu widerstehen, die kleiner als die charakteristische Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die charakteristische Spannung größer oder gleich etwa 70 V ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Spannungspegel von größer als 0 bis etwa 70 V reicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Diode mehrere Dioden umfasst, die elektrisch in Reihe mit der wenigstens einen Komponente geschaltet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz eine Messefläche und ein elektrisch mit der Messefläche verbundenes spannungsschaltbares dielektrisches Material aufweist, wobei das spannungsschaltbare dielektrische Material oberhalb der charakteristischen Spannung von einem elektrisch nicht leitenden Zustand in einen elektrisch leitenden Zustand übergeht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine elektrische Komponente eine Leuchtdiode umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dünnfilmdiode wenigstens eine Schicht eines p-dotierten halbleitenden Materials und wenigstens eine Schicht eines n-dotierten halbleitenden Materials umfasst.
Vorrichtung mit einem Schutz vor elektrostatischen Entladungen (ESD), welche Folgendes umfasst: eine Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz, wenigstens eine elektrische Komponente, die elektrisch mit der Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz gekoppelt ist, wobei die wenigstens eine elektrische Komponente dafür anfällig ist, dadurch beschädigt zu werden, dass sie bei Überschreiten eines ersten Spannungspegels einer Sperrvorspannung ausgesetzt wird, und wenigstens eine Dünnfilmdiode, die elektrisch mit der wenigstens einen elektrischen Komponente gekoppelt ist, wobei: die Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz eine charakteristische Spannung aufweist, oberhalb derer zumindest ein Teil der Leiterplatte von einem elektrisch nicht leitenden Zustand in einen elektrisch leitenden Zustand übergeht, wobei die charakteristische Spannung oberhalb des ersten Spannungspegels liegt, und die wenigstens eine Dünnfilmdiode eine Spitzenspannung in Sperrrichtung aufweist, die ausreicht, um einer Sperrvorspannung zu widerstehen, die kleiner als die charakteristische Spannung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die charakteristische Spannung größer oder gleich etwa 70 V ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der erste Spannungspegel von größer als 0 bis etwa 70 V reicht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die wenigstens eine Dünnfilmdiode mehrere Dioden umfasst, die elektrisch in Reihe mit der wenigstens einen Komponente geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz eine Massefläche und ein elektrisch mit der Massefläche verbundenes spannungsschaltbares dielektrisches Material aufweist, wobei das spannungsschaltbare dielektrische Material oberhalb der charakteristischen Spannung von einem elektrisch nicht leitenden Zustand in einen elektrisch leitenden Zustand übergeht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die wenigstens eine elektrische Komponente eine Leuchtdiode umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Dünnfilmdiode wenigstens eine Schicht eines p-dotierten halbleitenden Materials und wenigstens eine Schicht eines n-dotierten halbleitenden Materials umfasst.
Verfahren zum Bereitstellen eines Schutzes vor elektrostatischen Entladungen (ESD) für ein LED-Leuchtmodul, welches folgende Schritte umfasst: Abscheiden einer oder mehrerer Leuchtdioden (LED) auf einer Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz, wobei die eine oder die mehreren LED dafür anfällig sind, dadurch beschädigt zu werden, dass sie einer Sperrvorspannung oberhalb eines ersten Spannungspegels ausgesetzt werden, und Abscheiden einer oder mehrerer Dünnfilmdioden auf der Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz, so dass jede von der einen oder den mehreren LED elektrisch mit wenigstens einer Dünnfilmdiode gekoppelt wird, wobei: die Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz eine charakteristische Spannung aufweist, oberhalb derer zumindest ein Teil der Leiterplatte von einem elektrisch nicht leitenden Zustand in einen elektrisch leitenden Zustand übergeht, wobei die charakteristische Spannung oberhalb des ersten Spannungspegels liegt, und die eine oder mehrere Dünnfilmdioden eine Spitzenspannung in Sperrrichtung aufweisen, die ausreicht, um einer Sperrvorspannung zu widerstehen, die kleiner als die charakteristische Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die mehreren Dünnfilmdioden durch wenigstens eines von Aerosolstrahlen, atomarer Schichtabscheidung (ALD), räumlicher atomarer Schichtabscheidung (S-ALD), chemischer Dampfabscheidung (CVD), metallorganischer CVD, gepulster Laserabscheidung (PLD), Sputtern, Direktschreiben (beispielsweise durch positiven Versatz), Drucken (beispielsweise Tintenstrahldrucken) und Kombinationen davon abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die charakteristische Spannung größer oder gleich etwa 70 V ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der erste Spannungspegel von 0 bis etwa 70 V reicht.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei jede von der einen oder den mehreren LED elektrisch in Reihe mit wenigstens einer Dünnfilmdiode gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Leiterplatte mit eingebettetem ESD-Schutz eine flexible Leiterplatte ist, welche eine Massefläche und ein spannungsschaltbares dielektrisches Material, das elektrisch mit der Massefläche verbunden ist, umfasst, wobei das spannungsschaltbare dielektrische Material oberhalb der charakteristischen Spannung von einem elektrisch nicht leitenden Zustand in einen elektrisch leitenden Zustand übergeht.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei jede Dünnfilmdiode wenigstens eine Schicht eines p-dotierten halbleitenden Materials und wenigstens eine Schicht eines n-dotierten halbleitenden Materials umfasst.