JP2015517196A

JP2015517196A - 電圧で切替可能な誘電体材料を備えるフレキシブル回路及びフレキシブル基板

Info

Publication number: JP2015517196A
Application number: JP2014554853A
Authority: JP
Inventors: フレミング、ロバート; コソースキー、レックス; ウー、ジュンジュン
Original assignee: リテルヒューズ・インク
Priority date: 2012-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2015-06-18
Also published as: WO2013112826A1; US20120212904A1; DE112013000686T5; CN104247013A

Abstract

ここに説明される実施形態は、一体化した構造上のデバイスコンポーネントとして使用するための優れた特性を有するＶＳＤ材料を備えるフレキシブル回路及びフレキシブル基板を提供する。【選択図】図１

Description

本出願は、電圧で切替可能な誘電体材料を含むフレキシブル基板に関する。

電圧で切替可能な誘電体材料は、「ＶＳＤ材料」又は「ＶＳＤＭ」と表示されることもあり、低い電圧では絶縁性があり、より高い電圧では、導電性がある材料であることが知られている。これらの材料は、通常絶縁性ポリマーマトリクス内に導電性粒子、半導体粒子、及び絶縁性粒子を備える複合材である。これらの材料のアプリケーションとしては、電子デバイスの過渡保護、とりわけ静電気放電保護（ＥＳＤ）及び電気的な過度のストレス（ＥＯＳ）が含まれる。一般に、ＶＳＤ材料は、特性電圧を超える電圧が印加されない限り、実質的に誘電体として挙動するが、特性電圧を超える電圧が印加される場合は、実質的に導体として挙動する。様々な種類のＶＳＤ材料が存在する。電圧で切替可能な誘電体材料の例として、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９の文献が提供されており、これらの出願事項は参照により本願に組み込まれるものとする。

ＶＳＤ材料は、様々なプロセスおよび材料又は組成物を用いて形成されてもよい。従来技術の１つによれば、ポリマー層に高レベルの導電性粒子を、パーコレーション閾値の非常に近くまで、典型的には２０体積％より多く充填することを開示している。そして、半導体材料及び／または絶縁体材料がこの混合物に加えられる。

他の従来技術では、ドープされた金属酸化物粉末を混合し、次いで、その粉末を焼結して結晶粒界を有する粒子を作製し、次いで、ポリマーマトリクスにパーコレーション閾値を超えるまでその粒子を加えることにより、ＶＳＤ材料を形成する。

米国特許第４，９７７，３５７号明細書米国特許第５，０６８，６３４号明細書米国特許第５，０９９，３８０号明細書米国特許第５，１４２，２６３号明細書米国特許第５，１８９，３８７号明細書米国特許第５，２４８，５１７号明細書米国特許第５，８０７，５０９号明細書国際公開第９６／０２９２４号国際公開第９７／２６６６５号米国特許出願公開第１２／９５３，３０９号明細書米国特許第７，８７２，２５１号明細書米国特許出願公開第１２／４０７，３４６号明細書米国特許出願公開第１１／８２９，９４６号明細書米国特許出願公開第１１／８２９，９４８号明細書米国特許第６，７９７，１４５号明細書米国特許出願公開第１１／８８１，８９６号明細書米国特許出願公開第１２／４１７，５８９号明細書米国特許出願公開第６１／５３７，４９０号明細書

図１は、実施形態においてコア層構造における選択されたＶＳＤ材料の使用を例示する。図２は、実施形態においてＶＳＤ材料の配合組成を例示する。図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、ここに提供される実施形態のいずれかに記載されるような組成物を有するＶＳＤ材料により構成される基板デバイスのための異なる構成を例示する。図４は、ここに記載される実施形態に従ってＶＳＤ材料を備える電子デバイスの簡単な略図を例示する。

ここに記載される実施形態は、一体化した構造上のデバイス構成要素として使用するための優れた特性を有するＶＳＤ材料を提供する。

伝統的には、ＶＳＤ材料は、粒子充填材中にその体積濃度が５０％超になるよう充填されたポリマー複合材である。ある程度の機械的な安定性を有する複合材を提供するために、いくつかの伝統的なアプローチではマトリックス材として非常に低いガラス転移温度（Ｔｇ）を有するポリマーを使用してきた。伝統的には、マトリックスはシリコーンゴムから形成されてきており、シリコーンゴムは複合材に対して低い機械的安定性をもたらし、低い弾性係数、低いＴｇ、高いＣＴＥ、及びＰＣＢ積層品に使用される金属やプリプレグに対して弱い接着力をもたらしてきた。

ＶＳＤ材料は、通常、デバイスのパッケージングが必要な機械的な特性を提供できるようにするためにディスクリートデバイスのアプリケーションにおいて使用される。ＶＳＤ材料がプリント基板（ＰＣＢ）又はＩＣチップ基板等のように一体化した構造のデバイス構成要素でのアプリケーションにおいて使用されるときに、そのような実施形態では、ＶＳＤ材料への物理的特性の要求は他の使用の場合よりも高度であることが認識されている。したがって、実施形態では、弾性係数、Ｔｇ、ＣＴＥ、及びその材料の金属箔及びプリプレグ積層材に対する接着力等の特性は、ＶＳＤ材料が一体化した構造の構成要素になるときに非常に関連があることを認識している。

製品一体化のためには、一般的な接着剤がＶＳＤ材料と接着できることも重要である。シリコーンポリマーは、接着剤によりこの材料と接着することを可能とする固有の性質を欠いている。ここで説明する実施形態では、ＶＳＤ材料のマトリックスは、様々な構造の製造プロセスにおいて一般的な接着剤により接着が可能となるように配合され得る。

多くの従来のアプローチによれば、ＶＳＤ材料の組成は、マトリックス材として使用するのにシリコーンポリマー樹脂に依存してきた。導電性が「オン状態」のときに電流が流れる際に、シリコーンには縮小する化学的副反応に耐性があり、これにより電気的耐性が増す。しかし、実施形態では、シリコーン樹脂は、ＶＳＤ材料（このような樹脂から形成された場合）の、構造的一体性に欠け構造的適応性を妨げる性質を強めると認識されている。例えば、シリコーンベースの樹脂は、低いＴｇ、及び高い熱膨張率を有し接着力が乏しい（接着しにくくもある）。構造の点を考慮するとき、このような樹脂は、プリント基板又はチップパッケージ基板に層を埋め込む用途のためのＶＳＤ材料におけるマトリックスとして使用するには不十分な候補である。反対に、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリウレタン、ビスマレイミド、及び同様のもの等の伝統的な回路基板材料は、優れた物理的特性を有するが、高電圧パルス印加の間、還元反応に対して耐性がない。

１つの強化策として、１つ又は複数の実施形態では、シリコーン及びエポキシ樹脂及び／またはポリイミド及び／またはビスマレイミド及び／またはシアン酸エステルのブロック又はグラフト共重合構造の形で、シリコーンポリマーと有機（例えば熱硬化性の）ポリマーとを化学結合させる。ブロック又はグラフト共重合体は、ＶＳＤ材料のためのマトリックスを形成するのに使用し得る。ＶＳＤ材料に使用されるときは、このような共重合体構造は、ＶＳＤ材料を金属（例えば銅）に接着させることが必要な用途等の、構造の用途に適する優れた性質をＶＳＤ材料に提供する。このような共重合体の使用の結果として得られるこの優れた性質は、銅又は他の金属に接着する層として一体的に組み込むことを要する製造プロセスの完了後に均一に配置され構造的に安定を保つような、説明した材料から形成されるＶＳＤ材料の能力を示している。例えば、所望の物理的及び電気的特性を有するＶＳＤ材料は、銅箔又は他の構造体を積層又は形成するプロセスにより引き起こされる温度変動及びストレスに最適に耐えることができる。

説明したように、ブロック又はグラフト共重合体の使用により、ＶＳＤ材料の構造的アプリケーションのための所望の性質が強化される。共重合体は、ブロック共重合体の形であってもよく、そこでは異なる一連の単独重合体のスブユニットが１つの鎖で結びつけられている。他のやり方として、ＶＳＤ材料のいくつかの実施形態ではマトリックスにグラフト共重合を用いてもよい。グラフト共重合体は、分岐を有する共重合体の特別な種類であり、その側鎖は構造的に主鎖と異なる。ここで言及した、ブロック共重合体を使用する実施形態は、代わりにグラフト共重合体を使用し得る。

ＶＳＤ材料がプリント基板（ＰＣＢ）又はＩＣチップ基板等のシステムの一体化した構造上の構成要素である場合のアプリケーションにおいて使用されるとき、実施形態では、ＶＳＤ材料において要求される物理的特性は他の使用の場合におけるよりも高度であると認識される。ＶＳＤ材料のための様々なアプリケーションを以下に説明する。

図１は、ある実施形態のコア層構造における選択されたＶＳＤ材料の使用を例示する。コア層構造１００は、ＶＳＤ材料の１つの応用例を示しておりＶＳＤ材料の優れた物理的特性は有益である。ある実施形態では、コア層構造１００は、保護ＶＳＤ材料１１２で被膜される導電性がある箔１１０の１つの層を含む。いくつかの実施例では、プリプレグ材料１１４で、ＶＳＤ材料１１２を覆ってもよい。コア層構造により、プリント基板又は他の基板デバイスに組み込まれた機能層としてのＶＳＤ材料１１２の使用が可能となる。ＶＳＤ材料１１２は、箔の１つに接着していてもよい。プリプレグ層１１４は、箔の層の１つとＶＳＤ材料１１２との間に分布していてもよい。コア層構造１００は、多数の他の変形が可能である。例えば、説明したような材料の追加の層が実装可能である。構造上の変形がコア層構造を備える層において、あるいは全体としての構造１００（例えばビアの存在）において含められてもよい。上述の説明のどれにおいても、実施形態によりこの構造上のＶＳＤ材料の一体性と構成を向上させる優れた性質を有するＶＳＤ材料の使用例が示される。これらの優れた特性は、構造的一体性及び電気的耐性に関連するものとして分類され得る。

構造的な一体性：ＶＳＤ材料は、通常その場で層として堆積され（例えば、銅箔上）、次いで硬化させる。多くの過去のアプローチとは異なり、ここで説明する実施形態では、銅箔または導電性がある箔上に一様な厚さを有する層として堆積され、そこで接着されるＶＳＤ材料を提供する。この物理的性質が優れているから、積層、銅エッチング／パターニングプロセス、及び熱処理等の後続する製造プロセスは、ＶＳＤ材料の均質性に実質的な影響を与えない。より具体的には、実施形態に説明されたような組成におけるＶＳＤ材料は、様々な製造プロセス（積層又は温度に影響するプロセス等）の実行後に、基板デバイス上に層として接着し一様に堆積された状態を保つ。フレキシブル基板にラミネート加工される場合は、ＶＳＤ材料層は実質的に同様にフレキシブルとなる。

電気的耐性：電気的耐性とは、ＶＳＤ材料が、少なくともある程度の材料が導電性を持つ原因となる初期過渡的電気的事象の後に電気的性能が実質的に低下しないという性質をいう。望ましい電気的耐性は、（ｉ）初期電気的事象の後に、及び（ｉｉ）ある程度の電気的ストレスの存在下で、特に材料の漏れ電流により定量化されてもよい。１つの実施形態では、ＶＳＤ材料は、ＶＳＤ材料が導電性を持つ原因となる初期過渡的事象の後に、初期過渡的事象に続いて１〜１２ボルトの範囲の電圧を印加した場合に漏れ電流が１ミリアンペア以下であるという定量化された電気的耐性が提供される。１つの実施形態によれば、電気的耐性は、１〜１２ボルトの範囲の電圧を印加した場合に漏れ電流が１ミリアンペア未満であって漏れ電流が０．１ミリアンペア以下の範囲であると定量化される。電気的耐性をここで決定する基準を定義する技術は、以下に記載される。

したがって、ＶＳＤ材料は、構造的な一体性、柔軟性、接着性、電気的耐性及び他の所望の特性を高めるために材料に対して知られている特定の性質を提供するように配合されてもよい。例えば、マトリックス材及び／または粒子成分の性質を用いて、ＶＳＤ材料は、多数の個別の知られた材料の特性を示すように配合されてもよい。これらの特性は、直接的に又は間接的に電気的耐性及び一体性に関係してもよい。いくつかの実施形態によれば、これらの特性は、１つ又は複数の次の性質を含む。（ｉ）剥離強度：銅箔に対して十分に接着する（本出願では、ＶＳＤ材料の剥離強度が３ポンド／インチより大きいとき良好な接着力が生じると想定し得る）（ｉｉ）熱膨張率（ＣＴＥ）：コア層構造１００を形成する際に起こる様々な製造プロセスに耐えるように十分低いＣＴＥを有する（ｉｉｉ）高い弾性率及び曲げ弾性率を有する（ｉｖ）高い熱的安定性を有する（すなわち、無鉛はんだリフロー状態を通過する）。

ある実施形態では、ＶＳＤ材料１１２は、ＶＳＤ材料が極端な温度変動とともに実行される層間剥離又は他のプロセスに耐えることが可能となるように十分に低いＣＴＥを有するように設計される。ＶＳＤ材料１１２は、製造プロセス及び構造１００もしくは完成したＰＣＢの使用の間に割れないように、高い曲げ強度を有するように設計されてもよい。

図２は、１つの実施形態におけるＶＳＤ材料の組成を示す。図１の実施形態で説明したように、配合組成は、所望の特性を提供するために個々に又は集合的に結合する様々な成分を含んでもよい。示された実施形態では、ＶＳＤ材料２００は、結合剤又はマトリックス２４０内に分散する粒子成分を含む。粒子成分は、ＶＳＤ材料の設計及び組成に依存して変化させてもよい。様々な実施形態によれば、粒子成分は、（ｉ）一定濃度の導体粒子２１０、（ｉｉ）一定濃度の半導体粒子２２０、及び／又は（ｉｉｉ）一定濃度のナノ寸法粒子から成る。一定濃度のナノ寸法粒子は、有機粒子（グラフェン、単層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブ等の）又は高アスペクト比（ＨＡＲ）の無機粒子（ナノロッド、ナノワイヤー等）であってもよい。先に列挙された粒子成分でその一部または全部が異なるタイプである様々な種類のＶＳＤ材料が可能である。例えば、１つの実施形態では、ＶＳＤ材料２００は、半導体粒子又はナノ寸法粒子を使用せずに一定濃度の導体粒子（例えばニッケル及び／またはタングステン）から成る。他の実施形態では、導体粒子及び半導体の粒子２２０は、マトリックス２４０内に分散していてもよい。さらに、ナノ寸法粒子は、オプションとしてマトリックスに加えてもよい。導体粒子２１０の使用を強調するいくつかの実施形態では、マトリックス２４０のパーコレーション閾値未満、又はパーコレーション閾値直下の値になるまで粒子成分を入れる。他の実施形態では、粒子濃度がパーコレーション閾値を超えるまで半導体の粒子２２０（導体粒子２１０がある場合とない場合）及び／またはナノ寸法粒子（使用する粒子の種別に依存して、導体または半導体であり得る）を入れて使用する。

１つの実施形態では、マトリックス２４０は、ブロック共重合体又はグラフトポリマー等の共重合体から形成される。粒子成分は、金属導体を含み、全体の粒子濃度は、そのパーコレーション閾値未満（又はパーコレーション閾値直下の値）である。いくつかの実施形態によれば、ＶＳＤ材料の組成は、１５−３０体積％のミクロンサイズの導体、０．１−１０体積％のナノサイズの導体、０−２０体積％のミクロンサイズの半導体及び５−３０体積％のナノサイズの半導体を含む。このような適切に選択された粒子を伴う組成により、述べたような１つ又は複数の特性を有するＶＳＤ材料の開発が可能となる。いくつかの優れた物理的特性は、ナノ粒子の種類と量の選択により部分的に提供され得る。ここで説明する実施形態に従ったＶＳＤ材料の多数の組成物は、図１と共に説明されている。

ＶＳＤ材料の様々なステップバンドギャップ組成物は、２０１０年１１月２３日に出願された「ステップ電圧応答を有する電圧切り換え可能な誘電体材料の組成及び該誘電体材料の製造方法」と題する特許文献１０及び「ステップ電圧応答を有する電圧切り換え可能な誘電体材料の組成及び該誘電体材料の製造方法」と題する特許文献１１に記載されている。ＶＳＤ材料の様々な比較的低いバンドギャップ組成物は、２００９年３月１９日に出願された「低バンドギャップのポリマー結合剤または複合体を有する電圧で切替可能な誘電体材」と題する特許文献１２に記載されている。特許文献１０、特許文献１１及び特許文献１２は、それぞれ参照により本出願に組み込まれている。

有機粒子及び／またはＨＡＲ粒子をＶＳＤ材料の組成に組み込むための特定の組成物及び技術は、「導電性または半導電性有機材料を有する電圧で切替可能な誘電体」と題する特許文献１３、及び「高アスペクト比粒子を有する電圧で切替可能な誘電体材料」と題する特許文献１４に記載されており、両方ともそれぞれ参照により本出願に組み込まれている。

焼結されミクロンサイズの粒子を形成した半導体の混合物は、ＶＳＤ材料を形成するためにオプションの導体と共にブロック共重合体樹脂に加えることができる。

説明したように、実施形態では、マトリックス又は結合剤２４０は、結果として生じるＶＳＤ材料の物理的特性から切り離すことができないことが多いと認識される。したがって、マトリックス２４０は、ＶＳＤ材料の所望の特性を促進し高め拡大する特定の特性又は特徴を有するように選択される。１つの実施形態では、マトリックス２４０は、ナノ粒子（及び／またはミクロンサイズの粒子）のマトリックスポリマーとの相容性及び電気的特性を向上させるために、銅との良好な接着性を示し、界面活性剤及び表面処理をも含む、共重合体材料（エポキシ樹脂化合物又は他のポリマー材料等の）を含む。

既に述べたように、１つ又は複数の実施形態は、ブロック又はグラフト共重合体からマトリックス２４０を形成することによりＶＳＤ材料を強化する。１つの実施形態では、マトリックス２４０として使用するためのブロックポリマーは、硬化剤を用いて２つのポリマーを結合することにより形成してもよい。１つの実施形態では、シリコーンポリマー（「ブロックＡ」）（良好な電気的耐性、及び比較的不十分な金属接着性により特徴づけられる）を、適当な硬化剤を用いて、例えば、炭化水素ポリマー（「ブロックＢ」）（従来、電気的特性が不十分であるが、金属又は銅との接着性は良好）と結合させてもよい。１つの実施例では、シリコーンベースのポリマーは、ジアミン、フェノール性の、又は無水物のタイプ等の硬化剤を用いて、エポキシ樹脂と結合される。以下のものは、ブロックＡシリコーン及びブロックＢ（ポリブタジエンとして示される）に使用してもよい。

さらに、ブロック共重合体は、低いガラス転移温度（Ｔｇ）を有するセグメントと高いＴｇを有するセグメントから形成され得る。１つの実施形態において、共重合体は、以下のような１つ又は複数のブロック共重合体を含む。
（１）ビスフェノールＡエポキシ樹脂ブロック−ポリブタジエンブロック−ビスフェノールＡエポキシ樹脂ブロック

他の実施形態において、１つ又は複数のブロック共重合体が以下のように使用され得る。
（２）ビスフェノールＡエポキシ樹脂ブロック−ポリジメチルシロキサンブロック−ビスフェノールＡエポキシ樹脂ブロック

さらに、他の実施形態は以下のものを使用してもよい。
ビスフェノールＡエポキシ樹脂ブロック−ポリジメチルシロキサンブロック−ビスフェノールＡエポキシ樹脂ブロック
（４）ポリイミドブロック−ポリジメチルシロキサンブロック−ポリイミドブロック

ＡＢＡ、ＢＡＢ、ＡＢ、又はＢＡの形の他のブロック共重合体が使用されてもよく、ここでＡ＝低いＴｇ、及びＢ＝高いＴｇである。ブロック共重合体組成の一般的な例を次に示す。

以下に、同様に定義されたブロックを有するグラフト共重合組成の例を示す。

ブロック又はグラフト共重合を用いる例において、「ブロックＣ」及び「Ｄブロック」の例を以下に示す。

次の構造は、１つ又は複数の実施形態で用いられるブロックＡの例である。

次の構造は１つ又は複数の実施形態で用いられる、ブロックＢの例である。

次の構造は、１つ又は複数の実施形態で用いられるようにブロックＤの例である。

表１は、様々な実施形態おける様々な組成（列ごとにリスト化）を示す。

１つ又は複数の実施形態にしたがってＶＳＤ材料を配合する一般的なプロセスは、（ｉ）ＭＷＣＮＴ、ポリマー、ＮＭＰを加え１時間超、音波処理により前もって分散させる（ｉｉ）界面活性剤／分散剤、硬化剤、及び触媒を加え（ｉｉｉ）カウレスブレードミキサー（Ｃｏｗｌｅｓｂｌａｄｅｍｉｘｅｒ）により混合する間にゆっくり粉末を加える（ｉｖ）高せん断ロータ・ステータ型ミキサーにおいて超音波処理により混合する。

次の表は、シリコーンブロック、及びポリイミド、エポキシ樹脂、並びに／もしくはポリブタジエンの各ブロックを含むブロック共重合体の組成の例を示す。

次の表は、供給者により提供されるように使用されてもよい材料の例をリストにしている。

電気的耐性と測定基準

ここに説明した多数の実施形態は、電気的耐性を高めたＶＳＤ材料の組成を提供する。前述のように、ＶＳＤ材料の望ましい電気的耐性特性は、次のように定量化してもよい。すなわち、ＶＳＤ材料の所与の量に対して（ｉ）ＶＳＤ材料が導電性を有する原因となる初期過渡的事象の後、（ｉｉ）初期過渡的事象の後、次いで１〜１２ボルトの範囲の電圧による、測定される（測定され得るような）電気的ストレスの下で、（ｉｉｉ）ＶＳＤ材料は１ミリアンペア以下の漏れ電流を示す。上記のような電気的耐性を定量化する基準は、次の技術に対応し、又は一致してよい。ＴＬＰ（伝送線パルス：ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｐｕｌｓｅ）発生器が、立ち上がり／立下り時間が短く、パルスの持続時間を通して一定の振幅を保つ方形波パルスを発生するのに使用される。これは、まずある長さの伝送ラインに（例えば、同軸ケーブルが、１３０ナノ秒のパルス幅を与えるように切られている）３０００ボルトまでの電圧を充電し（実際のサンプルに放電される電圧は整合されたネットワークにおける減衰により９００ボルト）、次いで適切な整合されたネットワークを通して伝送線から構造（すなわちＶＳＤ材料の層）へ放電することにより達成される。パルス幅は伝送線の長さに比例し、その長さがより長い場合は結果としてより広い幅のパルスとなり、その長さがより短い場合は結果としてより短い幅のパルスとなる。オッシスコープが電圧プローブにより検討される構造に接続される。これにより、パルスの持続時間の間のＴＬＰパルスに対する構造の応答を検討することが可能となる。

ＶＳＤ材料の応用

ここに説明する実施形態に従ったＶＳＤ材料の組成物に対する多数の用途が存在する。特に、実施形態により、プリント基板、半導体パッケージ、ディスクリートデバイス、薄膜エレクトロニクス、及びＬＥＤ並びに無線周波数デバイス（例えばＲＦＩＤタグ）等のより限定された用途等の基板デバイス上にＶＳＤ材料が提供されるようにできる。さらに、他の用途として、ここに説明されるＶＳＤ材料が液晶ディスプレイ、有機光放出ディスプレイ、エレクトロクロミックディスプレイ、電気泳動のディスプレイ、又はこのようなデバイスのためのバックプレーン・ドライバ（ｂａｃｋｐｌａｎｅｄｒｉｖｅｒ）に使用されてもよい。このＶＳＤ材料を含める目的は、ＥＳＤイベントで生じ得るような過渡的で過電圧な状態の取り扱いを改良するためであり得る。ＶＳＤ材料の他の用途には、Ｌ．Ｋｏｓｏｗｓｋｙによる米国特許第６，７９７，１４５号明細書（その内容の全てが参照により本出願に組み込まれる）で説明されたような金属蒸着が含まれる。

図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれここで提供される実施形態のいずれかで説明されるような組成を有するＶＳＤ材料で構成される基板デバイスの異なる構成を示す。図３Ａでは、基板デバイス３００は、例えば、プリント基板に相当する。このような構成では、ＶＳＤ材料３１０（ここに説明した任意の実施形態で説明したような組成を有する）は、接続される要素を接地するために表面３０２の上に設置されてもよい。代替例又は変形例として、図３Ｂは、ＶＳＤ材料が、その基板の厚み３１０内に組み込まれた接地経路を形成する構成を示す。

電気めっき

例えば、ＥＳＤ事象に対処するために、デバイス上にＶＳＤ材料を含めることに加え、１つ又は複数の実施形態では、基板上の微量元素を含む基板デバイス及びビア等の接続要素を形成するためのＶＳＤ材料の使用（ここの実施形態のいずれかで説明したような組成物を使用して）を検討する。特許文献１５と、この特許に基づく優先権の利益を主張している２００７年７月２９日に出願された特許文献１６（上記の両方とも、それぞれの内容全てが参照により本出願に組み込まれている）とは、電気めっき基板、ビア及びＶＳＤ材料を使用したデバイスのための多数の技術を説明している。ここに説明される実施形態は、本出願における任意の実施形態で説明されるようにＶＳＤ材料の使用を可能とする。

他の用途

図４は、ＶＳＤ材料がここに説明される実施形態に従って提供され得る電子デバイスの略図である。図４は、基板４１０、コンポーネント４２０、及びオプションでケーシング又はハウジング４３０を含むデバイス４００を示す。ＶＳＤ材料４０５は（説明した実施形態のいずれかに従って）、表面４０２上の位置、表面４０２の下（その微量元素の下又はコンポーネント４２０の下等）、又は基板４１０の厚みの中を含め、多くの位置のうちの任意の１つ又は複数の位置に組み込まれてもよい。あるいは、ＶＳＤ材料は、ケーシング４３０の中に組み込まれてもよい。それぞれの場合において、ＶＳＤ材料４０５は、特性電圧を超える電圧が存在するときに、微量鉛等の導電性要素と結合するように組み込まれてもよい。したがって、ＶＳＤ材料４０５は、特定の電圧条件が存在する場合に導電性要素である。

ここに説明する用途のいずれに関しても、デバイス４００は、表示デバイスであってもよい。例えば、コンポーネント４２０は、基板４１０から光を照らすＬＥＤであってもよい。基板４１０上のＶＳＤ材料４０５の位置と構成は、導線、端子（すなわち入力又は出力）、及び、発光デバイスに提供され、発光デバイスにより使用され、又は発光デバイスに組み入れられる他の導電性要素を収容するように選択され得る。別のやり方として、ＶＳＤ材料は、基板と離れた状態でＬＥＤデバイスの正のリード線及び負のリード線の間に組み込まれてもよい。さらに、１つ又は複数の実施形態では有機ＬＥＤの使用を提供し、この場合ＶＳＤ材料は、例えば、ＯＬＥＤの下に提供されてもよい。

ＬＥＤ及び他の発光デバイスに関して、米国特許出願公開第１１／５６２，２８９号明細書（この内容は参照により本出願に組み込まれている）に説明される任意の実施形態では、本出願の実施形態で説明されるようにＶＳＤ材料を実装してもよい。

あるいは、デバイス４００は、無線周波数識別デバイス等の無線通信デバイスに相当してもよい。無線周波数識別デバイス（ＲＦＩＤ）及び無線通信部品等の無線通信デバイスに関して、ＶＳＤ材料は、コンポーネント４２０を、例えば過充電又はＥＳＤ事象から保護し得る。このようなケースでは、コンポーネント４２０は、デバイスのチップ又は無線通信コンポーネントに相当してもよい。あるいは、ＶＳＤ材料４０５の使用により、コンポーネント４２０に起因する電荷から他のコンポーネントを保護してもよい。例えば、コンポーネント４２０は、電池に対応してもよく、ＶＳＤ材料４０５は、電池事象から引き起こされる電圧状態から保護するために、基板４１０の表面上に微量元素として提供されてもよい。ここで説明される実施形態に従ったＶＳＤ材料のどのような組成も、米国特許出願公開第１１／５６２，２２２号明細書（この内容は参照により本出願に組み込まれている）に記載されるデバイス及びデバイス構成のためのＶＳＤ材料として実装されてもよく、この文献は、ＶＳＤ材料を包含する無線通信デバイスの多数の実施例を説明している。

代替例又は変形例として、コンポーネント４２０は、例えば、ディスクリート半導体デバイスであってもよい。ＶＳＤ材料４０５は、コンポーネントと一体化していてもよく、又はその材料をスイッチオンさせる電圧が存在するところでコンポーネントに電気的に接続するように配置されていてもよい。

さらに、デバイス４００は、基板コンポーネントを支持するパッケージ・デバイスあるいは、半導体パッケージであってもよい。ＶＳＤ材料４０５は、基板４１０又はコンポーネント４２０がデバイスに包含される前にケーシング４３０に結合されてもよい。

様々な実施形態において、ＶＳＤ材料は、基板が電子デバイスに一体化されるような状態でその基板内に組み込まれてもよい。このような実施形態では、基板に組み込まれたＶＳＤ材料は、基板自体に、基板に取り付けられ又は基板内に組み込まれている回路素子に、基板及び／または電子デバイスの他の部分に取り付けられた電子コンポーネントにＥＳＤ保護を提供するために使用されてもよい。

動作の観点からいうと、ＶＳＤ材料は、水平スイッチング構成の部分として又は垂直スイッチング構成の部分として電気スイッチング機能を実行するために基板内で使用されてもよい。

様々な実施形態では、「水平スイッチングＶＳＤ材料構成」又は「水平スイッチングＶＳＤＭ構成」は、基板に組み込まれているＶＳＤ材料を備え、「水平」方向すなわち「横」方向にスイッチするように構成される構造である。この水平方向又は横方向は基板に対して定義されており、ＶＳＤ材料を通る電流の流れが主として基板の主面と実質的に平行な方向に生じることを示す。１つの実施形態では、ＶＳＤＭ構成は、スイッチングＶＳＤ材料が基板の層（例えば、ＰＣＢ又はフレキシブル回路の層）内に配置されるように形成され、この場合水平スイッチングは、ＶＳＤ材料を通る電流の流れが主として基板の主面と実質的に平行な方向に生じることを示す。

様々な実施形態において、ＶＳＤ材料は、垂直スイッチングＶＳＤ材料構成内で使用してもよく、「垂直スイッチングＶＳＤ材料構成」は「垂直スイッチングＶＳＤＭ構成」と称されることもある。垂直スイッチングＶＳＤＭ構成は、一般にＶＳＤ材料の層の厚さを横切って垂直スイッチングを達成するために基板に組み込まれる。垂直スイッチングを実行するように構成されるＶＳＤＭ構成は、一般に、ＶＳＤ材料の少なくとも１つの層と、電流がＶＳＤ材料の層を越えて流れるようにＶＳＤ材料層の両面に配置された２つの導電性要素とを備える。

ある垂直スイッチングＶＳＤＭ構成は、２００９年４月２日にショッキング・テクノロジー社により出願された特許文献１７、及び２０１１年９月２１日にショッキング・テクノロジー社により出願された特許文献１８に開示されている。特許文献１７及び特許文献１８それぞれの開示内容は、その全てが参照により本出願に組み込まれている。

特性電圧レベルを超える過渡電圧に応答してスイッチングするとき、水平スイッチングＶＳＤＭ構成は、ＶＳＤ材料層の層により形成される水平（又は横）ギャップを越えてスイッチングを行う。特性電圧レベルを超える過渡電圧に応答してスイッチングするとき、垂直スイッチングＶＳＤＭ構成は、ＶＳＤ材料層の層の垂直方向の厚み（又は垂直ギャップ）を越えてスイッチングする。

図１の実施形態による構造１００、図３Ａ及び図３Ｂの実施形態による基板デバイス３００、及び図４の実施形態による基板４１０等の様々な実施形態に従ってＶＳＤ材料が組み込まれ得る基板の例には、ＰＣＢ、ＰＣＢの任意の単一層又は一連の複数の層、半導体デバイス（例えば、ボール・グリッド・アレー（ＢＧＡ）、ランド・グリッド・アレー（ｌａｎｄｇｒｉｄａｒｒａｙ：ＬＧＡ）、ピン・グリッド・アレイ）のパッケージ、ＬＥＤ基板、集積回路（ＩＣ）基板、インターポーザーもしくは２つ以上の電子部品、デバイスもしくは基板（このような接続は垂直及び／または水平であってよい）を接続する他の任意のプラットフォーム、他の任意の積層パッケージングもしくはダイ形式（例えば、インターポーザー、ウエハレベル・パッケージ、パッケージ−イン−パッケージ、システム−イン−パッケージ、もしくは少なくとも２つのパッケージ、ダイもしくは基板）、その他の任意の積み重ねられた組み合わせ、又はＶＳＤ材料構成が取り付けることができ、もしくはＶＳＤ材料構成がその中に包含され得る他の任意の基板を含んでもよい。

様々な実施形態に従って基板に組み込まれているＶＳＤ材料により保護され得る電子部品の例は、次に示す１つ又は複数の例が含まれる。すなわち、半導体チップもしくは他の集積回路（ＩＣ）（例えば、マイクロプロセサ、制御部、メモリチップ、ＲＦ回路、ベースバンドプロセサー、システム・オン・チップ（ＳＯＣ）、フリップチップ等。）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ＬＥＤアレイ、ＬＣＤ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤもしくは任意の他の表示装置、ＭＥＭＳチップもしくは構造、又は電子デバイスの中に包含される、もしくは電子デバイスにより生成される情報を表示するのに使用される任意の他のコンポーネントもしくは回路素子のうちの１つ又は複数の例が含まれる。電子コンポーネントは、単一チップユニットから成ってもよく、又は共にパッケージされもしくは別の方法で共に動作するように構成されていてもよい複数のダイ及び／または積層されたコンポーネントを備えていてもよい。

基板デバイス内に包含されるＶＳＤ材料により保護され得る電子デバイスの例には、移動電話（例えば、スマートフォン、フィーチャー・フォン、コードレス電話機）、移動通信デバイス（例えば、トランシーバー、救急救命士により使用される通信機器）、電子タブレット、電子書籍リーダー（Ｅリーダ）、モバイルコンピュータ（例えば、ラップトップ）、デスクトップコンピュータ、サーバーコンピュータ（例えば、サーバー、ブレード、マルチプロセサー・スーパーコンピュータ）、テレビジョンセット、ビデオディスプレイ、音楽プレーヤー（例えば、ポータブルＭＰ３音楽プレーヤー）、パーソナル健康管理デバイス（例えば、パルスモニター、心臓モニター、歩数計、温度モニター、又は健康管理の用途をもつ他の任意のセンサーデバイス）、発光ダイオード（ＬＥＤ）並びにＬＥＤ、照明モジュールを備えるデバイス、及び電子信号もしくは電気機械信号を用いてデータを処理もしくは別に記憶する他の任意の消費者用並びに／もしくは産業用デバイスを備えるデバイスが含まれる。他の例には、衛星、軍装備品、航空計器、及び舶用機器が含まれる。

様々な実施形態において、ＶＳＤ材料は、ＥＳＤ保護を提供するためにコネクタ内に組み込まれてもよい。このようなコネクタは、ＥＳＤ又は他の過電圧事象から保護される利益を得る電子デバイスにとりつけられてもよい。このようなコネクタの例には、電源コネクタ、ＵＳＢコネクタ、イーサネットケーブルコネクタ、ＨＤＭＩコネクタ、又はシリアル、パラレルもしくは他の種類のデータ、信号もしくは送電を容易にする他の任意のコネクタが含まれる。このような実施形態において、このような電子デバイスに取り付けられたケーブルは、その基本的な機能（例えば、データ通信）及びＥＳＤ保護の両方を提供し得る。

様々な実施形態では、ＶＳＤ材料は、フレキシブル基板（例えば、フレキシブルＰＣＢ、フレキシブル半導体パッケージ、又はフレキシブルコネクタ）に包含されてもよい。様々な実施形態において、このようなフレキシブル基板は、ポリイミド材料、テフロン、エポキシ樹脂系材料、又は他のフレキシブルハイブリッド材料から製造されてもよい。ポリイミド材料は、一般に軽量でフレキシブルであり、より高い機械的延伸及び伸張強度を有し、熱及び化学反応からの改良された回復力を有する傾向がある。ポリイミド材料は、デジタル半導体並びにＭＥＭＳチップの製造において絶縁層もしくはパッシベーション層として、絶縁膜として、高温接着剤として、医療用チューブの用途のために、及び柔軟性、軽量、並びに改良された環境回復力が望まれる他の用途のために、エレクトロニクス産業においてフレキシブル電気ケーブルの製造に使用される。

様々な実施形態において、ＶＳＤ材料は、フレキシブル回路（時々「フレックス回路（ｆｌｅｘｃｉｒｃｕｉｔ）」ともいわれる）に組み込まれてもよい。業界標準ＩＰＣ−Ｔ−５０において定義されるように、フレキシブル回路は、「フレキシブルなカバー層を有する又は有しないフレキシブルな基材を用いたプリント配線のパターン配置」である。フレキシブル回路の例には、電子部品（例えば、集積回路及び半導体チップ）又は回路素子（例えば、抵抗、キャパシタ、インダクタ、ダイオード、トランジスタ）を相互接続するのに使用される配線構造が含まれる。いくつかのフレキシブル回路は、直接又は追加のコネクタを介してのいずれかで他の電子アセンブリとの間の相互接続をするのに使用される。例えば、フレキシブル回路コネクタは、ディスプレイを主プリント基板に接続するために使用できる。集積回路及び受動部品がフレックス回路コネクタに取り付けることができるように、オプションでフレキシブル回路の一部を固くしてもよい。

ＶＳＤ材料は、フレキシブル回路の層に組み込まれてもよく、またフレキシブル回路自体に、フレキシブル回路に取り付けられたまたは別の方法でフレキシブル回路に形成された回路素子に、フレキシブル回路に取り付けられた電子コンポーネントに、及び／またはフレキシブル回路が配置された電子デバイスの他の部分に、ＥＳＤ保護を提供するために使用されてもよい。

１つの実施形態では、ＶＳＤ材料は、片面フレックス回路に組み込まれてもよい。片面フレキシブル回路は、フレキシブル誘電膜上の金属又は導電性（金属が充填された）ポリマーのいずれかで作られている単一の導体層を有する。コンポーネントの終端機能は片面のみに存在する。通常、はんだによる相互接続のためにコンポーネントリード線が貫通することが可能となるように、穴がベース膜に形成されてもよい。

１つの実施形態では、ＶＳＤ材料は、ダブルアクセスフレックス回路すなわちバックベアフレックス（ｂａｃｋｂａｒｅｄｆｌｅｘ）回路に組み込まれる。ダブルアクセスフレックス回路は、バックベアフレックスとしても知られており、単一の導電層を有するフレキシブル回路であるが、両面から導電パターンの選択された機能にアクセスすることができるように処理されている。

１つの実施形態では、ＶＳＤ材料は、スカルプチャード・フレックス（ｓｃｕｌｐｔｕｒｅｄｆｌｅｘ）回路に組み込まれてもよい。スカルプチャード・フレックス（ｓｃｕｌｐｔｕｒｅｄｆｌｅｘ）回路は、フレキシブル回路構造の一種である。スカルプチャード・フレックス（ｓｃｕｌｐｔｕｒｅｄｆｌｅｘ）回路の製造プロセスは、その長さに沿って様々な場所において厚さが異なる仕上げ済みの銅導体を有するフレキシブル回路を生み出す特別なフレックス回路多段階エッチング方法を伴う。

１つの実施形態では、ＶＳＤ材料は、両面フレックス回路に組み込まれてもよい。両面フレックス回路は、２つの導体層を有するフレックス回路である。このメッキスルーホールの変形例は、ずっと広く普及しているが、これらのフレックス回路は、メッキスルーホール有りで又は無しで組み上げられ得る。両面フレックス回路の例としては、軍事仕様により定義された、「ＴｙｐｅＶ（５）」フレックス回路がある。

１つの実施形態によれば、ＶＳＤ材料は、多層フレックス回路に組み込まれてもよい。２つ以上の導体層を有するフレックス回路は、多層フレックス回路として知られている。定義上の要件ではないが、一般に複数の層がメッキスルーホールにより相互接続される。なぜなら、より低い層の回路機能にアクセスするための開口を提供することが可能だからである。多層フレックス回路の複数の層は、メッキスルーホールにより占められる領域という自明な例外を除き構成全体にわたり連続的に重ねて作ってもよいし、そうでなくてもよい。

１つの実施形態では、ＶＳＤ材料は、リジッドフレックス回路に組み込まれてもよい。リジッドフレックス回路は、リジッド基板とフレキシブル基板からなりこれらを共に積層して単一構造としたハイブリッド構造のフレックス回路である。リジッドフレックスの層も通常はメッキスルーホールにより電気的に相互接続される。リジッドフレックス回路は、軍用品として広く使用されてきており、民生品としての使用も増加しつつある。リジッドフレックス基板は、通常多層構造である。いくつかのリジッドフレックス基板は２つの金属層を有する。

１つの実施形態では、ＶＳＤ材料は、硬化した又は補強されたフレックス回路に組み込まれてもよい。硬化した又は補強されたフレックス回路は、１つ又は複数の導体層を有してもよい。

１つの実施形態では、ＶＳＤ材料は、ポリマー厚膜フレックス回路に組み込まれてもよい。ポリマー厚膜（ＰＴＦ）フレックス回路は、導体がポリマーベース膜上にプリントされるプリント回路である。ＰＴＦフレックス回路は、単一の導体層構造であってもよく、あるいは連続してプリントされ、絶縁層により分離される２つ以上の金属層を備えてもよい。導体導電率が低い一方、ＰＴＦフレックス回路は、僅かに高い電圧で低電力の広い用途においてうまく役に立っている。ＰＴＦフレックス回路の普及している用途はキーボードである。

ＥＳＤ保護のためのＶＳＤ材料を備えるフレキシブル回路の用途には、自動車部品（例えば、計器パネル、ボンネットの中の操作、天井回路、ＡＢＳシステム）、コンピュータ並びに周辺装置（例えば、ドットマトリックス・プリンタヘッド、ディスクドライブ、インクジェットプリンタヘッド、プリンタヘッド・ケーブル）、家電製品（例えば、デジタルカメラ及びビデオカメラ、パーソナル娯楽製品、運動モニター、ハンドヘルド計算機）、産業用制御装置製品（例えば、レーザー測定デバイス、インダクタ・コイル・ピックアップ、コピー機、コイル・ヒーター）、医療機器（例えば、補聴器、心臓ペースメーカー、除細動器、超音波プローブヘッド）、計器（例えば、ＮＭＲアナライザ、Ｘ線撮影装置、粒子計数器、赤外線分析器）、電気通信製品（例えば、携帯電話、高速ケーブル、基地局、スマートカード及びＲＦＩＤ製品）、軍用製品、及び航空宇宙製品（例えば、衛星、計数パネル、プラズマディスプレイ、レーダー・システム、ジェットエンジン制御、暗視システム、ハイテク兵器、レーザー・ジャイロスコープ、魚雷、電子遮蔽技術、無線通信機器、監視システム）が含まれてもよい。

図面を参照して説明された実施形態は、例示として述べたものであり、出願の請求範囲は、このような例示的実施形態の詳細に限定されるべきではない。異なる例示的実施形態に別々に説明された特徴の組み合わせを含め、様々な修正及び変形が説明された実施形態に包含され得る。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲により定義されることを意図している。さらに、個別に又は実施形態の部分として記述された特定の特徴は、たとえ他の特徴と実施形態がその特定の特徴について言及がないとしても、他の個別に記述された特徴又は他の実施形態の一部と組み合わせることができることを意図している。

Claims

フレキシブル回路であって、電圧で切替可能な誘電体（ＶＳＤ）材料層を備え、前記ＶＳＤ材料層の少なくとも部分が静電気（ＥＳＤ）保護を提供するように構成される、フレキシブル回路。
前記ＥＳＤ保護は、前記フレキシブル回路自体に、前記フレキシブル回路に取り付けられた少なくとも１つの回路素子に、前記フレキシブル回路に形成された少なくとも１つの回路素子に、前記フレキシブル回路に取り付けられた少なくとも１つの電子コンポーネントに、又は前記フレキシブル回路が配置される電子デバイスの他の部分に提供される、請求項１に記載のフレキシブル回路。
前記フレキシブル回路は、片面のフレックス回路、ダブルアクセスフレックス回路もしくはバックベアフレックス回路、スカルプチャード・フレックス回路、両面フレックス回路、多層フレックス回路、リジッドフレックス回路、硬化したフレックス回路、補強されたフレックス回路、又はポリマー厚膜フレックス回路である、請求項１に記載のフレキシブル回路。
前記フレキシブル回路は、電子デバイス内に配置される、請求項１に記載のフレキシブル回路。
前記電子デバイスは、移動電話機、スマートフォン、パーソナル通信デバイス、電子タブレット、電子リーダー、モバイルコンピュータ、デスクトップコンピュータ、サーバーコンピュータ、テレビジョンセット、ビデオディスプレイ、音楽プレーヤー、パーソナル健康管理デバイス、発光ダイオード（ＬＥＤ）、少なくとも１つのＬＥＤを備えるデバイス、又は照明モジュールである、請求項４に記載のフレキシブル回路。
フレキシブル基板であって、静電気（ＥＳＤ）保護を提供するためにギャップを越えてスイッチするように構成された、電圧で切替可能な誘電体材料構成（ＶＳＤＭ構成）を備える、フレキシブル基板。
前記ＶＳＤＭ構成は、前記電圧で切替可能な誘電体材料により形成された水平ギャップを越えてスイッチするように構成された水平スイッチングＶＳＤＭ構成、又は前記電圧で切替可能な誘電体材料の厚さにより形成される垂直ギャップを越えてスイッチするように構成された垂直スイッチングＶＳＤＭ構成である、請求項６に記載のフレキシブル基板。
前記フレキシブル基板は、単一層ＰＣＢ、複数層ＰＣＢ、単一層パッケージ、半導体デバイスの複数層パッケージ、半導体デバイスの複数層パッケージ、ＬＥＤ基板、集積回路（ＩＣ）基板、インターポーザー、２つ以上の電子部品を接続するプラットフォーム、デバイスもしくは基板、積層パッケージング形式、ウエハー−レベルパッケージ、パッケージ−イン−パッケージ、システム−イン−パッケージ、又は少なくとも２つの前記パッケージもしくは基板を積み重ねた組み合わせである、請求項６に記載のフレキシブル基板。
前記フレキシブル基板は、電子デバイスに含まれている、請求項８に記載のフレキシブル基板。
前記電子デバイスは、移動電話機、スマートフォン、パーソナル通信デバイス、電子タブレット、電子リーダー、モバイルコンピュータ、デスクトップコンピュータ、サーバーコンピュータ、テレビジョンセット、ビデオディスプレイ、音楽プレーヤー、パーソナル健康管理デバイス、発光ダイオード（ＬＥＤ）、少なくとも１つのＬＥＤを備えるデバイス、または照明モジュールである、請求項９に記載のフレキシブル基板。
フレキシブル回路を備える電子デバイスであって、、前記フレキシブル回路は、電圧で切替可能な誘電体（ＶＳＤ）材料層を備え、前記ＶＳＤ材料層の少なくとも部分が、前記電子デバイスの少なくとも部分に静電気（ＥＳＤ）保護を提供するように構成される、電子デバイス。
前記電子デバイスは、移動電話機、スマートフォン、パーソナル通信デバイス、電子タブレット、電子リーダー、モバイルコンピュータ、デスクトップコンピュータ、サーバーコンピュータ、テレビジョンセット、ビデオディスプレイ、音楽プレーヤー、パーソナル健康管理デバイス、発光ダイオード（ＬＥＤ）、少なくとも１つのＬＥＤを備えるデバイス、又は照明モジュールである、請求項１１に記載の電子デバイス。
前記ＶＳＤ材料は、（ｉ）剥離強度が３より大きく、（ｉｉ）熱膨張率が１００以下であり、及び（ｉｉｉ）ガラス転移温度が１００℃より大きい、ことを特徴とする、請求項１１に記載の電子デバイス。