KR101235950B1 - 수직 절환 구성에서의 전압 절환형 유전 물질이 내장된 층을 이용하는 기판 장치 또는 패키지 - Google Patents

수직 절환 구성에서의 전압 절환형 유전 물질이 내장된 층을 이용하는 기판 장치 또는 패키지 Download PDF

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Abstract

기판 장치는 접지를 제공하는 층(240) 또는 전도성 소자 위에 있는 VSD 물질(230)이 내장된 층을 포함한다. 보호될 회로 소자에 연결된 전극(210)은 기판의 두께 내로 연장되어서 VSD층과 접촉하게 한다. 회로 소자가 정상 전압하에서 작동되면, VSD층은 유전체이지만 접지에 연결되지 않는다. 회로 소자 상에 일시적 전기 현상이 일어나면, VSD층은 즉시 전도성 상태로 절환하여 제 1 전극이 접지에 연결된다.

Description

수직 절환 구성에서의 전압 절환형 유전 물질이 내장된 층을 이용하는 기판 장치 또는 패키지{SUBSTRATE DEVICE OR PACKAGE USING EMBEDDED LAYER OF VOLTAGE SWITCHABLE DIELECTRIC MATERIAL IN A VERTICAL SWITCHING CONFIGURATION}
관련 출원
본 출원은 2008년 4월 14일자로 출원된 미국 가특허출원 번호 61/044,883호에 대한 우선권을 주장하며; 전술한 우선권 출원은 그 전체가 참조로서 본 명세서에 포함된다.
발명의 분야
본 명세서에 설명된 구현예들은 전압 절환형 유전 물질을 이용하는 기판 장치 및 패키지에 관련된다. 특히, 본 명세서에 설명된 구현예들은 수직 절환 구성에서 전압 절환형 유전 물질층이 내장된 기판 장치 및 패키지에 관련된다.
전압 절환형 유전(VSD) 물질은 낮은 전압에서는 절연성이고, 보다 높은 전압에서는 전도성인 물질로 알려져 있다. 이들 물질은 전형적으로 절연성 폴리머 매트릭스에서 전도성, 반전도성 및 절연성 입자로 구성된 복합물이다. 이들 물질은 전자 장치의 일시적 보호, 가장 두드러지게는 정전기 방전(electrostatic discharge; ESD) 보호 및 전기적 과부하(electrical overstress; EOS)에 사용된다. 일반적으로, VSD 물질은 특징적 전압 또는 전압 범위가 적용되지 않는다면 유전체로서 작용하며, 적용되는 경우에는 전도체로서 작용한다. 다양한 종류의 VSD 물질이 존재한다. 전압 절환형 유전 물질의 예들은 미국특허 제4,977,357호, 미국특허 제5,068,634호, 미국특허 제5,099,380호, 미국특허 제5,142,263호, 미국특허 제5,189,387호, 미국특허 제5,248,517호, 미국특허 제5,807,509호, WO 96/02924호 및 WO 97/26665호와 같은 참고문헌에 제시되어 있으며, 이들 모두는 본 명세서에 참조로서 포함된다.
VSD 물질은 다양한 방법 및 물질 또는 조성물을 이용하여 형성될 수 있다. 하나의 통상적 기법은 폴리머의 층을 침투 문턱값(percolation threshold)에 매우 가깝게 높은 농도, 전형적으로는 25부피% 이상의 금속 입자로 충전시키는 것을 제공한다. 그런 다음 반도체 및/또는 절연 재료가 혼합물에 첨가된다.
또 다른 통상적 기법은 도핑된 산화금속 분말을 혼합함으로써 VSD 물질을 형성한 다음, 상기 분말을 소결시켜서 결정 입계를 가지는 입자를 생성한 다음, 침투 문턱값 이상으로 폴리머 매트릭스에 입자를 첨가한다.
VSD 물질을 형성하기 위한 다른 기법 및 조성물은 발명이 명칭이 전도성 또는 반전도성 유기 물질을 가지는 전압 절환형 유전 물질인 미국특허 출원 제11/829,946호; 및 발명이 명칭이 고종횡비(high aspect ratio) 입자를 갖는 전압 절환형 유전 물질인 미국특허 출원 제11/829,948호에 설명되어 있다.
본 명세서에 개시된 구현예는 수직 절환 구성에서의 전압 절환형 유전(VSD) 물질의 층이 내장된 기판 장치 및 패키지에 관련된다.
구현예에 따르면, 기판 장치는 전도성 소자 또는 층의 위에 있는 VSD 물질이 내장된 층을 포함함으로써 접지를 제공한다. 보호될 회로 소자에 연결된 전극은 기판의 두께로 연장되어 VSD층과 접촉하도록 한다. 상기 회로 소자가 정상 전압하에서 작동되면 VSD층은 비전도성이고, 제 1 전극은 접지에 연결되지 않는다. 상기 회로 소자에 일시적 전기 현상이 일어나면, VSD층은 즉시 전도성 상태로 절환되어, 제 1 전극은 접지에 연결된다. 상기 구성은 일시적 전기 현상으로부터 제 1 전극에 연결하는 연결된 장치 및 회로 소자를 보호한다.
구현예에 따르면, 기판 장치는 두 개의 전극을 서로 수직으로 이격하고 있는데, 전극 중 첫번째 것은 보호될 장치와 회로 소자에 연결되고, 전극 중 두번째 것은 접지에 연결된다. VSD 물질층은 제 2 전극 상에 위치하고, 전기적 절연 물질(즉, 프리프레그 또는 B-스테이지(stage) 수지)의 아래에 위치한다. 상기 전기적 절연 물질은 높은 유전 상수를 갖는 물질로서 특징지워질 수 있다. 구현예에 따르면, 제 1 전극은 VSD 물질과 접촉하도록 유전층을 통해 수직으로 연장된다.
더 추가적으로, 구현예는 제 1 전극이 유전층 내로 연장되어 구성됨으로써 정밀 깊이로 드릴링된 VSD 물질에 도달하는 것을 제공한다. 한 구현예는 개구를 만들기 위해 레이저를 사용하는 것을 제공하는데, 이 개구로부터 제 1 전극이 형성된다.
형성된 것과 같은 구성은 VSD 물질이 수직으로 절환되도록 하여, 전기적 일시 현상시 제 1 전극과 제 2 전극(접지되어 있음)이 전기적으로 연결되도록 한다.
더 추가적으로, 다른 구현예에서 제 1 전극 및 접지면 또는 다른 전극을 포함하는 기판 장치가 제공된다. 제 1 전극 및 접지면은 수직 치수를 정의하는 두께에 의해 분리된다. VSD 물질층은 제 2 전극 상에 제공되거나, 또는 적어도 부분적으로 제 2 전극과 접촉함으로써 두께 내에 내장된다. 상기 VSD 물질은 지정된 문턱 수준(threshold level)을 초과하는 에너지(전압 또는 전류)의 적용으로 유전 상태에서 전도성 상태로 절환시키는데 촉발성이다. 접지 경로는 적어도 제 1 전극으로부터 접지면에 수직 치수로 연장될 수 있다. 상기 접지 경로는 적어도 VSD 물질층의 두께를 포함한다. 상기 접지 경로는 VSD 물질의 지정된 문턱값을 초과하는 에너지를 공급하는 일시적 전기 현상의 존재하에서만 전기적으로 전도성 또는 활성이다.
더 추가적으로, 본 명세서에 기재된 구현예는 기판 장치의 맥락에서 전기적 절연 물질(예를 들어, 프리프레그)의 내부 두께를 통해 전극층으로부터 VSD 물질이 내장된 층 내로 연장되는 구멍 또는 개구를 형성하는데 레이저가 사용될 수 있다는 것을 인지한다. 특히, 하나 이상의 구현예는 레이저(예를 들어 야그(YAG) 레이저)가 VSD 물질의 분해 또는 레이저 사용으로 인한 기타 원하지 않는 효과 없이 VSD 물질이 내장된 층에 접촉하는 구멍을 드릴링하는데 사용될 수 있다는 것을 인지한다. 이러한 레이저는 전기적 절연 물질로부터 VSD 물질로의 변화를 정밀하게 감지함으로써, 상당량의 VSD 물질을 제거하지 않고 개구 또는 구멍을 만들 수 있도록 조정될 수 있다. 한 구현예에서, 레이저에 의해 형성되는 개구의 아래에 있는 VSD 물질층은 실질적으로 개구 형성 전의 개구 두께와 동일한 두께를 갖는다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "실질적으로"란 용어는 명시된 양의 99% 이내를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "프로그램적으로"란 용어는 처리 장치(processor), 컴퓨터 또는 프로세싱 리소스(예를 들어, 처리 장치 또는 집적 회로)에 의해 수행되는 바와 같이 코드 또는 지시의 실행을 통한 것을 의미한다.
도 1은 다양한 구현예에 따른 VSD 물질의 성분을 도시하는 VSD 물질층 또는 두께의 예시적(정확한 치수가 아님) 단면도이다.
도 2a는 구현예에 따라 수직으로 절환하는 기판 상에 위치하는 VSD 물질이 내장된 층을 가지는 기판 장치를 예시한다.
도 2b는 기판 장치에 대한 측면 절환 정렬을 예시한다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2a의 구현예에 의해 나타내고 도시된 것과 같은 기판 장치를 만들기 위한 방법 또는 기법을 도시한다.
도 4는 구현예 하에서 실제 레이저 드릴링된 개구(314)용 구멍을 예시한다.
도 5는 하나 이상의 구현예에 따라 VSD 물질의 수직 절환 층을 포함하는 다층 인쇄 회로 기판(또는 다른 기판 장치)를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 구현예 하에서 일시적 전기 현상에 대해 수직으로 절환된 보호성 구성요소를 제공하기 위하여 VSD 물질이 내장된 층을 이용하는 다층 인쇄 회로 기판의 공정 플로우를 예시한다.
도 7은 도 2a에 나타낸 구현예에 대한 변형을 예시한다.
전압 절환형 유전( VSD ) 물질
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "전압 절환형 물질" 또는 "VSD 물질"은 장(field) 또는 전압이 물질의 특징적 수준을 초과하는 물질에 적용되지 않는다면 유전성 또는 비전도성인 특징을 갖고, 적용되는 경우에는 전도성인 임의의 조성물 또는 조성물의 조합물이다. 따라서, VSD 물질은 특징적 수준(예를 들어, ESD 현상에 의해 제공되는 것과 같은)을 초과하는 전압(또는 장)이 물질에 적용되지 않는다면 유전성이고, 적용되는 경우에는 VSD 물질은 전도성 상태로 절환된다. VSD 물질은 비선형 저항 물질로 더욱 특징지워질 수 있다. 다수의 적용에 있어서, VSD 물질의 특징적 전압은 회로 또는 장치의 작동 전압 수준을 여러 배 이상 초과하는 값의 범위에 있다. 이러한 전압 수준은 구현예가 계획된 전기적 현상의 사용을 포함할 수 있기는 하지만, 정전기 방전에 의해 제조되는 것과 같은 일시적 조건의 등급일 수 있다. 더욱이, 하나 이상의 구현예는 특징적 전압을 초과하는 전압의 부재하에서, 물질이 바인더(즉, 비전도성 또는 유전성)와 유사하게 작용하는 것을 제공한다.
더 추가적으로, 구현예는 부분적으로 전도체 또는 반도체 입자와 혼합되는 바인더를 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 것을 제공한다. 특징적 전압 수준을 초과하는 전압의 부재하에서, 상기 물질은 전체적으로 바인더의 유전성 특징에 적합하다. 특징적 수준을 초과하는 전압의 적용으로 상기 물질은 전체적으로 전도성 특징에 적합하다.
본 명세서에 설명된 구현예에 따라서, VSD 물질의 성분은 바인더 또는 폴리머 매트릭스에 균일하게 혼합될 수 있다. 한 구현예에서, 상기 혼합물은 나노스케일로 분산되는데, 이는 전도성/반-전도성 물질을 포함하는 입자가 적어도 하나의 치수(예를 들어, 단면)에서 나노스케일이고, 부피 내에 전체적으로 분산된 양을 포함하는 상당수의 입자는 개별적으로 분리(덩어리화되거나, 함께 압축되지 않도록 하기 위해)되어 있음을 의미한다.
더 추가적으로, 전자 장치는 본 명세서에서 기재된 임의의 구현예에 따라서 VSD 물질을 제공할 수 있다. 이러한 전기 장치는 인쇄 회로 기판, 반도체 패키지, 개별 소자, 박막 일렉트로닉스, 발광 다이오드(LED), 무선 주파수(RF) 구성요소 및 디스플레이 장치와 같은 기판 장치를 포함할 수 있다.
VSD 물질의 어떤 조성물은 단지 침투되는 양 미만의 폴리머 바인더에 전도성 및/또는 반도체 물질을 로딩함으로써 작동한다. 침투는 비교적 낮은 전압이 적용되었을 때 연속적인 전도성 경로가 존재함에 따른 통계적으로 정의된 문턱값에 상응할 수 있다. 침투 문턱값을 보다 잘 조절하기 위하여 다른 절연성 물질 또는 반도체 물질이 첨가될 수 있다. 더 추가적으로, 어떤 구현예는 폴리머 수지 내에 분산된 배리스터 입자로부터 VSD 물질을 구성할 수 있다.
도 1은 다양한 구현예에 따른 VSD 물질의 성분을 도시하는 VSD 물질층 또는 두께의 예시적(정확한 치수가 아님) 단면도이다. 도시된 바와 같이, VSD 물질(100)은 매트릭스 바인더(105) 및 다양한 농도로 바인더에 분산된 다양한 유형의 입자 성분을 포함한다. 상기 VSD 물질의 입자 성분은 금속 입자(110), 반전도성 입자(120) 및 고종횡비(HAR) 입자(130)를 포함할 수 있다. VSD 조성물 내에 포함되어 있는 입자 성분의 유형은 VSD 물질의 원하는 전기 및 물리적 특징에 따라 달라질 수 있음에 주의해야 한다. 예를 들어, 어떤 VSD 조성물은 금속 입자(110)를 포함하지만, 반전도성 입자(120) 및/또는 HAR 입자(130)는 포함하지 않을 수 있다. 더 추가적으로, 다른 구현예는 전도성 입자(110)의 사용을 생략할 수 있다.
매트릭스 바인더(105)의 예는 폴리에틸렌, 실리콘, 아크릴레이트, 폴리이미드, 폴리우레탄, 에폭시, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리술폰, 폴리케톤 및 이들의 공중합체, 및/또는 블렌드물을 포함한다.
전도성 물질(110)의 예는 구리, 알루미늄, 니켈, 은, 금, 티타늄, 스테인레스강, 크롬, 기타 금속 합금과 같은 금속, 또는 이붕화티타늄과 같은 전도성 세라믹을 포함한다. 반전도성 물질(120)의 예는 유기 및 무기 반도체 모두를 포함한다. 어떤 무기 반도체는 탄화규소, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화니켈, 산화아연, 황화아연, 산화비스무트, 이산화티타늄, 산화세륨, 산화비스무트, 산화주석, 산화인듐주석, 산화안티몬주석 및 산화철을 포함한다. VSD 물질의 특정 적용에 가장 적합한 기계적 및 전기적 특성을 위해 특정한 구성물 및 조성이 선택될 수 있다. HAR 입자(130)는 유기(예를 들어, 탄소 나노튜브, 그래핀) 또는 무기(예를 들어, 나노-와이어 또는 나노로드)일 수 있고, 다양한 농도로 다른 입자들 사이에 분산될 수 있다. HAR 입자(130)의 보다 구체적인 예는 나노와이어 또는 특정 유형의 나노로드에 의해 제공되는 것과 같은 전도성 또는 반-전도성 무기 입자에 해당할 수 있다. 이러한 입자용 물질은 구리, 니켈, 금, 은, 코발트, 산화아연, 산화주석, 탄화규소, 비소화갈륨, 산화알루미늄, 질화알루미늄, 이산화티타늄, 안티몬, 질화붕소, 산화주석, 산화인듐주석, 산화인듐아연, 산화비스무트, 산화세륨 및 산화안티몬아연을 포함한다.
매트릭스(105) 내의 다양한 부류의 입자의 분산에 의해 VSD 물질(100)은 그 조성물 내에서는 층을 형성하지 않고 균일하지만, 전압 절환형 유전 물질의 전기적 특성을 나타낼 수 있다. 일반적으로 다른 장 측정은 전압에 대한 대안으로 사용될 수 있기는 하지만, VSD 물질의 특징적 전압은 볼트/길이(예를 들어, 5밀리리터당)로 측정된다. 따라서, VSD 물질층의 경계(102)를 가로질러 적용되는 전압(108)은 전압이 갭 거리(L)에 대한 특징적 전압을 초과하면, VSD 물질(100)은 전도성 상태로 절환될 수 있다. 전도성 상태에서는, 매트릭스 복합물(매트릭스 바인더(105) 및 입자 성분을 포함)이 전도성 입자들(110) 사이에서 VSD 물질의 하나의 경계로부터 다른 경계로 전하를 전도한다(전도성 경로(122)에 의해 도시됨). 하나 이상의 구현예는 VSD 물질이 작동 회로의 전압 수준을 초과하는 특징적 전압 수준을 가지는 것을 제공한다. 언급한 바와 같이, 다른 특징적 장 측정도 사용될 수 있다.
유기 및/또는 HAR 입자를 VSD 물질의 조성물에 투입하는 특정 조성물 및 기법은 발명의 명칭이 "전도성 또는 반-전도성 유기 물질을 갖는 전압 절환형 유기 물질"인 미국 출원 제11/829,946호; 및 발명의 명칭이 "고종횡비 입자를 갖는 전압 절환형 유전 물질"인 미국 출원 제11/829,948호에 설명되어 있으며, 상기한 특허 출원은 모두 본 출원에 의해 이들 각각의 전체가 참조로서 포함된다.
VSD 물질이 폴리머 수지 내에 분산된 배리스터 입자로부터 형성되는 구현예에서, 산화금속 배리스터는 Bi, Cr, Co, Mn 및 Sb를 이용하여 형성될 수 있다. 상기 조성물은 다른 온도 범위에서 사용될 수 있기는 하지만, 800℃ 내지 1300℃에서 소결되는 도핑된 ZnO 분말을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 소결에 의해, 적용된 전기장에 대하여 비선형 함수로 변화하는 전기 전도성을 갖는 전기 입자를 얻을 수 있다.
내장된 VSD 물질을 갖는 수직 절환
VSD 물질을 이용하는 하나의 방법은 VSD 물질을 반도체 장치 상에 층으로서 내장하는 것이다. VSD 물질층은 VSD 물질의 특징적 문턱값을 초과하는 일시적 전기 현상의 발생으로 접지 소자를 가지는 기판의 회로 소자를 전기적으로 상호 연결하도록 위치한다. 기판 장치는 VSD 물질층을 통합함으로써 상기 층이 수직 또는 수평으로 절환(전도성 상태로)하도록 할 수 있다.
도 2a는 구현예에 따라 기판 상에 위치하여 수직으로 절환하는 VSD 물질이 내장된 층을 갖는 기판 장치를 예시한다. 도 2a를 참조하면, 기판 장치(200)는 제 1 전극(210), 전기적 절연 물질층(220), VSD 물질층(230) 및 제 2 전극(240)을 포함한다. 전기적 절연 물질은 예를 들어, 프리프레그, B-스테이지 수지, 폴리이미드(또는 고유전 상수 물질)에 해당할 수 있다. 구체적인 예로서, 전기적 절연 물질은 에폭시 함침된 유리 직물에 해당하거나 포함할 수 있다. 제 1 전극(210)은 층(220) 내로 깊이를 연장하여 전극의 일부분(212)은 VSD 물질층(230)과 물리적으로 접촉하게 된다. 제 2 전극(240)은 기판 장치의 아랫면에 내장되거나 또는 제공될 수도 있다. 제 2 전극(240)은 접지에 연결된다.
프리프레그와 같은 전기적 절연 물질(220)을 사용함으로써 기판의 보다 큰 부분이 상호 연결되거나 일반적인 접지면에 연장될 수 있게 한다. 기타의 이익 중에서, 프리프레그 및 다른 전기적 절연 물질은 회로 소자가 전기적 간섭없이 루트(route)되거나 트레이스(trace)되도록 한다. 본 명세서에 설명된 구현예와 관련해서, 전기적 절연 물질(220)은 표면 전극(제 1 전극(210)으로 예시됨)이 누설 전류, 커플링 또는 기타 전기적 간섭을 최소화하여 접지면에 루트되도록 한다.
구현예에 따르면, 제 1 전극(210)은 일시적 전기 현상으로부터 보호될 회로, 구성요소 또는 영역에 대해 기판 장치 상에 전기적으로 연결된다. 제 1 전극(210)은 VSD층(230)(제 1 전극(210)의 아래 부분쪽으로 연장됨) 두께의 적어도 상당 부분(예를 들어, 80%)에 해당하는 갭(215)에 의해 제 2 전극(240)으로부터 분리된다. 구현예에서, 제 1 전극(210)은 (i) VSD 물질층이 증착된 후에 형성되고, (ii) 임의의 측정 가능한 양 또는 중요성으로 VSD 물질의 두께에 영향을 주지 않으면서 VSD 물질층으로 연장된다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 전극(210,240)을 분리하는 갭(215)은 제 1 전극(210) 형성 전에 VSD 물질층(230) 두께의 99% 이상의 치수로 될 수 있다. 그러나, 도 2a의 구현예에 도시된 바와 같이, 갭(215)은 제 1 전극(210)으로부터의 침입(intrusion)없이 VSD 물질의 두께보다 작은 치수를 가지도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 갭(215)은 제 1 전극(210)의 침입에 인접하는 VSD 물질 두께의 25%, 50% 또는 75%를 차지할 수 있다.
일시적 전기 현상이 일어나는 경우, 제 1 전극(210)은 전기 현상으로부터의 전류를 VSD 물질층(230)에 대해 수직으로 운반함으로써, VSD 물질이 전도성 상태로 즉시 절환하도록 한다. VSD 물질은 갭(215) 전역에서 수직으로 절환하여 제 1 전극(210)과 제 2 전극(접지)을 전기적으로 연결한다. 이러한 방식으로, 제 1 전극(210)과 제 2 전극(240)은 전기적으로 상호 연결되고, 제 2 전극은 접지면 또는 소자에 연결됨으로써 일시적 전기 현상이 접지되도록 한다.
도 2a에 의해 나타낸 것과 같은 구현예와 비교하여, 도 2b는 기판 장치에 대한 측면 절환 정렬을 예시한다. 전형적 구성에 있어서, 제 1 전극(252) 및 제 2 전극(254)을 포함하는 전도성 소자는 VSD 물질층(260) 상부에 위치한다. 측면 갭(255)은 전형적으로 에칭 또는 기타 공정을 이용하여 층으로부터 전도성 소자를 제거함으로써 형성된다. 프리프레그 또는 다른 전기적 절연 물질(270)이 사용된다면, VSD 물질(260)은 전형적으로 프리프레그 상에 놓여진다. 전도성 물질의 다른 층(280)은 비아(256) 또는 기타 전기적 상호 연결을 통해 제 2 전극(254)에 접지 경로를 연장할 수 있다. 일시적 전기 현상이 일어나는 경우, 제 1 및 제 2 전도성 소자들 사이에서 연장되는 VSD 물질(260)의 일부분은 전도성 상태로 절환됨으로써, 제 1 전극(252)이 제 2 전극(254)에 의해 제공되는 접지 경로에 전기적으로 상호 연결된다.
도 2a에 의해 나타내는 것과 같은 구현예는 도 2a에 의해 도시되는 것과 같은 측면 절환 정렬에 비해 수많은 이점을 제공한다. 측면 절환 구성에 있어서, 갭(255)은 비교적 높은 허용 오차(tolerance)를 갖는 공정(예를 들어, 에칭)에 의해 형성된다. 그와 같이 갭(255)은 특히 특정 허용 오차 또는 크기로 형성하기 어렵다. 구현예는 VSD 물질이 언제 절환하는지에 대하여 갭(255)이 중요한 치수임을 인지한다. 갭(255)의 변형은 VSD 물질층(260) 절환에 요구되는 클램프/트리거 전압에 영향을 준다. 측면 절환에 대한 치수로서, 상기 치수는 특히 작은 크기의 갭 제조시 조절하기 매우 어렵다.
더욱이, 도 2b에 나타낸 평면 기하학 구성은 특히 전극의 가장자리에서 국소적 전위차 및 높은 전기장 농도를 유발시키는 비균일의 전기장 분포를 촉진한다. 이러한 비균일성은 VSD 물질의 트리거/클램프 전압을 유사한 수직 갭/절환 정렬보다 더 높게 할 수 있다.
도 2a는 2개의 수직으로 분리된 전극 사이에서 VSD 절환을 가능하게 하는 낮은 허용 오차의 갭 형성을 도시하지만, 구현예는 갭 형성을 도 2a에 도시된 바와 같이 정확하게 할 필요는 없음을 인지한다. 예를 들어, 도 7의 구현예는 제 1 전극이 VSD 물질층으로 약간의 깊이로 연장된 구성을 도시한다.
수직 구조 형성
도 3a 내지 도 3c는 도 2a의 구현예에 의해 나타내고 도시되는 것과 같은 기판 장치를 만들기 위한 공정 또는 기법을 도시한다.
도 3a에 있어서, 다층 기판 장치는 전도성 물질(예를 들어, 구리)의 층, 전기적 절연 물질(310), VSD 물질층(320) 및 접지(330)를 제공하는 전도성 층을 포함하여 형성된다. 이러한 단계에서의 기판 장치의 형성은 적층체 또는 적층된 구조로서 참조될 수 있다.
도 3b에 있어서, 개구(314)는 전기적 절연 물질(310)을 통해 VSD 물질층(320)에 연장되도록 형성된다. 개구(314)는 마이크로 비아로 일컬어질 수 있다. 개구(314)는 적어도 깊이 치수에 있어서 정밀하게 형성됨으로써 개구의 형성을 VSD 물질(320)에서 정지시킬 수 있다. 한 구현예에서, 개구는 레이저(334)로 드릴링된다. 개구(314)는 프린팅, 에칭(전도성 물질) 및 드릴링(레이저 또는 정밀 드릴링 포함)을 포함하는 일련의 방법 또는 방법 중 일부로서 형성될 수 있다. 개구를 형성함에 있어서 VSD 물질층의 상부 또는 표면에 정밀한 깊이를 제공하기 위하여 야그 레이저가 사용될 수 있다. 야그 레이저는 개구(314)를 자동적으로 정밀 깊이로 드릴링하게 하는 메카니즘(336)을 포함할 수 있다. 한 구현예에서, 전기적 절연 물질을 통한 정밀 깊이에 필요한 레이저의 시간/전력의 양은 알려진 파라미터일 수 있다. 더 추가적으로, 실행예는 특정 유형의 프리프레그(또는 다른 전기적 절연 물질)에 대해 드릴 깊이로 레이저를 작동하는 전력 및 시간을 나열 또는 결합(예를 들어, 표를 통해)시킬 수 있다. 이러한 정보로, 레이저는 VSD 물질에 정밀하게 도달하기 위하여 개구(314)를 드릴링하는 시간 및 전력 수준으로 작동될 수 있다. 어떤 실행예에서, 개구(314)의 깊이를 측정하기 위하여 드릴링이 중단되는 공정이 수행될 수 있다. 이러한 공정의 중단 및 진행은 예를 들어 프리프레그로부터 VSD 물질로의 변화선(transition line) 상의 드릴링을 막을 수 있다. 정밀 깊이를 드릴링하는 것 뿐만 아니라, 레이저의 사용은 X 및 Y 방향의 전진 측면(precession lateral) 드릴링 또한 가능하게 한다.
다른 구현예에서, 레이저(334)는 개구(314)의 바닥에서 VSD 물질의 존재를 감지하는 광학 센서와 같은 선택적 피드백 메카니즘(336)으로 작동될 수 있다. VSD 물질이 일단 감지되면, 레이저 드릴링은 중단된다. 이러한 구현예에서, 레이저(334)는 VSD 물질층(320)의 존재, 보다 구체적으로는 전기적 절연 물질(310)의 유전체 두께로부터 VSD 물질층(320)으로의 변화를 프로그램적으로 감지하도록 구성된 통합된 또는 분리된 구성요소로 구성될 수 있다. 피드백 메카니즘(336)은 레이저의 출력과 관련된 특성을 평가하기 위하여 메모리와 같은 다른 리소스, 및/또는 VSD 물질(320)로의 변화를 감지하기 위하여 드릴링된 물질의 광학 특성과 조합된 통합 처리 장치일 수 있다. 또는, 피드백 메카니즘(336)은 프로세싱 리소스(예를 들어, 회로망(circuitry)을 포함하는 펌웨어 또는 하드웨어 로직)로 실행될 수 있다.
하나 이상의 구현예에 따라, 레이저 드릴을 사용함으로써 VSD 물질층(320)으로부터 상당량의 물질을 제거하지 않고 개구(314)가 VSD 물질층(320)에 도달하도록 할 수 있다. 구현예에서, 상기 레이저는 VSD 물질층의 1% 이하를 제거한다. 구현예는 추가로 상기 레이저가 100옹스트롬 이하, 더욱이는 10옹스트롬 이하의 허용 오차로 프리프레그(또는 다른 전기적 절연 물질)에 깊이 레이저를 발하는데 있어서 조절될 수 있다.
도 3c는 개구(314) 상에 형성된 반도체 장치의 전극(340)을 제공한다. 구현예에서, 개구(314)는 도금되거나 또는 그렇지 않으면 개구(314)에 전도성 물질을 제공하여 전극(340)을 형성한다. 상기 전도성 물질은 개구(314)의 벽 또는 다른 수직 치수를 형성할 수 있다.
적용에 있어서 도 2a 및 다른 부분으로 기재된 바와 같은 구현예는 VSD 물질을 이용하는 수직 절환을 제공하기 위하여 보다 통상의 접근법에 비해 여러 가지 이점을 제공한다. 예를 들어, 몇 가지 과거의 접근법은 VSD 물질층(320)을 포함하지만, 전도성 개구를 원하는 대로 형성하기 위하여 드릴링된 구멍 또는 유사한 구조를 사용하고 있지는 않다. 레이저-드릴링을 포함하는 드릴링은 예를 들어, 에칭보다 더욱 정밀하고 촘촘하게 이격된 갭 또는 두께를 가능하게 한다. 그렇기 때문에, 도 1로 나타내고 설명된 바와 같은 구조에서 이격 또는 허용 오차 수준 및 치수는 다수의 통상의 접근법하에서 제공되는 것들보다 촘촘할 수 있다.
더욱이, VSD 물질의 수직 절환을 제공하는 과거의 접근법은 프리프레그 또는 다른 전기적 절연 물질(310)과 같은 별도의 층들을 사용하는 것에 대해 설명하지 못했다. 본 명세서에서 설명된 구현예는 기판 장치의 다양한 층에(또는 층 상에) VSD 물질을 실행하는 것을 제공한다.
더 추가적으로 통상의 접근법과 비교하여, 수직 절환 구성을 갖는 내장된 VSD 물질의 사용은 도 2b에 나타낸 것과 같은 통상의 접근법으로부터 신뢰성있게 얻어질 수 있는 것보다 더욱 낮은 "턴 온" 또는 클램핑 전압을 가능하게 한다. 언급한 바와 같이, 이는 수직 두께(도 3c의 구현예에서의 전극 "갭")가 인쇄 회로 기판 및 기판 제조 방법(예를 들어, 에칭으로부터 제공되는 것과 같은)보다 더욱 작은 치수로 더욱 정밀하게 조절될 수 있기 때문이다.
구현예에 따라, 도 3c(또는 도 2a)에 의해 도시되는 것과 같은 구조는 VSD 물질층에 도달하는 하나 이상의 개구 또는 마이크로 비아(u 비아)를 단순히 제공함으로써 임의의 회로 상의 임의의 네트, 핀 및 패드에 대해 ESD 보호를 완벽하게 할 수 있다. 대조적으로, 도 2b로 설명되는 것과 같은 수평 절환 배향은 VSD 물질을 통과하는 네트, 핀 또는 패드만을 보호한다. 수평 절환 배향에서, 통상의 PCB 상의 다수(예를 들어, 80%)의 핀은 보호되지 않은 상태로 남을 것이다.
도 4는 구현예 하에서 개구(314)용의 실제 레이저로 드릴링된 구멍을 예시한다. 구멍(410)은 엑시머, 야그 또는 CO2 레이저와 같은 상업적으로 이용 가능한 레이저를 이용하여 드릴링될 수 있다. 구현예는 상기 레이저가 VSD 물질의 특성에 기초하여 선택될 수 있다고 인지하며, 예를 들어 CO2 레이저는 빛을 산란시킬 수 있어서 특정 유형의 VSD 물질에 대해 안전하게 드릴링할 수 없다. 하지만 동일한 VSD 물질에 대해 야그 레이저는 구멍(410)을 용이하게 만들 수 있어, 외부 전극(412) 및 프리프레그(또는 다른 전기적 절연 물질)을 관통한다. 개구(410)는 연장되어 VSD 물질층(418)에 도달할 수 있어, 제 2 전극(420)과 접촉하거나 또는 제 2 전극(420) 상에 놓인다. 그러나 이전에 언급한 바와 같이, 구멍(410)을 만드는 레이저는 프리프레그(416)로부터 VSD 물질(420)로의 변화를 감지하는 능력을 가질 수 있다. 상기 변화를 즉시 감지할 수 있는 능력은 구멍(410)이 VSD 물질층에 도달은 하지만 연장되지는 않도록 만들어지게 한다. 선택적으로 구멍(410)은 플라스마 또는 화학적 에칭(디스미어)에 의해 유리된 수지가 없도록 세정될 수 있다.
다층 구조
도 2a에 도시된 것과 같은 기판 장치 구성은 보다 큰 기판 내에서 별개의 두께로서 적층되거나 통합될 수 있다. 도 5는 하나 이상의 구현예에 따라서, VSD 물질의 수직 절환 층을 통합하는 다층(8층) 인쇄 회로 기판(또는 다른 기판 장치)를 보여준다. 소형 전자 장치(예를 들어, 휴대 전화)에 대한 전형적인 회로 기판 구성에 있어서, 상기 층들은 적층, 드릴 및 도금 사이클의 조합에 의해 제공된다. 예를 들어, 고밀도 상호 연결(HDI) 다층 PCB 구성은 전형적으로 다수의 적층, 드릴 및 도금 사이클을 필요로 하는 2+4+2 또는 1+1+4+1+1 스택업(Stackup)을 이용한다.
도 5와 관련하여, 코어층(502)은 기판(500)의 양면 상에서 VSD 물질(510) 위에 있다. 상기 VSD 물질(510)은 PCB의 양면 상에서 접지면(512)에 인접하도록 형성된다. 별도의 코어층(504,506)은 기판(500) 내에 제공된다. 각각의 코어층(502,504,506)은 한면 또는 양면에 전도성 물질을 포함한다. 전기적 절연 물질층(525)은 상기 코어층들 사이에 분포될 수 있다.
기판(500)은 (ⅰ) 소자를 기판의 각각의 외부측 상에 전기적으로 연결하기 위하여 기판 전체의 두께를 관통하여 연장되는 관통형 비아(509), (ⅱ) 2 이상의 내부 코어층을 전기적으로 상호 연결하는 매립형 비아(511) 및 (ⅲ) 접지 보호를 위해 레이저 드릴링하여 하나 이상의 전도성 층을 VSD 물질로 연장시킨 마이크로 비아(515)를 포함하여, 상이한 유형의 비아를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극(521)은 VSD 물질(510)의 상부 층으로 연장된 개구 상에 형성되어서, VSD 물질 밑에 있는 접지면(512)으로부터 전극을 분리한다. 어떤 전도성 소자는 VSD 물질을 관통해 드릴링됨으로써 하나의 내부 코어층과 외부 코어의 소자를 상호 연결한다. 다수의 다른 변형 또한 가능하다.
전극(521)과 관련하여, 예를 들어 야그 레이저(예를 들어, Excellon Corbra)로 레이저 드릴링한 다음 도금함으로써, 외부 층으로부터 VSD 물질 층(510)으로 연결이 이루어질 수 있다. VSD 물질의 "턴온" 전압(또는 에너지)은 VSD 물질의 구성물 및 VSD층 두께에 의해 특징지워진다. VSD 물질의 조성은 클램핑 전압을 포함하여 원하는 특징에 대해 선택될 수 있다. 표준 전기도금, 무전해 도금, "빌드업" 또는 패턴 복제는 드릴링된 개구 뿐만 아니라, 층 위 기타 형성물을 도금하는데 사용될 수 있다.
도 5 또는 다른 도면(예를 들어, 도 2a)과 관련하여, VSD층은 기판 장치의 특정 두께를 채우고 있듯이 연속적 또는 비연속적(예를 들면, 패턴화됨)일 수 있다.
도 6은 구현예 하에서 VSD 물질이 내장된 층을 이용하여 일시적 전기 현상에 대해 수직 절환된 보호 요소를 제공하는 다층 기판 장치, 예를 들어 인쇄 회로 기판의 공정 플로우를 예시한다. 도 6에서 기재된 바와 일치하는 공정 플로우는 도 5로 기재된 바와 같은 구현예를 실행하는데 사용될 수 있다. 따라서, 설명된 단계 또는 하위 단계와 관련하여 적절한 요소 또는 특성을 예시할 목적으로 도 5의 요소가 참조된다. 논의된 공정 단계는 상이한 종류의 다층 기판 장치의 형성을 수용하기 위하여 변화될 수 있다. 상기 공정은 단층 또는 이층 기판 장치를 수용하기 위하여 단순화되거나, 또는 보다 많이 적층된 기판 장치를 수용하기 위하여 별도의 단계로 수행될 수 있다.
단계 610에서, 다층 기판 장치의 내부 코어층(L4 및 L5)은 이미징 및 에칭을 포함하는 공정을 거치게 된다. 단계 620은 코어가 적층되어 4층의 서브코어를 형성하는 것을 제공한다. 단계 630은 매립형 비아(511)가 서브코어에 형성되는 것을 제공한다. 드릴링 및 도금 공정은 매립형 비아(515)를 형성하기 위해 수행될 수 있다.
단계 640에서, 서브코어의 외부 층 상에서 패턴이 에칭된다. 다음, 단계 650은 외부 코어층의 내부층이 패턴 에칭되는 것을 제공한다. 단계 660에서, 외부 코어층이 서브코어에 적층된다.
단계 670에서, 다수의 드릴링 단계는 관통형 비아(609) 및 마이크로 비아(515)를 형성하기 위해 수행된다. 언급한 바와 같이, 마이크로 비아는 도 3a 내지 도 3c의 구현예로 설명되는 것과 같이 정밀 레이저 드릴링을 이용하여 형성될 수 있다.
단계 680은 모든 레이저 및 관통형 구멍의 최종 도금을 제공한다. 언급한 바와 같이, 마이크로 비아(515)가 도금되면, 이것들은 VSD 물질의 수직 갭 두께 전역에서 상응하는 상호 연결된 요소를 가장 가까운 접지면에 간헐적으로(즉, 일시적 전기 조건이 존재할 때) 접지하는 전극을 형성한다.
공정 플로우에 대한 다수의 변형 또는 대안은 또한 (ⅰ) VSD 물질이 내장된 층(연속적 또는 패턴화)이 접지면과 접하거나 또는 연결되어 형성 및 제공되고, (ⅱ) 전도성 개구가 드릴링된 다음 형성되어 적어도 VSD 물질로 연장되는 것이 포함될 수 있다.
대안
설명된 몇 가지 구현예가 레이저에 의해 형성되는 개구 또는 구멍(이어서 도금되거나 또는 전기 물질이 제공됨)을 제공하지만, 하나 이상의 구현예는 상기 구멍 또는 개구가 통상의 기계적 드릴링에 의해 형성될 수 있다는 것을 고려한다. 예를 들어, 도 7의 구현예는 도 2a에 나타낸 구현예에 대한 변형을 예시한다. 도 7에서, 제 1 전극(710)은 VSD층(730)의 두께로 연장된다. 상이한 실행예(예를 들어, 드릴링 기법) 및 구현예는 제 1 전극(710)이 연장되는 깊이를 제공할 수 있다. 어떤 실행예에서, 제 1 전극은 VSD층(730)의 10~80% 두께 사이의 어딘가를 차지하도록 연장될 수 있다. 기계적 드릴링은 제 1 전극(710)이 도 3a 내지 도 3c에 의해 도시된 공정과 유사하게 형성되는 개구를 형성하는데 사용될 수 있다(도 3b에서 레이저 대신에 기계적 드릴링이 사용되는 것은 제외함).
아울러, 하나 이상의 구현예는 전극 및 VSD 물질의 다수의 층이 연속적 또는 비연속적 형태로 제공될 수 있다는 것을 제공한다.
수직 절환 정렬에서의 VSD 물질의 사용을 가능하게 하는 다른 대안으로서, "빌드업" 공정이 사용됨으로써 VSD 물질이 내장된 층에 전기적으로 접촉하는 적층체에 수직 개구를 형성할 수 있다. 구현예에서, "빌드업" 공정은 이들 구조를 만드는데 사용될 수 있다. 포토이미지 형성이 가능한 유전층을 VSD 물질에 증착하고, 패터닝할 수 있고, 그런 다음, 전도성 층을 상기 패터닝된 유전층으로부터 쌓아 올릴 수 있다. 패턴 복제 기술은 유전층 및/또는 VSD 물질층을 패터닝하는데 사용될 수도 있다.
결론
본 발명의 예시적 구현예가 첨부한 도면을 참조하여 자세하게 설명되었지만, 본 발명은 그러한 정확한 구현예로 제한되지 않는다는 것이 고려되어야 한다. 그렇기 때문에 다수의 변경 및 변형은 해당 분야의 전문가에게 명확할 것이다. 따라서, 발명의 범위는 다음의 청구항 및 그들의 균등물에 의해 규정되도록 의도된다. 더욱이, 개별적으로 또는 한 구현예의 부분으로서 설명된 특정 형태는 다른 개별적으로 설명된 형태 또는 다른 구현예의 부분에 결합될 수 있으며, 이는 다른 형태 및 구현예가 특정 형태를 언급하지 않을 시에도 해당한다는 것이 고려된다. 따라서, 이러한 결합을 설명하지 않더라도 발명자가 그러한 결합에 대한 권리를 청구하는 것을 포기하는 것은 아니다.

Claims (22)

  1. 기판 장치를 형성하는 방법으로서, 상기 방법은
    (ⅰ) 전기적 절연 물질, (ⅱ) 전기적 절연 물질의 아래에 있는 전압 절환형 유전(VSD) 물질, (ⅲ) VSD 물질의 아래에 있는 접지 전극을 포함하는 기판 적층체를 형성하는 단계;
    VSD 물질층을 통해 개구를 연장하지 않고 전기적 절연층에 개구를 형성하는 단계; 및
    개구의 적어도 일부분 상에 전도성 물질을 형성함으로써 VSD 물질과 접촉하는 제 1 전극을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 전극은 표면이 VSD 물질층과 접촉하도록 하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 전극은 중간이 VSD 물질층과 접촉하도록 하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 전극은 전기적 절연 물질층 내에 형성된 개구와 부합되는 형체로 만들어지는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기적 절연 물질은 에폭시 함침된 유리 직물인 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기적 절연 물질은 B-스테이지(stage) 수지인 방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기적 절연 물질은 폴리이미드인 방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기적 절연층에 개구를 형성하는 단계는 개구를 드릴링하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기적 절연층에 개구를 형성하는 단계는 개구를 레이저 드릴링하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기적 절연층에 개구를 형성하는 단계는 개구를 드릴링하는 단계를 포함함으로써 VSD 물질의 두께에 영향을 주지 않으면서 개구를 형성하는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기적 절연층에 개구를 형성하는 단계는 야그(YAG) 레이저를 이용하여 개구를 드릴링하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 개구를 드릴링하는 단계는 피드백 구성요소를 이용하여 전기적 절연층으로부터 VSD 물질까지 드릴링하는데 있어서 변화를 감지하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
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  21. 삭제
  22. 삭제
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