TWI473542B - 垂直切換的電壓調變介電材質構造及結構 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種應用電壓調變介電(Voltage Switchable Dielectric,VSD)材質的構造、方法和設備，用以實現垂直切換以防止靜電放電(Electrostatic Discharge,ESD)或其它過電壓情況。
電子設備往往是通過組裝和連接各種組件(例如：積體電路、被動元件、晶片和其相似者，以下通稱為晶片)所製成。許多組件，特別是半導體，在所謂過電壓條件下對施加過大電壓的電氣情況很敏感。過電壓條件的來源包含靜電放電(Electrostatic Discharge,ESD)、反電動勢(back electromotive force,EMF)、雷電、太陽風、開關的電磁感應負載，如電動機和電磁鐵、開關的阻抗負載、大電流充電、電磁脈衝及其相似者。過電壓條件可能導致高電壓在含有主動及/或被動電子組件或電路元件的裝置中，如半導體積體電路晶片，這可能導致大電流通過或存在組件中。大電流可能對主動元件或被動元件或電路元件的功能性造成破壞或負面影響。
有些晶片包含整合針對一些過電壓情況(如：輕微的ESD情況)的保護，過電壓情況可在晶片的封裝或各電子裝置的操作(例如：防護人體放電模式的情況)期間被預期。
一個晶片可能被封裝(例如：連接到基板)。封裝後的晶片可連接到額外的(如：晶片外的)過電壓保護裝
置，用以保護封裝晶片預防更嚴重(例如：高電壓)的過電壓情況。由於晶片上及晶片外的過電壓保護裝置皆在電通信中，晶片外的過電壓保護裝置可能需要保護晶片上的過電壓保護裝置。晶片外的過電壓保護裝置使用分散的組件很難在基板的製造過程中增加。除此之外，晶片上的保護難以最佳化完整的系統或子系統。ESD測試規範的例子包含“IEC 61000-4-2”及“JESD22-A114E”。
印刷電路板、印刷線路板或相似的基板(以下也簡稱為PCB)可被用於組裝、支撐及連接電子組件。PCB上通常包含絕緣材質的基板及一個或多個導線以提供各種附加元件、晶片及其同類元件進行電氣傳導。通常情況下，金屬導線的圖案是鍍(例如：使用如絲網印刷的印刷技術)在電介質基板上用以提供電氣連接。另外，金屬層(如：銅、銀、金的層)應用在基板且部分的金屬層會被移除(例如：蝕刻)形成所需的圖案。導電圖案及/或電介質材料(或稱為介電材質)的多個層可能被設置在PCB上，這些層則可使用通孔連接。印刷電路板包含“14”層或更多層的比比皆是。
PCB通常用於支撐或連接各種電子元件，如：晶片、封裝物、及其它積體裝置。PCB也可支撐及連接分離的元件，如：電阻、電容、電感及其相似物，以及提供積體裝置與分離元件連接。在PCB中的導電模式及/或層，以及其它在電子裝置中的元件或區域有時提供路徑以引導可能損害或對元件造成負面影響的過電壓情況。
在以往的技術中存在各種結構、方法及裝置提供給電子裝置(例如：將分離的突波抑制組件表面安裝在印刷電路板)進行過電壓保護，但是以往的技術在製造、效能、工作特性及成本上通常具有各種限制。
本發明揭露一種垂直切換的電壓調變介電材質(VSDM)構造及結構。
首先，本發明揭露一種垂直切換的電壓調變介電材質構造，形成在基板中，此構造包含第一導電元件用以設置在基板的第一水平層及第二導電元件設置在第二水平層，所述第二水平層不同於第一水平層；VSDM結構具有特徵電壓及垂直厚度，此VSDM結構設置在基板的第三水平層，此第三水平層不同於第一水平層及第二水平層；電路元件嵌入基板至少一部分，此電路元件具有阻抗；及其中VSDM結構用以成為跨越垂直厚度的基本傳導，並且在具有第一電壓電平的第一導電元件及具有第二電壓電平的第二導電元件之間傳導電流以響應超過特徵電壓的ESD脈衝，其中第一電壓電平基本上等於第二電壓電平。
另外，本發明揭露一種包含基板及垂直切換的電壓調變介電材質構造的電子裝置，此VSDM構造結合在基板中，此基板包含不同的三個水平層，所述VSDM構造包含：第一導電元件用以設置在第一水平層，以及第二導電元件設置在第二水平層；VSDM結構具有特徵電壓及垂直厚度，此VSDM結構設置在第三水平層；電路元件嵌入基板至少一部分，此電路元件具有阻抗；及其中，所述VSDM結構用以成為跨越垂直厚度的基本傳導，並且在具有第一電壓電平的第一導電元件及具有第二電壓電平的第二導電元件之間傳導電流以響應超過特徵電壓的ESD脈衝，所述第一電壓電平基本上等於第二電壓電平，並且所述VSDM構造為電子裝置提供ESD防護。
另外，本發明揭露一種垂直切換的電壓調變介電材質結構，其包含：第一導電元件及第二導電元件，此第一導電元件及第二導電元件設置在第一水平層；互連層用以設置在第二水平層；第三導電元件用以連接第二導電元件至互連層；及VSD材質構造用以設置在第三水平層，此VSD材質構造具有特徵電壓，形成在第一導電元件及互連層之間跨越垂直間隙；其中，所述VSD材質構造用以垂直切換跨越在具
有第一電壓電平的第一水平層與具有第二電壓電平的互連層之間的垂直間隙以響應超過特徵電壓的ESD脈衝。
100‧‧‧水平切換結構
110‧‧‧電壓源
112‧‧‧ESD脈衝
120、122‧‧‧電極
130、132‧‧‧通孔
140‧‧‧VSD材質層
142‧‧‧箭頭
150‧‧‧間隙
160‧‧‧基板
170‧‧‧絕緣層
200‧‧‧水平切換的筒狀結構
210‧‧‧電壓源
212‧‧‧ESD信號
230、232‧‧‧導電平面
240‧‧‧VSD材質
242‧‧‧線段
250‧‧‧間隙
300‧‧‧印刷電路板
400‧‧‧VSDM構造
430‧‧‧導電結構
432‧‧‧導電層
434‧‧‧互連層
440‧‧‧VSD材質層
442‧‧‧電極
450、452‧‧‧導電結構
460、462‧‧‧基板層
470、472‧‧‧導電層
474、476‧‧‧導電層
478、479‧‧‧導電層
480‧‧‧預浸填料
482‧‧‧核心
484‧‧‧預浸填料
486‧‧‧核心
488‧‧‧預浸填料
490‧‧‧VSDM構造
498‧‧‧VSD材質層
499‧‧‧互連層
500‧‧‧VSDM構造
510‧‧‧電壓源
512‧‧‧ESD脈衝
520、522‧‧‧導電層
530、532‧‧‧互連層
540‧‧‧VSD材質
542‧‧‧間隙
600‧‧‧VSD材質構造
610‧‧‧電壓源
612‧‧‧ESD脈衝
620、622‧‧‧導電層
630‧‧‧互連層
640‧‧‧VSD材質
642‧‧‧間隙
680、682‧‧‧聚酰亞胺基板
800‧‧‧圖形
802、804‧‧‧局部
810、812‧‧‧信號
820、822‧‧‧電壓響應曲線
900‧‧‧VSD材質構造
910‧‧‧電源
912‧‧‧ESD脈衝
920、922‧‧‧電極
930‧‧‧通孔
940‧‧‧VSD材質
942‧‧‧間隙
970‧‧‧互連層
980‧‧‧預浸料
982‧‧‧核心
1000‧‧‧VSD材質構造
1010‧‧‧電壓源
1012‧‧‧ESD脈衝
1020、1022‧‧‧電極
1030‧‧‧通孔
1040‧‧‧VSD材質
1042‧‧‧間隙
1044‧‧‧VSD材質
1046‧‧‧間隙
1070‧‧‧導電層
1080‧‧‧預浸料
1082‧‧‧核心
1100‧‧‧VSD材質構造
1110‧‧‧電壓源
1112‧‧‧ESD脈衝
1120、1122‧‧‧電極
1140‧‧‧VSD材質
1142‧‧‧間隙
1170‧‧‧導電的預浸料
1182‧‧‧核心
1200、1202‧‧‧VSD材質構造
1212‧‧‧ESD信號
1220、1224‧‧‧電極
1228、1229‧‧‧電極
1230‧‧‧預浸料層
1240‧‧‧VSD材質層
1242‧‧‧間隙
1250‧‧‧通孔
1270‧‧‧導電層
1280‧‧‧互連層
1290‧‧‧ESD放電路徑
1296、1297‧‧‧嵌入式阻抗
1298、1299‧‧‧電子組件
1300‧‧‧VSD材質構造
1312‧‧‧ESD脈衝ESD
1340‧‧‧VSD材質結構
1342‧‧‧間隙
1350‧‧‧通孔
1370、1372‧‧‧導電層
1374、1376‧‧‧導電層
1378、1379‧‧‧導電層
1400‧‧‧VSD材質構造
1412‧‧‧ESD脈衝ESD
1440‧‧‧VSD材質結構
1442‧‧‧間隙
1470、1472‧‧‧導電層
1474‧‧‧導電層
1490‧‧‧電氣路徑
1500‧‧‧VSD材質構造
1502‧‧‧VSD材質構造
1510‧‧‧電壓源
1512‧‧‧ESD脈衝
1520、1522‧‧‧電極
1529‧‧‧電極
1540‧‧‧VSD材質結構
1542‧‧‧間隙
1570、1572‧‧‧互連層
1582‧‧‧核心
1592、1593‧‧‧元件
1597‧‧‧嵌入式阻抗
1599‧‧‧電子組件
1600‧‧‧VSD材質構造
1601‧‧‧VSD材質構造
1612‧‧‧ESD脈衝
1620、1622‧‧‧電極
1624、1626‧‧‧電極
1628‧‧‧連接器
1629‧‧‧電極
1640‧‧‧VSD材質
1642‧‧‧間隙
1646‧‧‧VSD材質結構
1648‧‧‧間隙
1670、1672‧‧‧互連層
1682、1683‧‧‧核心
1696‧‧‧嵌入式阻抗
1698‧‧‧電子組件
1700‧‧‧雙向切換結構
1720、1726‧‧‧電極
1728‧‧‧電極
1740‧‧‧VSD材質結構
1742、1744‧‧‧間隙
1746‧‧‧間隙
1770‧‧‧互連層
1772‧‧‧通孔
1782‧‧‧互連層
步驟700‧‧‧產生導電結構的流程
步驟710‧‧‧將VSD材質應用到基板
步驟720‧‧‧將非導電層應用在VSD材質頂端
步驟730‧‧‧圖案化該非導電層
步驟740‧‧‧施加電壓以轉換VSD材質為基本導電
步驟750‧‧‧在VSD材質的曝光區域中進行離子沉積
第1圖為水平切換的VSDM構造，包含可為電子組件提供ESD防護的VSD材質之示意圖。
第2圖為水平切換的筒狀構造，包含可為電子組件提供ESD防護的VSD材質之示意圖。
第3A圖為根據一個實施例顯示使用VSD材質實現垂直切換的VSDM構造且可被整合在基板裝置之示意圖。
第3B圖為根據一個實施例顯示包含VSD材質層的VSDM構造，其可整合在印刷電路板或另一基板且實現垂直切換之示意圖。
第4圖為根據一個實施例顯示VSDM構造，其使用VSD材質實現垂直切換之示意圖。
第5圖為根據一個實施例顯示VSDM構造，其使用VSD材質實現垂直切換之示意圖。
第6圖為根據一個實施例顯示在垂直切換的VSDM構造中提供一個或多個導電結構，如互連層的方法流程圖。
第7圖為根據一個實施例顯示使用VSD材質實現垂直切換的VSD材質構造之示意圖。
第8圖為根據一個實施例顯示使用VSD材質實現垂直切換的VSD材質構造之示意圖。
第9圖為根據一個實施例顯示使用VSD材質實現垂直切換的VSD材質構造之示意圖。
第10A圖為根據一個實施例顯示使用VSD材質實現垂直切換的VSD材質構造之示意圖。
第10B圖為根據一個實施例顯示使用VSD材質實現垂直切換的VSD材質構造之示意圖。
第11圖為根據一個實施例顯示包含可整合在印刷電路板或另一基板的VSD材質層，並且實現垂直切換的VSDM構造之示意圖。
第12圖為根據一個實施例顯示包含可整合在印刷電路板或另一基板且適用於實現垂直切換的VSD材質構造的VSDM構造之示意圖。
第13A圖為根據一個實施例顯示使用VSD材質連接一個或多個電路元件，並且實現垂直切換的VSD材質構造之示意圖。
第13B圖為根據一個實施例顯示使用VSD材質連接一個或多個電路元件實現垂直切換的VSD材質構造。
第14圖為根據一個實施例顯示使用多個VSD材質結構實現垂直切換的VSD材質構造。
第15圖為根據一個實施例顯示使用VSD材質同時實現垂直切換和水平切換之雙向切換的VSD材質構造。
以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題
並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。
為了保護預防基板裝置的ESD及其它過電壓情況，按照本發明所述的各種具體實施例，其電子組件及/或電子裝置可包含整合電壓調變介電材質(“VSD材質”或“VSDM”)於各基板及/或裝置中。在本技術領域中的通常知識者能夠確認過電壓情況，此過電壓情況包含許多情況所組成，在文中ESD則可被稱為過電壓情況。
在一個實施例中，VSD材質被嵌入在裝置中作為一層或其它結構，其適用於傳導通過裝置的ESD信號的至少一部分至接地或其它預定的點。
在一個實施例中，電路元件，如：過濾器，其設置在垂直切換的VSDM構造及電子組件之間，用以減少或防止由ESD情況產生的高頻電壓部分流入電子組件。電路元件可被嵌入在基板裝置中作為層、結構或通孔，或是可附著在基板作為表面安裝元件。
根據本發明各種具體實施例中的VSD材質，其材質呈現非線性電阻作為電壓函數。雖然VSD材質表現出非線性電阻，但並非所有非線性電阻的材質都是VSD材質。舉例來說，材質的電阻變化作為溫度函數，但不會大幅改變電壓函數，所以將不會被解釋成本發明具體實施例中的VSD材質。在各具體實施例中，VSD材質呈現非線性電阻的變化作為電壓函數，並且額外處理參數，如：電流、電場密度、光或其它電磁輻射輸入及/或其它類似的參數。
VSD材質的電阻變化作為電壓函數呈現，其包含從高電阻狀態過渡到低電阻狀態。這種轉變發生在一個特定的電壓值，其可簡稱為“特徵電壓(characteristic voltage)”、“特徵電壓水平(characteristic voltage level)”、“開關電壓(switching voltage)”或“開關電壓水平(switching voltage level)”。所述特徵電壓可能隨不同VSD材質的配方而有所不同，但對於已知配方而言其相對穩定。對於特定配
方的特徵電壓可能會加上額外的參數，如：溫度及/或不同波長附帶的電磁能量包含光、紅外線、紫外線或微波。
對於特定的VSD材質成分，特徵電壓可定義相應的“特徵電場”或“特徵場”來表示每單位長度(如：每密耳伏特數“V/mil”、每微米伏特數“V/um”)電壓。
除非另有明確說明，否則所述名詞：“VSD材質的結構”、“VSD材質結構”或“VSDM結構”是指具有特定物理尺寸的任意數量VSD材質，其可執行電氣開關功能。以VSD材質的結構為例，包含VSD材質層(設置在基板上或是作為一個獨立的層)、VSD材質的體積介於兩個或多個電極之間、VSD材質的體積通過兩個或兩個以上的絕緣或半導體結構、或其它任意元件或VSD材質的配置，其可於足夠大的電壓變化時在非導電和導電狀態之間切換。
在一個具體的實施例中，VSD材質架構可能透過結合具有一定體積且具有第一特徵電壓的第一VSD材質來產生，所述具有第一特徵電壓的第一VSD材質的體積介於兩個具不同特徵電壓的VSD材質的體積間，此兩個不同體積的VSD材質其特徵電壓不同於第一特徵電壓(此兩個不同體積的VSD材質的特徵電壓可能會或可能不會彼此相等)。
在一個具體實施上，VSD材質結構可能透過結合具有一定體積且具有第一特徵電壓的第一VSD材質來產生，所述具有第一特徵電壓的第一VSD材質的體積介於(a)兩個具不同特徵電壓的VSD材質的體積間，以及(b)一個或多個電極、絕緣結構及/或半導體結構之間。
一個VSD材質結構的例子，VSD材質層設置在銅箔上(但不包括銅箔)，其複合構造包含VSD材質層及銅箔兩者，並可表示成“VSDM構造”。更複雜的VSDM構造將在稍後作說明。
VSD材質構造的另一個例子是塗料、板材或其它VSD材質的佈局設成在PCB中的水平層，並且介於PCB中的
兩個相鄰水平層之間(即一個水平層在VSD材質結構上，以及一個水平層在VSD材質結構下)。其複合構造包含VSD材質結構及結合兩個相鄰的水平層以形成此VSD材質(VSDM)構造的例子。
VSD材質構造的另一個例子是將一定體積的VSD材質設置在PCB中的水平層且介於同樣設置在相同水平層的四個結構(即四個蝕刻通道所劃定的VSD材質結構)，並且介於兩個電極之間，所述電極設置在兩個相鄰的水平層(即：導電層在上而絕緣層在下)，組成的構造包含VSD材質結構及結合四個結構及兩個電極以形成此VSD材質構造的例子。
對於已知兩個施加電壓點位置的VSD材質結構(例如：當電壓通過VSD材質層的厚度或是穿過VSD材質結構的另一間隙)，特徵電壓可被定義為特定的電壓值(例如：此VSD材質結構的特徵電壓可被定為一個特定的電壓值)。
因此，VSD材質結構的特徵電壓在特徵電場的術語中可被稱為每個單位長度的電壓值，或是作為特徵電壓表示當VSD材質被視為具有某些已知尺寸特徵的特定體積時的特定電壓值(例如：穿過電壓開關的VSD材質結構，可能具有特定的厚度)。在各情況下，本發明描述可在各具體實施例中參考VSD材質的特徵電場或特徵電壓，並且在各情況下，相應的特徵電場(每單位長度的伏特)或特徵電壓(在伏特的術語中)可在考慮到各VSD材質結構的尺寸特徵而獲得適當的轉換。舉例來說，一般在VSD材質結構中標準的特徵電場，其VSD材質結構中特徵電壓的計算可以透過將VSD材質結構中的特徵電場(伏特/密耳)與穿過電壓開關的間隙(密耳)相乘後獲得。更簡單的理解是，一般在VSD材質結構中非標準的特徵電場，其VSD材質結構中特徵電壓的計算可以透過將VSD材質結構中的特徵電場與穿過電壓開關的間隙進行積分運算後獲得。在一些實施例中，對於一些公式化的VSD
材質表述方式及穿過電壓開關之間隙的物理特徵來說，穿過電壓開關間隙的VSD材質的特徵電壓可能不會與各間隙大小直接或線性相關(例如：在此實施例中，各特徵電壓可通過直接測量或通過更複雜的模擬或近似法)。
在一般情況下，VSD材質結構的特徵電壓可能是一個數量、截面積、體積、深度、厚度、寬度及/或VSD材質結構的長度之函數，也可能是相對的形狀、幾何尺寸、密度變化和其它關於VSD材質結構的類似變量之函數。
VSD材質在電壓低於各特徵電壓水平時具有顯著的非傳導性(即：顯著的絕緣特性)，在此情況下，VSD材質的行為是絕緣體(insulator)或電介質(dielectric)。這種狀態可被稱為不導電或絕緣的狀態，電壓在VSD材質的特徵電壓水平下可稱為低電壓(至少相對於上述特徵電壓水平而言)。在特徵電壓水平下，VSD材質在本發明的實施例中可被解釋為具有半導體特性，類似於半導體材質作為半導體製造工藝的基板。各具體實施例中，施加正負電壓時VSD材質在電壓幅度低於特徵電壓水平時可表現為絕緣體。
當電壓高於特徵電壓水平，VSD材質在本發明各實施例中表現為導體，其沒有電阻或相對低的電阻，這稱為導電狀態。電壓高於特徵電壓水平可稱為高電壓，施加正負電壓時VSD材質在電壓幅度高於特徵電壓水平時可表現為導電或大幅導電。特徵電壓取決於電壓極性可能為正或為負，當VSD材質成為導電而回應電壓超過其特徵電壓時，VSD材質能夠稱為“開關開啟(switch on)”，當VSD材質在移除高於其特徵電壓的電壓後成為非導電之後，VSD材質可稱為“開關關閉”，當VSD材質切換為開或關時，VSD材質可簡稱為“開關”。
在一個理想的模式，於本發明各實施例中的VSD材質運作在電壓低於特徵電壓時是近似無限電阻，而在電壓高於特徵電壓時電阻值為零。在一般的工作條件中，雖然VSD
材質通常為高電位，但在電壓低於特徵電壓為有限電阻(finite resistance)，且為低電位，而電壓高於特徵電壓為非零電阻(nonzero resistance)。以特定的VSD材質為例，電阻率在低電壓至高電壓可預期有一個很大的值(例如：103、106、109、1012或更高的範圍)。在一個理想的模式中，此一比例可近似於無限或以其它方式成為非常高。
VSD材質在本發明不同的實施例中展現高重複性(即：可逆性)，其工作在低電壓及高電壓兩者。在一些實施例中，VSD材質在電壓低於特徵電壓水平時，實際上為絕緣體或電介質(即：實際上是不導電，展現出非常高或無限大的電阻)，當電壓高於特徵電壓水平時所述VSD材質切換成導電，而在電壓低於特徵電壓水平時則再次成為絕緣體或電介質。倘若輸入電壓水平在電壓低於特徵電壓及高於特徵電壓之間轉換，VSD材質能夠無限次的持續在這兩種工作狀態進行切換。雖然VSD材質在這兩種工作狀態之間切換可能受到一定程度的遲滯，其可能會在一定程度上改變特徵電壓水平、開關反應時間或VSD材質的其它工作特性。
所述轉換介於第一(低電位)電壓(當VSD材質為絕緣)及第二(高電位)電壓(當VSD材質為導電)之間。在本發明實施例中，實際上可預見及預計一般侷限在信號振幅的有限包絡(envelope)、開關時間的有限範圍。在理想的模式中，VSD材質從絕緣狀態轉換到導電狀態的時間反應輸入級函數信號(input step function signal)其上升高於特徵電壓可能近似於零。也就是說，轉換的過渡可能在一瞬間。同樣地，在一個理想的模式中，VSD材質從導電狀態轉換到非導電狀態的時間反應輸入級函數信號(input step function signal)其下降低於特徵電壓可能近似於零，這種反向過渡也可能在一瞬間。但在正常工作條件下，VSD材質的這兩種過渡時間都不為零。在一般情況下，過渡時間是短暫且進可能地短(例如：在約10-6、10-9、10-12或更小的範圍內)。VSD
材質的詳細構造及特性請參考揭露在美國專利號“7,872,251”(申請人為“Kosowsky,et al”；公告日為2011年1月18日；名稱為“Formulations for Voltage Switchable Dielectric Material Having a Stepped Voltage Response and Methods for Making the Same”)的專利。
當在導電狀態時，各具體實施例的VSD材質可直接引導電氣信號至各電路、基板或電子裝置的接地或另一個指定接點以保護電子組件。在各具體實施例中，所述指定接點是接地、虛接地、屏蔽、安全接地及其相似者。以電子組件為例，其可透過本發明各具體實施例中的VSD材質運作及/或保護，所述電子組件包含(a)電路元件、電路結構、表面設置的電子組件(如：電阻、電容、電感)、PCB或其它電路板、電子裝置、電子子系統、電氣系統、(b)任何其它電子、電磁、微機電結構(MEMS)或相似元件、結構、組件、系統及/或裝置、(c)任何其它單元處理或傳輸數據以及使用電氣信號或受電氣信號損壞、(d)由上述(a)、(b)及/或(c)的組合。
在一般情況下，VSD材質能在高信號電壓、電流強度、能量或功率水平破壞之前限制傳導電流或其它操作，其破壞為不可逆的。此外，倘若持續太長時間，VSD材質通常在操作規範中也可能被電氣信號損毀(例如：VSD材質在傳導信號可能升溫，最終導致分解)。舉例來說，當在小於一百奈秒時間內持續接觸具有一萬伏特電壓水平的輸入信號時VSD材質可能還能正常工作，但如果信號持續施加超過幾毫秒則可能被損壞。VSD材質能夠在損壞之前容忍高的電壓、電流、功率或能量水平，其可能取決於各種因素，例如：特定的VSD材質成分、相應VSD材質的具體特徵(即：具有較大物理尺寸的VSD材質結構能夠引導更高的電流密度)、相應的電路架構、其它存在的ESD防護元件及包含VSD材質的裝置之特性。
在不同具體實施例中的VSD材質為高分子複合材質，並可能包括如：金屬、半導體、陶瓷和其類似的微粒材質。所述VSD材質可按照不同具體實施例使用各種成分，例如：美國專利申請號“12/953,309”，名稱為“Formulations for Voltage Switchable Dielectric Materials Having a Stepped Voltage Response and Methods for Making the Same”、美國專利申請號“12/832,040”，名稱為“Light-Emitting Diode Device For Voltage Switchable Dielectric Material Having High Aspect Ratio Particles”、美國專利申請號“12/717,102”，名稱為“Voltage Switchable Dielectric Material Having High Aspect Ratio Particles”，以及美國專利號“7,981,325”，名稱為“Electronic Device For Voltage Switchable Dielectric Material Having High Aspect Ratio Particles”。
根據不同實施例，VSD材質可能包括基質材料(matrix material)及一個或多個類型的有機及/或無機粒子分散於基質材料中。
不同實施例的VSD材質中的基質材料可能包含有機聚合物，如：酚醛樹脂、有機矽聚合物、環氧樹脂(例如：“EPON樹脂828(EPON Resin 828)”、“丙二酚A(difunctional bisphenol A)或環氧氯丙烷(epichlorohydrin)製成的液態環氧樹脂”)、聚氨酯(polyurethane)、聚甲基(poly(meth))、丙烯酸酯(acrylate)、聚酰胺(polyamide)、聚酯(polyester)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚丙烯酰胺(polyacrylamides)、聚酰亞胺(polyimide)、聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)、聚苯醚(polyphenylene oxide)、聚碸(polysulphone)、有機奈米陶瓷(ceramer)(一種溶凝膠/聚合物的複合材料)及聚苯碸(polyphenylene sulfone)。所述基質材料的其它例子則包括無機聚合物(inorganic polymers)如：矽氧烷(siloxane)及聚偶磷氮(polyphosphazines)。
以加入VSD材質的顆粒為例，在各具體實施例中可包含導電及/或半導體材質，包含：銅(copper)、鋁(aluminum)、鎳(nickel)、銀(silver)、金(gold)、鈦(titanium)、不銹鋼(stainless steel)、鉻(chrome)、其它金屬合金、鈦(T)、矽(Si)、氧化鎳(NiO)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、氮化硼(BN)、碳(C)(包括鑽石、納米管、和/或富勒烯(fullerenes)的形式)、硫化鋅(ZnS)、氧化鉍(Bi2O3)、氧化鐵(Fe2O3)、氧化鈰(CeO2)、二氧化鈦(TiO2)、氮化鋁(AlN)、銦硒化合物。在一些具體實施例中，二氧化鈦可能未摻雜或摻雜，如：三氧化鎢(WO3)，其中摻雜可能包括表面塗層。這種顆粒可從球形高度拉長，包括：高縱橫比(high-aspect ratios,HAR)的顆粒、碳奈米管(單壁及/或多壁)、富勒烯、金屬奈米棒或金屬奈米線。以材質為例，其可形成奈米棒及/或奈米粒，包含：氮化硼(boron nitride)、氧化銻錫(antimony tin oxide)、二氧化鈦(titanium dioxide)、銀(silver)、銅(copper)、錫(tin)、金(gold)。
在各具體實施例中，存在於VSD材質的一些顆粒的縱橫比率超過“3：1”、“10：1”、“100：1”及“1000：1”。具有高的縱橫比率之材質有時也稱為“高縱橫比”顆粒或“HAR”顆粒。奈米碳管就是具有超級高縱橫比顆粒的例子，其具有“1000：1”甚至更高的縱橫比。任何具有較低縱橫比的材質都可以在不同的實施例中被用來混合至VSD材質，其中包含黑碳煙(carbon black)顆粒(縱橫比在10：1)以及碳纖維(carbon fiber)顆粒(縱橫比在100：1)。
在各具體實施例中，VSD材質中混合顆粒可能有各種尺寸，包括由最小尺寸“500奈米”甚至更小(如：最小尺寸小於“100奈米”或“50奈米”的顆粒)。
在各具體實施例中，VSD材質中的顆粒可能包含有機材質，VSD材質結合有機材質可使VSD材質提高熱膨脹率和熱導率、更好的介電常數、提高韌性、更佳的壓縮強度
以及提高金屬附著能力。以有機半導體材質為例，其可結合各具體實施例中的VSD材質，包含碳的形成如：導電的半導體碳奈米管及富勒烯(例如，“C60”和“C70”)。所述富勒烯及碳奈米管可以在一些具體實施例中作修改以功能化來包含共價鍵的化學群組或官能基(moiety)。以其它有機半導體為例，其可結合在各具體實施例中的VSD材質，包含：聚三己基塞吩(poly-3-hexylthiophene)、聚塞吩(polythiophene)、聚乙炔(polyacteylene)、聚3,4-乙烯二氧噻吩(poly(3,4-ethylenedioxythiophene))、聚對苯乙烯磺酸(poly(styrenesulfonate))、五苯(pentacene)、8-羥基喹啉鋁((8-hydroxyquinolinolato)aluminum(III))及NPD(N,N′-di-[(naphthalenyl)-N,N′diphenyl]-1,1′-biphenyl-4 and 4′-diamine)。此外，有機半導體可以從單體(monomers)、噻吩的低聚物及聚合物(oligomers and polymers of thiophene)、苯胺(analine)、次苯基(phenylene)、亞乙烯基(vinylene)、芴(fluorene)、萘(naphthalene)、吡咯(pyrrole)、乙炔(acetylene)、咔唑(carbazole)、吡咯烷酮(pyrrolidone)、氰基材料(cyano materials)、蒽(anthracene)、五苯(pentacene)、紅熒烯(rubrene)、苝(perylene)及噁二唑(oxadizole)得到。這些有機材質可能是光活性有機材料如：聚噻吩(polythiophene)。
關於VSD材質中聚合物的顆粒之分布，其分布顆粒“substantially uniformly”是指顆粒均勻地及/或隨機分布在材質中，但可能在有限的部分發生不均勻地及/或不隨機的顆粒聚集。實際上，即使經過廣泛的混合後，這種顆粒的聚集通常會在一個非零的統計機率可能發生在VSD材質的有限體積內，而且這可能發生在VSD材質的所有階段，包含：當VSD材質在形成之前處於液體或半流質時用於基板、之後設置在基板(例如：透過塗佈)以及/或之後加熱固化(無論是在基板上或以其它方式)。但總體而言，在考量VSD
材質的整體體積(或VSD材質中足夠大的各部分)，各顆粒可被視為均勻地或隨機地分布在混合物內，並且在對各VSD材質的行為建立模型時，顆粒可被建模為均勻地或隨機地分布。
在各具體實施例中，設在兩個接觸VSD材質的電極之間的VSD材質結構中的特徵電場，會因為兩個電極之間的距離減少而降低。兩個電極之間穿過VSD材質的距離可以依照大到足以視為“厚度(thickness)”、“有效厚度(effective thickness)”、“間隙(gap)”、“開關間隙(switching gap)”或“有效的間隙(effective gap)”的電壓變化，而在實質導電與實質絕緣的不同狀態中進行切換。倘若兩個電極設在實質上的水平面，VSD材質結構的有效的間隙可以被視為水平，倘若兩個電極設置在不同的垂直平面及/或倘若電壓開關主要發生在垂直方向，則VSD材質結構的有效的間隙可以被視為垂直。
「第1圖」顯示水平切換的VSDM結構100，包含可為電子組件提供ESD防護的VSD材質。在「第1圖」的實施例中，電極120及電極122分別電性連接通孔130及通孔132。
一般而言，術語“電極”可以是或可以包括任何導電結構，以電極或導電結構為例，其包括墊片、鉛、電路、通孔(例如：透孔、盲孔、埋孔)、電線、導電薄膜、信號層、導電層、導電印刷電路板層(例如：導電黏合片或填充層)或任何其它連接器，其被設計成導電性且在任何基板(例如：此基板可包括任何印刷電路板或半導體封裝)中提供電氣互連功能。
在各實施例中，一個或兩個電極(120、122)可以被省略，只要通過通孔130及/或通孔132的電性連接能被建立。電極120及/或電極122也可以由銅或其它合適的導電材料來製造，電極120及/或電極122可透過沉積、絲
網印刷、黏合或其它接合方式製成，無論是機械、化學或其它方式。
在各種實施例中，電極120及電極122可被封裝材料或形成如絕緣層所覆蓋。在「第1圖」中，電極120及電極122被嵌入在絕緣層170中
通孔130及通孔132為導電結構，其可全部或部分的穿過或完整地越過VSD材質140。通孔130及/或通孔132可能是一個透孔、盲孔、埋孔、電路或任何其它導電結構，其被設計為導電且在電子裝置中促進信號傳播。通孔130及/或通孔132可由銅或其它合適的導電材料來製造，通孔130及/或通孔132可透過沉積、絲網印刷、黏合或其它接合方式製成，無論是機械、化學或其它方式。通孔130及/或通孔132可以是固體(例如：固態的金屬結構)、中空的(例如：導電圓筒狀構造)或可能是中空的且部分或全部填充有合適的導電材料(例如：部分填充有導電材質的中空圓筒狀構造)。
在一個實施例中，通孔130及/或通孔132部分地或完全地填充VSD材質而不是僅僅導電。在此實施例中，通孔130及/或通孔132可為垂直或水平切換構造，在某種意義上，各通孔通常可視為一個絕緣結構，但在電壓超過VSD材質的特徵電壓時將變成導電。在此實施例中，所述切換可以是垂直沿著各通孔或水平穿過各通孔。
在「第1圖」的實施例中，VSD材質140是設置在基板160上，所述基板160可為導電基板(例如：銅或其它導電材料的層、薄片或箔)，或是絕緣基板(例如：印刷電路板黏合片層)。在一個實施例中，基板160可以是一個具可變導電性的基板，如VSD材質層。
在「第1圖」的實施例中，可以連接一個電壓源，因此，其產生電極120及電極122的電壓差。電壓源110如「第1圖」所示意作為一個獨立的電壓源，它也可以是一個電流源，或是任何其它電能的來源。在測試裝配中或在特定
的架構佈局中可能會遇到這樣的安排，所述特定的架構佈局的VSD材質是為了在增加由電壓源110產生的電壓時刻意被啟動。所述電壓源110如「第1圖」所示連接至通孔130以與電極122電接觸。在各種替代的應用和實施例中，所述電壓源110可用於通孔132而接地則用於通孔130。
更一般而言，電壓施加在電極120及電極122之間可以是任何電壓信號或其它電器信號，包含由ESD情況產生的電壓，如「第1圖」所示意的ESD脈衝112。在終端用戶裝置，如：行動電話，正常的操作情況下，ESD脈衝112可以被預期具有高的電壓幅度(例如：超過幾百伏特，且可能是幾千伏特)，以及短暫的持續時間(例如：幾奈秒與幾微秒之間)。儘管短暫的持續時間，由ESD脈衝112產生的電流可望達到超過十安培的大振幅，倘若「第1圖」的實施例的結構用於ESD保護，電極120或電極122可以直接或間接地連接到接地(或受到保護的電路或裝置中的另一預定點)，假如ESD脈衝112到達另一電極，ESD脈衝112可通過連接至接地的電極或預定點被引導至接地或所述預定點。
假設透過電壓源(或ESD脈衝112)施加的電壓不超過VSD材質140的特徵電壓，VSD材質140基本上不導電，並且沒有顯著的電流通過VSD材質140在電極120及電極122之間傳導(除了一部份的漏電流，其原因是為了不影響電子裝置的性能，通常在水平切換結構100的部署時VSD材質140會被設計成最小化)。
為了圖解說明電壓源110及ESD脈衝112可以存在於替代方案中且用於一般性描述的目的，電極120及電極122之間的連接線以虛線表示，在一般情況下，可施加任何電壓源、ESD信號或其它電源、過電壓信號或兩個電極(120、122)之間的電壓電位。兩電極中的任何一個也可連接至接地或另一個參考電壓電平的點。所述電壓源110的極性可以是電極120及電極122之間的任一方向。
假如透過電壓源(或ESD脈衝112)施加的電壓超過VSD材質140的特徵電壓，VSD材質140切換成實際導電，並且有顯著的電流通過VSD材質140在電極120及電極122之間傳導。
在「第1圖」的實施例中，VSD材質140可稱為在水平方向或橫向方向切換。所述水平或橫向方向的定義是相對於基板160，因為電流流動通過VSD材質140發生在通孔130及通孔132之間，主要是在與基板160的主平面平行的方向。在一個實施例中，基板160為印刷電路板的一層，在這種情況下，水平切換方式的電流流動通過VSD材質140主要發生在印刷電路板的主表面平行方向，其主表面上設置了大部分的組件及電子元件(或上下兩表面，在此情況下的印刷電路板上下兩表面均連接有組件)。
在各實施例中，VSD材質140被設計成在電極120及電極122之間的兩個方向容納電流，這取決於電極120及電極122之間施加的電壓的極性。在「第1圖」的實施例中，VSD材質140的水平切換方向以箭頭142表示，由於基板160(例如：印刷電路板或印刷電路板核心)實際上是一個三維結構，具有較大的二維平面(即：連接組件的印刷電路板表面或限定的平面)及較小的高度尺寸，在電極120及電極122之間的水平流動的電流可以發生在任何方向，基本上是與較大的二維平面平行。換句話說，如「第1圖」的實施例所示意，電流由左到右或由右到左流動，考慮到基板的三維尺寸，如裝置封裝或印刷電路板，電流的流動可能發生在任何方向上，其基本上是與基板160的主表面所形成的二維平面平行。
請參考「附錄第1圖」的實施例，水平切換方式，其電流會在任意方向流動且基本上與「附錄第1圖」所示意的X-Y平面平行。實現上，電流通過介質一般涉及電荷的三維流動，水平切換並不意味著所有的電荷必須只在水平和平
面方向流動，相反地，所述水平切換或發生在水平方向的切換意味著電荷的運動主要是沿著與基板的二維主要平面相互平行的平面，但它當然可能且預期至少會有一部分的電流將表現出一定數量的垂直運動。電荷的垂直運動可能更容易偵測到，假設模擬或分析在微觀層級(micro-level)進行。然而，在一般情況下，水平切換方式其至少有兩個導電結構，如：通孔130及通孔132被設置在相對於基板垂直的維度，並且電流流動發生在兩個通孔之間，主要是在與基板的主要二維平面平行的方向。
在「第1圖」的實施例中，在電極120及電極122之間的距離定義為VSD材質140的間隙，此間隙如「第1圖」的間隙150所示意。在一般情況下，水平切換的VSDM構造的水平間隙是由橫跨VSD材質的結構的最短電氣路徑所決定，並且在「第1圖」中，此最短電氣路徑是由具有VSD材質140界面上的電極120及電極122的邊緣所決定。如果在一個實施例中，電極120及電極122並非朝向彼此延伸，如「第1圖」所示意的間隙150小於通孔130及通孔132之間的距離，VSD材質140可以改為在通孔130與通孔132之間的水平間隙中切換。
在一個實施例中，VSD材質140的特徵電場定義為伏特/密耳，在此實施例中，透過定義一個特定間隙尺寸的間隙150，設置在通孔130及通孔132之間的VSD材質140結構的特徵電壓實際可以伏特為單位。
在一個實施例中，如「第1圖」所示意的結構包含矩形結構(例如：VSD材質層140可以建置為矩形結構)。在一個實施例中，如「第1圖」所示意的結構包含彎曲結構(例如：VSD材質層140可建置為圓筒狀的構造)。
「第2圖」顯示水平切換的筒狀結構200，其包含設置在兩個導電平面(例如：銅面)的VSD材質240，可用於電子組件的ESD防護，所述兩個導電平面表示為導電平
面230及導電平面232。結構200大致等同於「第1圖」的實施例之結構，但說明了如「第1圖」所示意的各方面如何可以實現在一個彎曲架構。所述導電平面230及導電平面232基本上是以VSD材質的體積分開的同心導電結構。為了簡單起見，基板及電極並未在圖中進行示意。
在一個實施例中，「第2圖」所示意的結構200為實現於印刷電路板中的結構剖視圖。請參閱「附錄第1圖」的實施例，在「第2圖」所示意的環形帶(annulus)介於導電平面230及導電平面232之間，基本上將被設置與「附錄第1圖」所示的X-Y平面大致平行。以三維的角度來看，導電平面230及導電平面232在垂直方向延伸，兩者在印刷電路板中基本上與「附錄第1圖」的實施例所示意的Z軸平行。
在「第2圖」的實施例中，電壓源210或ESD信號212會產生一個介於導電平面230及導電平面232的電壓。假設此電壓超過VSD材質240的特徵電壓，所述VSD材質將切換為導通，而且VSD材質將從不導電改變為導電。在此情況下，顯著的電流將在導電平面230及導電平面232之間流動。對於如「第2圖」所示意的同心結構，電流主要是發生在線段242所示意的徑向(radial direction)。請參閱「附錄第1圖」的實施例，「第2圖」所示的水平切換結構意味著電流將在導電平面230及導電平面232之間流動，主要是沿著與「附錄第1圖」所示意的X-Y平面大致平行的平面。同樣地，有關「第1圖」的實施例，水平切換並不意味著電流將嚴格限制在沿著與基板的主要二維平面大致平行的平面上流動，反而因為通孔、VSD材質結構及微觀層級效應(micro-level effects)的三維物體而可被預期有一定數量的電流將會發生在垂直維度。然而，水平切換意味著電流確實會發生在與基板的主要二維平面平行方向的平面，例如：通過VSD材質240在水平方向上使用電流可以實現有用的電氣功能。
在一個實施例中，VSD材質240的特徵電場定義為伏特/密耳，在此實施例中，透過定義一個特定間隙尺寸的間隙250，設置在導電平面230及導電平面232之間的VSD材質240結構的特徵電壓實際上可以伏特為單位。在「第2圖」的實施例，結構200的彎曲架構更複雜於在「第1圖」實施例的結構100的矩形架構，也因此結構200要確定實際的特徵電壓更為困難。然而，在一個實施例中，VSD材質240的特徵電壓與間隙250的尺寸相關聯，並且可在一定程度上作為以伏特為單位的值。
「附錄第1圖」為印刷電路板和在各種實施例中相關方向的參考之示意圖，「附錄第1圖」所示意的印刷電路板300具有一個定義在X軸及Y軸的主要水平平面，以及一個定義在Z軸的垂直維度。此參考座標系統是定義為在物理空間的印刷電路板的實際定位，使印刷電路板旋轉在空間中不改變水平平面及垂直維度。此參考系統將在關於印刷電路板，如「附錄第1圖」所示的印刷電路板300之中更詳細的說明，但也適用於相似的任何其它基板。
一般而言，“基板裝置(substrate device)”可被針對ESD或其它過電壓情況的VSDM構造所保護，或是在其中摻入VSDM構造，基板裝置是指任何印刷電路板、單層或多層印刷電路板、半導體裝置的封裝、發光二極體基板、積體電路(integrated circuit,IC)基板、插板(interposer)或連接兩個或多個電子組件、裝置或基板(這種連接可以是垂直及/或水平)的其它平台、任何其它堆疊封裝規格(如：插板、晶圓級封裝、封裝內封裝(package-in-package)、系統級封裝或至少兩個封裝或基板的堆疊組合)或任何其它可附著VSD材質構造或在其中摻入VSD材質構造的基板。為了簡單起見，“基板裝置”有時可表示為“基板(substrate)”。
使用此參考座標系統，水平切換方向定義在「第2圖」實施例中的線段142及「附錄第1圖」實施例中的線段
242，將沿著與印刷電路板300的主要二維平面大致平行的平面，所述印刷電路板300的主要二維平面定義在「附錄第1圖」所示意的X-Y平面。
「第3A圖」為根據一個實施例顯示使用VSD材質實現垂直切換的VSDM構造400，且其可被整合在基板裝置，如：印刷電路板、可撓式電路(flexible circuit)或半導體晶片的封裝。VSDM構造包含多層，其至少一層為VSD材質層，有時也被稱作為VSDM構造或簡單地VSDM構造。所述構造400可以用剖視圖顯示印刷電路板、半導體封裝或另一基板裝置中的各層。一般而言，適用於實現垂直切換的VSDM構造也可以被稱為“垂直切換的VSDM構造(vertical switching VSDM formation)”。
有一些垂直切換的VSDM構造揭露在美國專利申請號“12/417,589”，其為“Shocking Technologies,Inc.”在“2009/4/2”提出申請，其全部內容通過引用併入本文。
「第3A圖」顯示的構造400包含兩個基板層460及462，兩者為絕緣層整合在印刷電路板中、一個VSD材質層440、一個導電結構430及一個導電層432。
所述導電結構430可為通孔(如：鐳射鑽孔的通孔)、墊片、電路或任何其它結構，其被設計為導電且方便電氣信號傳播。
導電層432可作為信號層或接地層並整合在印刷電路板中，在一個實施例中，導電層432為預先設置有VSD材質440的導電結構(例如：一個已塗佈和固化VSD材質440的銅箔)。
「第3A圖」所示意的VSDM構造400是沿著印刷電路板的垂直維度，如Z軸所示而設置。請參閱「附錄第1圖」的實施例，「第3A圖」所示的Z軸與「附錄第1圖」所示的Z軸相同。
以「第1圖」及「第2圖」實施例中的水平切換的方向來類推，垂直切換方式其電流在與基板的垂直方向平行的平面流動。
請參閱「附錄第1圖」實施例，垂直切換的結構顯示在「第3A圖」的實施例，其方式是假設VSD材質400因為電壓超過其特徵電壓而切換成導電，電流將在導電結構430及導電層432之間流動，主要是在與「附錄第1圖」所示意的Z軸平行的方向。同樣地，如「第1圖」及「第2圖」實施例中所述的水平切換，垂直切換並不意味著電流將嚴格限制在與基板的Z軸(或垂直軸)大致平行的方向流動。相反地，由於導體的三維物體、印刷電路板佈局的三維結構、三維物理特性及VSD材質結構的形狀、在VSD材質本身的微觀層級效應(如：電流在VSD材質內分散的顆粒之內及/或之間傳播)、發生在水平維度的一定數量的電流、至少在VSD材質中的局部體積而可被預期。然而，垂直切換方式其電流主要將發生在與印刷電路板或其它基板的Z軸(或垂直軸)大致平行的方向，以便透過VSD材質440垂直方向的電流實現有用的電氣功能。
在一個實施例中，VSDM構造400更包含互連層434(layered interconnect)，其設置來接觸導電結構430及VSD材質440。所述互連層434為導電特性，也可以添加在各實施例中，以便增加導電結構和VSD材質構造之間的邊界之橫截面傳導區域，例如：「第3A圖」所示意的導電結構430及VSD材質440之間的邊界。此外，互連層在這樣的邊界可提升各導電結構的能力以攜帶更多的電流，特別是假如邊界具有小的物理特性，否則可能導致電流集中(concentration of currents)或電場集中(concentration of electrical fields)。這可能更理想，舉例來說，如果導電結構430具有小的橫截面區域接觸VSD材質440的位置。
一般而言，互連層被設置在導電元件及VSD材
質結構之間，例如：「第3A圖」所示意的互連層434可提供增強導電結構及VSD材質之間的電流、提高導電結構及VSD材質之間的界面的機械性能(如：增加黏著或貼合、更好的溫度係數……等等)、改善導電結構及VSD材質之間的電氣連接、以及其它類似的優點。
在各實施例中，此互連層434的設置可以從VSD材質440完全地或部分地分離導電結構430，或可設置在另一導電結構430的邊界以提供導電結構430及VSD材質440之間的額外的電氣路徑(例如：垂直)。
在一個實施例中，互連層434實體分離導電結構430及VSD材質440。為了製造此實施例，互連層434能夠形成在VSD材質440的頂端，以及導電結構430能形成在互連層434上方，避免互連層434經由導電結構430完整的滲透。
在一個實施例中，互連層434物理接觸VSD材質440，並且在VSD材質440的界面，互連層434封裝了一部分的導電結構430。為了製造此實施例，互連層434能夠形成在VSD材質440的頂端，以及導電結構430能形成在互連層434上方，然後穿透互連層434以建立導電結構430及VSD材質440之間的直接物理接觸(例如：以鐳射鑽一個洞穿過互連層434直到VSD材質440，之後使用導電材質填補這個洞以產生一個導電通孔)。
「第3B圖」根據一個實施例顯示包含VSD材質層498的VSDM構造490，其可整合在印刷電路板或另一基板且實現垂直切換。在一個實施例中，「第3B圖」所示意的VSDM構造490包含「第3A圖」所示意的結構430的結構組件以及一些附加特性及層。
「第3B圖」所示意的VSDM構造490包含一些基板層，其一般為絕緣(或介電質)，表示為預浸填料480、核心482、預浸填料484、核心486及預浸填料488。
「第3B圖」所示意的VSDM構造490也包含一些導電信號層，表示為L1~L6導電層且編號為導電層470、472、474、476、478及479。這些信號層可在印刷電路板中、或是連接在印刷電路板的組件及電路元件來傳導電氣信號、或用作接地或其它電壓參考點。
「第3B圖」所示意的VSDM構造490也包含兩個導電結構，表示為導電結構450及452。任一個或兩個導電結構450及452可為通孔、墊片、電路或任何其它結構，其設計為導電且方便電信號傳播。「第3B圖」所示意的VSDM構造490沿著印刷電路板的垂直維度設置，如Z軸所示。請參閱「附錄第1圖」的實施例，「第3A圖」所示的Z軸與「附錄第1圖」所示的Z軸相同。
在「第3B圖」的實施例中，互連層499設置在導電結構452及VSD材質498之間的界面。在各具體實施例中，互連層499相似於「第3A圖」的實施例的互連層434。互連層499可對介於導電結構452及VSD材質498的界面提供各種優點，包含在「第3A圖」的實施例中所提到的那些優點。
假如VSD材質層498接觸到介於導電結構452及導電層474之間的電壓，其超過VSD材質層498的特徵電壓，包含在VSD材質層498的VSD材質將切換為導通，並且將成為導電。在此狀況下，電流主要是在垂直方向流動，介於導電結構452及導電層474之間。假設此一狀況發生，VSD材質層498具有垂直切換。
在一個實施例中，類似於「第1圖」及「第2圖」實施例，在以伏特為單位測量VSD材質層498的特徵電壓時，與VSD材質的間隙大小有關。如「第3B圖」的實施例，間隙大小會與導電結構452及導電層474的距離大致相等，也正好與VSD材質498的厚度相等。雖然以間隙大小來計算VSD材質的特徵電壓的確切公式會受到一些變數的影響(例
如：確切的VSD材質配方、VSD材質結構或層的完整體積、透過實現切換的VSD材質結構的實際形狀、連接到VSD材質的任何電路元件的阻抗……等等)。但在各種實施例中使用的VSD材質配方，較小的VSD材質的間隙通常導致較小的特徵電壓，較小的特徵電壓在某些應用可能是最好的(例如：應用在VSD材質將切換至較低的電壓)。
在一般的設計考量中，減少VSD材質的間隙大小必須平衡VSD材質結構變得太小因此失去其理想的操作特性的風險(例如：太薄的VSD材質結構在快速連續地接觸到類似的觸發電壓時可能會在重複性的一致性上呈現降低、可能遇到散熱能力下降、或是遭受短路或損毀的風險較高)。
垂直切換相較於水平切換的一個優點是，在某些製造環境中，比起水平切換構造，其可更容易控制垂直切換構造的間隙大小。舉例來說，使用目前技術同時考量製造成本來產生水平VSD材質間隙，如「第1圖」實施例的間隙150，以及「第2圖」實施例的間隙250，所能容許的公差可能還不是足夠小的，或可能難以維持透過一個大的商業化生產線所生產的印刷電路板的精確性。因此，水平切換的VSDM構造在不同印刷電路板、或即使在相同印刷電路板，不希望在各自的特徵電壓及/或操作穩健性呈現出高統計變化，而且這樣的變化可能會更加難以使用當前生產線的標準製造技術和工藝來解決。
反之，在一些實施例中，對於VSD材質構造的垂直公差，如「第3A圖」所示意的VSD材質構造400，可能更容易保持準確。舉例來說，如果VSD材質設置在導電層的處理可以確保VSD材質厚度一致和準確，間隙442將具有相對一致和準確的間隙大小。在實際實施上，這可採用先進的塗佈技術再加上適當的檢驗、計量和監測流程來實現。
垂直切換相對於水平切換的另一個優點是VSD材質結構用以執行垂直切換可以在VSD材質成為導電時產生
較大的橫截面面積使電流流過。較大的橫截面面積能夠傳導更多的電流，因而導致更好的性能特性和VSD材質結構的耐久性。舉例來說，在「第1圖」的實施例中，VSD材質140的橫截面切換區域與VSD材質層在垂直方向測量的厚度成正比，其通常很小且往往會產生較小的橫截面面積。與此相反，在「第7圖」的實施例中，VSD材質940的橫截面切換區域與在X-Y平面測定的電極920的表面積成正比，這往往會產生較大的橫截面面積。
要處理基板上的VSD材質層，如「第1圖」的實施例中，基板160上的VSD材質140或「第3A圖」的實施例中，導電層432上的VSD材質440，VSD材質可被塗佈和固化在所述基板上。以「第3A圖」的實施例為例，處理導電層432上的VSD材質層440，VSD材質可被塗佈及固化在導電薄片的材質(如：銅)。然後，得到的固化VSDM構造可作為印刷電路板中的化合物層，包含成為導電層432的導電薄片的材質以及成為VSD材質層440的VSD材質。「第3A圖」顯示的其它特徵可在製造過程中通過各種製造步驟形成。
除非特別明確指出，否則術語“VSD材質構造”、“VSDM構造”、“VSD材質的構造”、“VSDM的構造”、“VSD材質的構造”、“VSD材質堆疊”或“VSDM堆疊”是指任意的組合、排列或其它結構，包含(a)至少一個VSD材質結構及(b)下列其中之一或一個以上：(i)絕緣元件(如：一個預浸填料或其它絕緣層或結構中的印刷電路板，在半導體封裝中的絕緣層或結構等)、(ii)電極(如：印刷電路板中的導電通孔或在半導體封裝中的導電連接器)、(iii)半導體元件(如：半導體材料製造出的結構)及/或(iv)不同的VSD材質結構。以VSD材質構造為例，其更簡單的配置是VSDM結構(如：VSD材質層)的組合設置在銅箔上及銅箔本身。
更複雜的VSD構造的其它例子是垂直切換的
VSDM構造，其在本專利的各實施例中描述及/或權利要求，包含「第3A圖」實施例的VSDM構造400、「第3B圖」實施例的VSDM構造490、「第4圖」實施例的VSDM構造500、「第5圖」實施例的VSD材質構造600、「第7圖」實施例的VSD材質構造900、「第8圖」實施例的VSD材質構造1000、「第9圖」實施例的VSD材質構造1100、「第10A圖」實施例的VSD材質構造1200、「第11圖」實施例的VSD材質構造1300、「第12圖」實施例的VSD材質構造1400、「第13A圖」實施例的VSD材質構造1500、「第14圖」實施例的VSD材質構造1600以及「第15圖」實施例的雙向切換結構1700。
塗佈和固化VSD材質結構於基板，如VSD材質層，可透過一系列的步驟來達成。舉例來說，請參閱「第3A圖」的實施例，處理VSD材質層，如VSD材質440，在基板上最終會成為導電層432，其可使用如下步驟：(1)將VSD材質點膠(dispense)在基板，此VSD材質是液體或半液體狀態(例如：由於分散在VSD材質內的顆粒和其它材料，VSD材質的黏度會傾向高於純水等液體的黏度，因此流動較慢)；(2)在基板上的一層中擴展VSD材質，同時保持VSD材質的厚度在理想範圍及橫跨基板表面的公差內；(3)監控、檢查及/或測試塗佈在基板大表面的VSD材質的厚度，以確保VSD材質的厚度維持在理想範圍及公差內；(4)固化(cure)VSD材質，將其暴露在熱環境(如：透過烤箱處理塗佈在基板上的VSD材質，烤箱的溫度能夠控制及/或變化在理想範圍內)；(5)移除較早前的製造工序中所使用的溶劑或其它材質，並且設計為在此時移除以方便後續處理；以及(6)監控、檢查及/或測試產生的VSD材質構造，包含設置在基板上的固化VSD材質層，用以確保此固化
的VSD材質層在厚度、一致性、缺陷密度、切換電壓、物理彈性、黏附性、靈活性或其它物理屬性、熱耐久性或其它熱屬性，及/或其它相關參數方面具有預期的特性及公差。
除了塗佈之外，其它方法可用於將VSD材質結構部署在基板上，如VSD材質層，這樣的方法包括：沉積、絲網印刷、晶粒封膠、刮刀式塗佈、壓合、機械黏附(如：過預先固化VSD材質於一層，然後將其附於基板)、或透過任何其它結合方式，無論是機械、化學或其它方式。無論使用何種方法，得到的VSD材質構造將包含設置在基板(無論是否導電)頂端的VSD材質層，VSD材質在固化狀態且能夠執行電壓切換功能。
在一個實施例中，替代生產VSD材質構造的方法包含一個提前固化在基板上的VSD材質層，然後將此VSD材質構造整合至印刷電路板中，所述VSD材質在印刷電路板實際的製造過程中可被塗佈在印刷電路板的一層。以「第3B圖」為例，L3導電層474在VSDM構造490的製造過程中可以附著至預浸填料484，接著VSD材質層498可設置及固化在L3導電層474上，然後互連層434可形成(如：絲網印刷)在VSD材質498的頂端，之後核心482附著在VSD材質層498，導電結構452隨後形成在核心482之中或在核心482附著前已經產生在其中。
「第4圖」為根據一個實施例顯示VSDM構造500，其使用VSD材質實現垂直切換。「第4圖」的VSDM構造可整合在基板裝置中，如：印刷電路板、可撓式電路或半導體晶片的封裝。
所述「第4圖」的VSDM構造500包含一組導電層520及522，其可為印刷電路板中的導電信號層或其它電極，「第4圖」的VSDM構造500更包含VSD材質層540。
互連層530設置在導電層520及VSD材質540之間，互連層532設置在VSD材質540及導電層522之間。
在一個替代的實施方式，互連層530及532兩者任一或兩者不存在，在此情況下，VSD材質540直接物理接觸一個或兩個導電層。
在一個實施例中，互連層是任意的導電結構，其可作為結構的一部分，或是連接具有垂直切換的VSDM構造以沿著電氣路徑傳遞電壓及/或電流，電氣路徑包含一個或多個VSDM結構。在一些實施例中，互連層設置在水平方向(如：在一個水平層內)以提供導電。在一些實施例中，互連層設置在垂直方向(如：越過一個或多個水平層，及/或介於兩個或兩個以上的水平層)以提供導電。在一些實施例中，將互連層同時設置在水平和垂直方向，及/或斜向。
在各種實現中，互連層，如「第4圖」的互連層530或532，可以使用任何合適的工藝，包括透過絲網印刷、模板印刷、沉積、黏附、使用熱及/或壓力壓合、透過任何其它物理連接(如：膠合或黏合)、或透過預先建立互連層至基板內(如：設置互連層作為印刷電路板中的一個層、結構、導電核心或預浸填料，或作為半導體封裝內的一個層、導電結構)。在一個實施例中，附著VSD材質層的基板(例如：使用銅箔作為VSD材質層的基板)可作為互連層以便在印刷電路板或其它基板內提供水平傳導。在一般情況下，互連層適用於各垂直切換的VSDM構造的實施例，其可透過任何機械的、化學的或其它適合的沉積方式生產。
在各種實施例中，互連層可具有阻抗範圍。舉例來說，在一些實施例中，最好具有可忽略的阻抗(如：導電性高的薄膜，其具有非常低的電阻且不引入任何顯著的電壓降)。在另一個例子中，互連層可以有意地構成具有較高的阻抗，並且當電流流過它時引入一個特定的電壓降(如：互連層可設計為一個嵌入式電路元件，或可包含一個嵌入式電路元件)。以一個具有電阻的互連層為例，其電阻通常不被認為可忽略不計，將是具有一個介於“25~1000”歐姆的電阻的
導電薄膜。在一個實施例中，互連層可構成「第13A圖」實施例中的元件1592或可被建模以運作為「第13A圖」實施例中的元件1592。
在各實施例中，互連層有一個使用碳填充環氧樹脂(carbon filled epoxy)或作為沉積在銅上的鎳鉻合金(如：一個熱薄膜電阻層沉積在銅箔)製成不可忽略的電阻率。
在各實施例中，互連層可被具高介電常數的材料或材料組合製造出來，這將使互連層具有較高的電容。
在各種實施例中，互連層可被任何材料或材料組合製成，其可傳導電流且適用於基板應用。
在本發明的實施例中，以一個製成互連層的材料為例，如互連層530或532為“3M公司”製造的Z軸導電帶，市場上銷售的商品名為“3M TM Z-Axis Electrically Conductive Tape 9703”。當設置為一個基本上水平的層時，Z軸導電帶呈現出各向異性(anisotropic)沿著Z軸垂直導電，當沿著Z軸傳導電流時，基本上是導電性但水平絕緣。
其它可使用在本發明實施例作為互連層的材料之例子，如：互連層530或520為銀膏、銅膏以及其它黏貼的金屬類型、塗佈銀的銅層、碳層、鐵性材質或包括鐵氧體、導電環氧樹脂或聚合物的化合物、或是其它能夠傳導電流的材質層、結構或連接器。在一般情況下，除非互連層具有各向異性導電率，互連層可用於各實施例的垂直切換的VSDM構造以使電流在水平、垂直及/或傾斜方向傳導，這取決於各實施例的特定結構。
在「第4圖」的實施例中，電壓源可連接於導電層520及522之間，「第4圖」的電壓源510作為一個獨立的電壓源，它也可以是一個電流源或任何其它電能的來源。這樣的佈置可在測試步驟或特定的架構佈局中遇到，其中整合有VSD材質以便透過電壓源510增加電壓來使VSD材質導電。
在更一般的意義上，施加在導電層520及522的電壓可以是任何電壓信號或其它電氣信號，包括由ESD放電產生的電壓，如「第4圖」實施例中所示意的ESD脈衝512。在正常操作情況下，它通常由終端用戶裝置所遭遇，如：行動電話，ESD脈衝512可被預期有高的電壓大小(例如：超過幾百伏特，甚至可能是幾千伏特)及短暫的持續時間(例如：介於奈秒及微秒之間)。儘管持續的時間很短，由ESD脈衝512產生的電流可預計可能超過十安培的較大振幅。如果「第4圖」實施例的結構用於ESD防護，導電層520及522可被連接至接地平面(或在被保護的電路或裝置中的另一個預定點)，並且ESD脈衝512可被引導至接地或所述預定點。
如果透過電壓源510(或由ESD脈衝512)施加的電壓不超過VSD材質540的特徵電壓，VSD材質540基本上不導通，且沒有顯著的電流通過互連層530及532，以及通過VSD材質540(除了一部份的漏電流，其原因是為了不影響電子裝置的性能，通常在所述結構500的部署時VSD材質540會被設計成最小化)在導電層520及522之間傳導。
為了圖解說明電壓源510和ESD脈衝512可出現在替代方案，並且用於一般性描述目的，每個導電層520及522之間的連接線以虛線來表示。在一般情況下，電壓源、ESD信號或其它電氣來源、過電壓信號或電壓電位可施加在導電層520及522之間。這兩個導電層也可以被連接到接地或連接到另一個參考電壓電平的點。
如果透過電壓源510(或由ESD脈衝512替代)施加的電壓超過VSD材質540的特徵電壓，VSD材質540基本上切換成導電，且有不小的電流量通過VSD材質540在導電層520及522之間傳導。
如果對於一個給定的VSD材質成分，VSD材質的特徵電場被定義在每密耳伏特(V/mil)(或以其它方式定義在每單位長度伏特)，具有一給定厚度的VSD材質的特徵電
壓可被確定為一個特定電壓值，舉例來說，假設VSD材質層540的厚度跨越「第4圖」實施例表示為T的間隙542，且VSD材質層540的特徵電場表示為每密耳伏特ECH，對應的特徵電壓值以伏特為單為表示成VCH，並且可表示為如下公式：VCH(V)=ECH(V/mil) * T(mil) 公式一
假設特徵電場ECH的數值是常數，或是近似於厚度T的常數，公式一的計算式成立。
一般而言，在整個相應的VSD材質的間隙，特徵電場ECH可能不是常數，並且因不同VSD材質厚度而產生變化的值。在一定程度上，特徵電場ECH在VSD材質的間隙上不是常數，特徵電壓VCH可以通過特徵電場ECH與相應的厚度T的積而得出。
從公式一可以看出，透過減少VSD材質層540的厚度，VSD材質結構540的特徵電壓也相對地降低，一個範例值可在行動電話的工業應用中用於VSD材質540的厚度，包含低於二密耳的數值，為了進一步降低特徵電壓，VSD材質層540的厚度可以減少到低於一密耳。
假設互連層530及532以及導電層520及522的阻抗可以忽略不計，這些導電層和互連層沒有顯著的電壓降，並因此在由電壓源510或ESD脈衝512產生的電壓達到VSD材質540的特徵電壓之後，VSD材質540切換為導通且成為導電。
「第5圖」為根據一個實施例顯示VSDM構造600，其使用VSD材質實現垂直切換。「第5圖」的VSDM構造可被整合在基板裝置，如：印刷電路板、可撓式電路或半導體晶片的封裝。
「第5圖」的VSDM構造600，包含一組導電層620及622，其可為印刷電路板中的導電信號層或其它電極，
「第5圖」的VSDM構造600更包含VSD材質結構640，它是被設置為與間隙642的厚度T大致相同的一層。
互連層630設置在導電層620及VSD材質結構540之間，導電層622物理及電氣接觸VSD材質640。
根據各種實施例，除了常規的硬板，如：硬性印刷電路板及硬性半導體封裝，垂直切換的VSDM構造也可實現於軟性電路、軟性基板、軟性半導體封裝及其它軟性裝置。為了實現此一目標，對使用的VSD材質構造進行調整以呈現增強彈性性能，舉例來說，一般的準則是降低在VSD材質內的金屬顆粒含量(例如：透過減少或消除分散在VSD材料中的金屬顆粒)，降低固化後的VSD材質的脆性，並因此使得VSD材質更適合用於軟性應用。
垂直切換的VSD材質構造可透過加入一個或多個具有適當的機械及/或環境耐力屬性進一步適用於軟性應用的實施例中，以「第5圖」的實施例所示意的VSD材質構造600為例，兩個額外加入的層為聚酰亞胺(polyimide)基板680及682。
聚酰亞胺材質通常是輕量級與軟性的，具有較高的力學延展性和拉伸強度，而且往往可以更好地抵禦高溫和化學反應。聚酰亞胺材質被用在電子工業中來製造軟性電纜、在數位半導體和微機電系統晶片中的製程中作為絕緣層或鈍化層、作為絕緣薄膜、作為高溫黏合劑、用於醫療導管的應用、以及用於其它可撓性、低重量及提升環境韌性所需的應用。
另一個VSD材質構造的應用，其採用耐熱材料，如作為「第5圖」實施例的VSD材質構造600所包含的聚酰亞胺基板680及682為高熱能應用，例如：LED面板或電子應用操作的區域具有較高的環境溫度(如：炎熱的氣候)或在裝置中具有有限的通風(如：封閉或嵌入式電子裝置或系統具有有限或沒有散熱)。
「第5圖」所示意的VSDM構造600的運作和電氣行為大致上與「第4圖」所示意的VSDM構造500類似。特別的是，當在導電層620及622之間施加電壓時，只要各自的阻抗忽略不計，沒有顯著的電壓降發生在導電層620及622或在互連層630之中，因此，當通過電壓源610(或者通過ESD脈衝612)施加的電壓超過VSD材質640的特徵電壓時，VSD材質640將切換為導通且成為導電，VSD材質640的特徵電壓與VSD材質640的厚度T成比例。
「第6圖」為根據一個實施例顯示垂直切換的VSDM構造的形成方法，其包括互連層或其它電極。如「第6圖」所示，方法700包含可用於產生一個或多個導電結構的步驟，例如：一個或多個互連層或其它電極存在於垂直切換的VSDM構造中。額外的選擇性步驟能用以進一步完善產生的VSDM構造。
一個生產各裝置的方法，如LED裝置透過電鍍VSD材質的方法揭露在美國專利公告號“7,825,491”，專利名稱為“Light-emitting device using voltage switchable dielectric material”，在此通過引用將其全部併入。
在「第6圖」的實施例中，在步驟710，一個VSD材質設置在基板或表面(如：銅箔)。在步驟720，一個非導電材質層設置在VSD材質(如：光阻劑材質層)之上。
在步驟730，非導電材質層被圖案化一個特定圖案，其將定義一個或多個導電結構，如：互連層或其它電極。舉例來說，在步驟730圖案化可定義「第3A圖」實施例中互連層的位置和形狀，其設置在VSD材質440的頂端。在一個實施例中，非導電層是一個光阻劑材質層，並且藉由曝光光阻劑使鐳射通過光罩，接著透過蝕刻處理產生圖案。無論是本領域中已知的正性或負性的光阻劑處理皆可使用。步驟730的結果是VSD材質的一個或多個區域將通過非導電層對應圖案的一個或多個部分而曝光。
在步驟740，施加超過VSD材質的特徵電壓的電壓，因此，VSD材質轉為導電，此電壓可直接施加至VSD材質或設置在VSD材質上的導電基板(如：銅箔)兩者其一。所施加的電壓可以是恆定或可變的電壓(如：脈衝)。
雖然VSD材質是導電性，一個離子沉積過程發生在步驟750用以在VSD材質圖案的曝光區域內形成導電結構(例如：一個互連層，如「第3A圖」實施例的互連層434)。也可以透過各種已知的沉積工藝，用以將離子介質沉積到定義在VSD材質露出的圖案的至少一些曝光區域中。在一個實施例中，進行電鍍處理的過程，其VSD材質的曝光區域被淹沒在電解溶液中。
在預備的實施方案，使用粉末塗料工藝進行離子沉積，在此過程中，電力粒子充電且施加在基本上為導電狀態的VSD材質的曝光區域。此粉末的應用可以透過在曝光區域上沉積粉末或將基板浸入粉浴(powder bath)來實現。
更進一步，另一種實施方式可以使用電噴霧工藝，離子介質可以帶電離子的形式於溶液中，可以將溶液施加在基板上而VSD材質為導電，噴霧的應用可包含油墨或油漆。
在各種實施例中，也可以使用其它沉積技術在基本上為導電狀態的VSD材質的曝光區域上進行離子沉積，例如：真空蒸鍍法(如：物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)或化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD))，舉例來說，在物理氣相沉積中，金屬離子被引入到一個腔室與氣體離子結合。VSD材質的曝光區域可以做出具有相反電荷的導電性，以便吸引及黏著腔室的離子。在CVD中，離子材質的薄膜可以施加在基板表面上的VSD材質。
在步驟760，非導電材質可任意的從基板上移除，以便留下形成的導電結構(例如：使用在垂直切換的VSDM構造中的一個互連層或另一電極)。在一個實施例中，當光阻
劑材質是由非導電材質製成時，將鹼性溶液(如：KOH)或水施加在基板以移除光阻劑材質。
在一個實施例中，在移除光阻劑層後，可於形成的VSDM構造施加一個拋光步驟。在一個實施例中，使用化學機械拋光以對形成的VSDM構造的基板進行拋光。
「附錄第2圖」為根據一個實施例顯示如：「第4圖」所示意的VSDM構造500或「第5圖」所示意的VSDM構造600等用於垂直切換的VSDM構造的樣本響應電壓平均之圖形800。「附錄第2圖」所示意的電壓響應曲線820是透過測量具有二密耳的垂直間隙的VSD材質層的電壓，同時以傳輸線脈衝(Transmission Line Pulse,TLP)的形式重複施加輸入電壓而取得。舉例來說，在「第4圖」實施例中，這種測量能夠透過測量導電層520與相對的導電層522來實現，其具有電壓源510施加所述TLP。
在一個實施例中，VSDM構造的響應電壓的測量，可使用TLP產生器處理相應的TLP，且示波器顯示如下：(1)TLP產生器傳送脈衝沿著同軸電纜傳輸線朝向VSDM構造的電極，其中有一個與特徵電壓對應的間隙；(2)示波器截取朝向VSDM構造的靶電極的TLP；(3)TLP到達VSDM構造的靶電極，部分來自TLP的能量被反射回作為回波；(4)示波器截取反射回波；以及(5)一計算機用以處理TLP及反射信號來評估橫跨間隙的VSDM構造的特徵電壓。
響應曲線820顯示在一個較長的時間尺度的圖的局部802，響應曲線822顯示在一個十六奈秒的較短時間尺度的圖的局部804，TLP電壓輸入顯示為信號810以及信號812。
如圖形800所示，當輸入信號810開始增加時，
VSD材質層兩端的電壓開始跟著輸入電壓上升，但在VSD材質開始傳導越來越多的電流後開始出現發散。在某些時候，VSD材質切換為大幅導電，並且響應信號穩定在低於200伏特的值，儘管輸入信號810持續增加。VSD材質層的特徵電壓可估計在150伏特及220伏特之間。
「第7圖」為根據一個實施例顯示使用VSD材質實現垂直切換的VSD材質構造900。「第7圖」所述的垂直切換的VSD材質構造900可以整合在任何電子裝置，其包含基板裝置，如：印刷電路板、可撓式電路或半導體晶片的封裝，用以提供保護避免ESD及其它過電壓情況，「第7圖」顯示一個VSD材質構造在基板，如印刷電路板的垂直方向的剖面圖。
「第7圖」的VSD材質構造900包含一組電極920及922，所述電極920及922設置於接觸VSD材質結構940，其顯示為「第7圖」實施例的一個層。VSD材質層940具有與間隙942大致相同的厚度，表示為T。在商業上的實現，T可採用一個數值範圍，這取決於VSD材質940的構造及特徵電壓與其它VSD材質940所需的物理或操作性能。T的具體數值包括2密耳、1.5密耳、1密耳及0.5密耳。在一般情況下，較小的T數值可在VSD材質結構940提供較低的特徵電壓。
通孔930穿過VSD材質層940且接觸電極922，通孔930基本上為導電，互連層970被設置用以接觸VSD材質層940，沿著與電極920及922相對的水平面，各互連層能夠被用於實施互連層970，其在「第4圖」的實施例中進行了描述，不同的是，Z軸互連層可以防止在水平方向上有效的電流流動將不適用於這個特定的實現。
互連層970被設置在預浸料層980，預浸料980是基板裝置如印刷電路板的一部分，並且物理連接基板的另一層，即核心982。預浸料980基本上為絕緣。
通孔930及互連層970基本上是導電且通常假設阻抗可忽略不計。因此，電壓在電極922和互連層970之間沒有顯著的損失。
如果由電壓源910或由介於電極920及922的ESD脈衝912施加的電壓超過VSD材質結構940的特徵電壓，VSD材質結構940基本上成為導電，因為電極922及互連層970基本上將在相同的電壓電平，電流流過VSD材質940主要會發生在電極920及互連層970之間的垂直方向。其中一個原因是電流趨向選擇具有最小阻抗的路徑來傳導，並且垂直穿過互連層970及電極920之間的VSD材質層940，一般來說其為最低阻抗的路徑。
實際上在「第7圖」實施例中的VSD材質結構940為垂直切換，並不意味著電流將嚴格地且僅僅沿著Z軸穿過間隙942。相反地，由於如「附錄第1圖」實施例中所描述的各種影響，有一定程度的電流流動可能會發生在VSD材質結構940中的水平方向。但一般情況下，在「第7圖」實施例中，當VSD材質940基本上切換成導電時，電流流動主要將位於與各基板的Z軸(垂直軸)大致平行的方向。
因為電流在「第7圖」實施例中的VSD材質結構940內流動，主要會發生在垂直方向穿過間隙942，VSD材質結構的特徵電壓將透過間隙942的厚度T來確定。對於一些VSD材質的配方，這些特徵電壓可根據公式一而被確定。
一個「第7圖」實施例的垂直切換的VSDM構造900的優點是電極920及922在水平方向的設置上並不需要非常的精確，這是因為它們的水平設置位置不是關鍵，只要電極920及互連層970之間存在足夠的重疊，以及電極922與通孔930有良好的電接觸。
「第7圖」實施例的垂直切換的VSDM構造900的另一個優點是其金屬電極(如：由銅所製成)，如：電極920及922可設置在外層，因此有利於LED裝置或其它裝置的散
熱及/或功率傳導，能夠受益於更好的散熱。
在各實施例中，「第7圖」所示意的垂直切換的VSDM構造在實現上可以包含額外可導電、絕緣及半導電的各種其它層及特徵，只要遵照一般工作原則，即其電流在VSD材質結構傳導時基本上沒有損失(如：通過一組相互電接觸的導電特徵)，而且當VSD材質基本上成為導電時，將穿越VSD材質結構的垂直厚度來運行。在一般的設計方式中，VSD材質的特徵電壓透過形成的VSD材質的垂直厚度來確定。
「第8圖」為根據一個實施例顯示使用VSD材質實現垂直切換的VSD材質構造1000。「第8圖」的垂直切換的VSD材質構造1000可被整合在任何電子裝置，其包含基板，如：印刷電路板、可撓式電路或半導體晶片的封裝，用以提供保護來防止ESD及其它過電壓情況，「第8圖」顯示在基板如印刷電路板的垂直方向的VSD材質構造的剖面。
「第8圖」的垂直切換的VSD材質構造1000大致與「第7圖」的VSD材質構造900相似，不同的地方在於它並非「第7圖」實施例的單一VSD材質構造900。「第8圖」實施例中的VSD材質構造具有兩個VSD材質結構：一個具有垂直厚度T1的VSD材質層1040穿過間隙1042以及一個具有垂直厚度T2的VSD材質層1044穿過間隙1046。在商業實現上，T1和T2可以採用的範圍數值取決於VSD材質1040和1044的配方，以及取決於所述VSD材質結構1040和1044所需的特徵電壓和其它物理或操作性能。在各種實施例中，VSD材質1040和1044的配方可能會或可能不會相同。同樣地，在各種實施例中，VSD材質1040及1044各自的垂直厚度T1和T2可能會或可能不會相同。T1和T2加總的具體範例數值包含2密耳、1.5密耳、1密耳及0.5密耳。在一般情況下，預計較小的T1及/或T2數值可以使VSD材質結構1040及/或1042提供較低的特徵電壓。
在一般情況下，兩個或更多個VSD材質結構被
用來產生一組VSD材質結構作為垂直切換的VSDM構造的一部分，例如：VSD材質1040及1044被用來製造VSDM構造1000，可能具有相同的、基本上相同的或彼此相互不同屬性，包括：介電常數、黏合特性、剛度、柔韌性、組合物和厚度。
「第8圖」的VSD材質構造1000包含一組電極1020及1022，所述電極1020及1022被設置來接觸第一VSD材質結構，其顯示在「第8圖」作為VSD材質層1040。一個通孔1030穿過VSD材質層1040及1044，並且接觸電極1022，所述通孔1030基本上為導電。導電層1070被設置為沿著與電極1020及1022相對的水平面以接觸VSD材質層1044。導電層可以使用導電材質(如：銅)製成或可能是一個互連層，各互連層能夠用來實現導電層1070，其已於「第4圖」的實施例中作描述。不同的是，Z軸互連層有效防止水平方向的電流流動將不適用於此。
導電層1070被設置於與預浸料層1080相鄰，所述預浸料1080為基板裝置的一部分，如：印刷電路板或可撓式電路，並且物理連接在基板的另一層，即：核心1082。預浸料1080基本上為絕緣。
通孔1030及導電層1070基本上是導電且通常能假設其阻抗可忽略不計，因此，電壓在電極1022及導電層1070之間傳導沒有顯著的損失。
假如透過電壓源1010或ESD脈衝1012施加的電壓超過VSD材質結構1040和1044的特徵電壓總合，VSD材質1040和1044基本上將成為導電。因為電極1022及導電層1070基本上將在相同的電壓電位，電流穿過VSD材質1040及1044流動主要將發生在介於電極1020及導電層1070之間的垂直方向。其中一個原因是，電流趨向選擇最小阻抗的路徑傳播，並且在導電層1070及電極1020之間垂直地穿過VSD材質層1040及1044，一般來說其為最低阻抗的路徑。
因此，「第8圖」實施例的VSDM構造1000將
垂直切換，其電流流動主要發生在VSD材質結構1040及1044且方向與各基板的Z軸(或垂直軸)大致平行。
因為電流在「第8圖」實施例的VSD材質結構1040及1044之間流動，基本上將發生在垂直方向穿過間隙1042及1046，由兩個不同的VSD材質結構1040及1044形成的化合物VSD材質結構的特徵電壓，將透過兩個VSD材質的配方及間隙1042的厚度T1和間隙1046的厚度T2被確定。對於VSD材質的一些配方。此特徵電壓可透過加入分別穿過間隙1042及間隙1046的VSD材質結構1040及1044的各特徵電壓來確定。
一般而言，兩個或更多VSD材質結構的化合物構造經由垂直切換的發生，無論是否彼此直接物理接觸，一組VSDM結構化合物的有效特徵電壓與各VSD材質結構的厚度的總和相關，這樣一來，總化合物厚度增加，所得到的化合物特徵電壓也勢必增加。
在各實施例中，「第8圖」的垂直切換的VSDM構造在實現上可以包含額外可導電、絕緣及半導電的各種其它層及特徵，只要遵照一般工作原則，即其電流在兩個或更多形成垂直的VSD材質結構傳導時基本上沒有損失(如：通過一組相互電接觸的導電特徵)，而且當各VSD材質基本上成為導電時，將穿越兩個或更多的VSD材質結構的垂直厚度來運行。在一般的設計方式中，一組複合式VSD材質結構的特徵電壓透過各VSD材質結構的總垂直厚度及每一VSD材質的特徵電壓來確定。
「第9圖」為根據一個實施例顯示使用VSD材質實現垂直切換的VSD材質構造1100。「第9圖」的垂直切換的VSD材質構造1100可被整合在任何電子裝置，其包含基板裝置用以提供保護來防止ESD及其它過電壓情況，以基板裝置為例，VSD材質構造1100可被整合在包含印刷電路板及半導體晶片封裝的各實施例中，「第9圖」顯示在基板的垂
直方向的VSD材質構造的剖面。
「第9圖」的垂直切換的VSD材質構造1100大致與「第8圖」的VSD材質構造1000相似，不同的地方在於它並非「第8圖」實施例的兩個VSD材質結構。「第9圖」實施例採用單一個VSD材質層1140，其具有垂直厚度T穿過間隙1142。然而，在不同實施例中，多個VSD材質層可被利用，如「第8圖」實施例所描述。在商業實現上，T可以採用的範圍數值取決於VSD材質1140的配方，以及取決於所述VSD材質結構1140所需的特徵電壓和其它物理或操作性能。厚度T的具體範例數值可在生產過程中被考量，包括：2密耳、1.5密耳、1密耳、0.5密耳、0.2密耳及更小。在一般情況下，預計較小數值的T可以使VSD材質結構1140提供較低的特徵電壓。
「第9圖」的VSD材質構造1100包含一組電極1120及1122，所述電極1120及1122被設置來接觸VSD材質結構1140。導電的預浸料層1170被設置為沿著與電極1120及1122相對的水平面以接觸VSD材質層1140。導電的預浸料層1170可以為基板裝置，如：印刷電路板、可撓式電路或半導體裝置封裝中的一層。導電的預浸料層1170是(或包括)一層及/或一組導電結構，適用於很少或沒有損失的電流傳導。導電的預浸料層1170為物理接觸基板的另一層，即：核心1182，所述核心1180基本上為絕緣。
假如透過電壓源1110或ESD脈衝1112施加的電壓超過VSD材質結構1140的特徵電壓，VSD材質1140基本上將成為導電。電流流過VSD材質1140主要將發生在介於電極1120及導電的預浸料層1170之間以及介於電極1122及導電的預浸料層1170之間的垂直方向。一旦來自電極1120或1122兩者任一的電流在特定的垂直方向流過VSD材質結構1140，電流會沿著最小或沒有損失的導電的預浸料層1170傳播，然後電流會在相反的垂直方向上穿過VSD材質結構
1140朝向所述兩個電極1120或1122中的另一個流動。電流主要傳播在垂直方向上穿過VSD材質層1140的原因是電流趨向選擇最小阻抗的路徑傳播，並且在任一電極1120或1122與導電的預浸料1170之間垂直穿過VSD材質層1140，一般來說其為最低阻抗的路徑。如果兩個電極1120及1122之間的距離減少，使其媲美間隙1142，則VSD材質1140可在水平方向傳導更多電流。在一些實施例中，這可以透過產生可呈現各向異性的傳導性，使得在沿著Z軸傳導時基本上為導電，但在水平基本上為絕緣的VSD材質1140的組合物來減少。
因此，「第9圖」實施例的VSDM構造1100將垂直切換，其電流流動主要發生在VSD材質結構1140且方向與各基板的Z軸(或垂直軸)大致平行。
在各實施例中，「第9圖」的垂直切換的VSDM構造在實現上可包含額外可導電、絕緣及半導電的各種其它層及特徵，只要遵守一般工作原則，即當各VSD材質結構基本上成為導電時，其電流首先在一個垂直方向上穿過一個或更多的VSD材質結構，在水平方向傳導則很少或沒有損失，並且當傳導在相反的垂直方向上穿過一個或更多的VSD材質結構時，各VSD材質結構基本上保持導電。在一般的設計方式中，一個或多個VSD材質層的特徵電壓是透過各VSD材質結構的總垂直厚度及每一VSD材質的特徵電壓來確定。
「第10A圖」為根據一個實施例顯示使用VSD材質實現垂直切換的VSD材質構造1200。「第10A圖」的垂直切換的VSD材質構造1200可被整合在任何電子裝置，其包含基板裝置用以提供保護來防止ESD及其它過電壓情況，以基板裝置為例，VSD材質構造1200可被整合在包含印刷電路板及半導體晶片封裝的各實施例中，「第10A圖」顯示在基板的垂直方向的VSD材質構造的剖面。
「第10A圖」的垂直切換的VSD材質構造1200
包含一個VSD材質層1240，其具有垂直厚度T穿過間隙1242。在各實施例中，多個VSD材質層可被利用，如「第8圖」實施例中所描述。在商業實現上，T可以採用的範圍數值取決於VSD材質1240的配方，以及取決於所述VSD材質1240所需的特徵電壓和其它物理或操作性能。厚度T的具體範例數值可在生產過程中被考量，包括：2密耳、1.5密耳、1密耳、0.5密耳、0.2密耳及更小。在一般情況下，預計較小數值的T可以使VSD材質結構1240提供較低的特徵電壓。
「第10A圖」的VSD材質構造1200包含一組電極1120、1122及1124，其被設置夾接觸VSD材質結構1240。導電層1270被設置為與預浸料層1230相鄰，預浸料層1230設置在導電層1270及VSD材質層1240之間，被設置的互連層1280接觸VSD材質層1240。在一個實施例中，如「第10A圖」所示意，互連層1280形成在預浸料層1230之中。在一個實施例中，互連層1280可設置為獨立的層(即：不形成在預浸料層1230之中)從VSD材質1240與預浸料層1230分離。預浸料層1230可以是基板裝置，如印刷電路板、可撓式電路或半導體裝置封裝中的一層。
通孔1250穿過預浸料層1230且電氣連接互連層1280，以及建立導電層1270與互連層1280之間的電氣連接。
在「第10A圖」的實施例中，電極1220及電極1224連接至接地。在一些實施例中，一個或兩個電極能在電路中連接至不同的點，其中可能包括連接至電壓源、電路元件或組件、或另一針對ESD脈衝的基準電壓電位或直接連接的其它電壓。
假如在導電層1270的ESD脈衝1212(或透過電壓源)施加的電壓超過VSD材質結構1240的特徵電壓，VSD材質1240基本上將成為導電。電流流過VSD材質1240主要將發生在介於互連層1280及電極1220及/或電極1224之間。
因此，「第10A圖」實施例的VSDM構造1200
將垂直切換，其電流流動主要發生在VSD材質結構1240且方向與各基板的Z軸(或垂直軸)大致平行，隨後，對應於ESD信號1212的電流流經VSDM構造1200的電氣路徑如「第10A圖」所示意表示為ESD放電路徑1290。
「第10A圖」的實施例更顯示出表示為嵌入式阻抗1296的電路元件。在各實施例中，此電路元件可被整合在部分地或完全地納入VSD構造1200內或可與VSDM構造1200通信(例如：它可以嵌入在相同的印刷電路板作為VSDM構造1200，或是安裝在印刷電路板表面以與VSDM構造1200結合)。
在「第10A圖」的實施例中，嵌入式阻抗1296顯示為電路元件，其至少一部分嵌入於VSDM構造1200內。具體而言，「第10A圖」顯示嵌入式阻抗1296至少部分嵌入預浸料層1230內。在替代或補充的實施例中，嵌入式阻抗1296可設置在基板內或VSDM構造1200內的其它位置。舉例來說，嵌入式阻抗1296可設置在VSD材質結構1240內、在另一印刷電路板層內、或在另一基板內如，半導體封裝。
在各實施例中，嵌入式阻抗1296由一個或多個電路元件所組成，或包括一個或多個電路元件。在各實施例中，嵌入式電路元件阻抗1296可包含一個或多個電阻、一個或多個電感、一個或多個電容、一個或多個鐵性電路元件(如：嵌入式鐵性電路元件，其可能會或可能不會包含VSD材質)、一個或多個二極體、一個或多個電晶體、一個或多個濾波器(如：一個或多個低通、帶通、高通濾波器或濾波級的各種組合)、任何被動或主動的電路元件或電子組件、任何具有可忽略不計的阻抗的互連層、任何具有不可忽略阻抗的互連層(如：高介電材質層)、任何具有不可忽略阻抗的電極或其它導電結構及/或上述任意組合。
嵌入式阻抗1296可用於連接VSD材質結構1240以對電子組件提供部分地或完全地ESD保護，如「第10A圖」
所示意的電子組件1298。在「第10A圖」中，電子組件1298透過電極1228連接至嵌入式阻抗，所述嵌入式阻抗1296也電性連接至導電層1270。在沒有VSD材質1240的情況下，ESD脈衝或其它大電壓施加在導電層1270上將導致大電壓及/或電流透過嵌入式阻抗1296傳播到電子組件1298。在存在VSD材質1240時，當相應的大電壓超過垂直切換的VSD材質結構1240的特徵電壓時，垂直切換的VSD材質結構1240切換為導通，接著透過電極1220將至少部分地ESD脈衝轉移至接地，否則將到達電子組件1298。因此，垂直切換的結構1200採用嵌入式阻抗1296保護電子組件1298避免遭受到導電層1270潛在的破壞性ESD脈衝或其它過電壓情況。
電路的架構及操作可用於連接至VSD材質結構1240作為垂直切換的結構1200的一部分以對電子組件提供部分地或完全地ESD保護，如「第10A圖」所示意的電子組件1298，其詳細揭露在美國專利申請號“13/096,860”，其於“2011/04/28”提出申請，專利名稱為“Embedded Protection Against Spurious Electrical Events”，並透過引用將其全部內容併入本文。本發明所述的垂直切換的VSDM結構及/或權利要求可用於美國專利申請號“13/096,860”所公開的實施例及權利範圍內，用以提供增強的保護避免電子組件遭受到ESD及其它過電壓情況。
在一個實施例中，電子組件1298可被嵌入在VSDM構造1200內。在一個實施例中，電子組件1298可被嵌入在同樣整合有VSDM構造1200的基板(如：同樣的印刷電路板)。在一個實施例中，電子組件1298可連接在同樣整合有VSDM構造1200的基板之表面。在一個實施例中，電子組件1298可被整合在不同電子裝置，其電性連接至整合有VSDM構造1200的基板(如：VSDM構造1200可被整合在連接器，其被安裝到一個包含電子組件的電子裝置)。在一個實施例中，VSDM構造1200包含在電子組件1298的封裝內，
或以其它方式連接到或納入到基板與電子組件1298物理連接或電氣通信。
在各實施例中，電子組件1298可以是下列中的任一個或多個：一個半導體晶片或其它積體電路(Integrated Circuit,IC)(如：微處理器、控制器、記憶體晶片、射頻電路、基頻處理器......等等)、一個發光二極體(Light Emitting Diode,LED)、一個微機電系統晶片或基板、或設置在電子裝置內部的任何其它組件或電路元件。
在一個實施例中，嵌入式阻抗1296可使用鐵性電路元件來實現，其包含部分嵌入在鐵性材質的導電結構。鐵性電路元件包含鐵性VSD材質，而適用於嵌入的實現已揭露在美國專利申請號“13/115,068”，其於“2011/05/24”提出申請，並透過引用將其全部內容併入本文。在各實施例中，嵌入式阻抗1296可被實現作為嵌入式鐵性電感器、嵌入式鐵性VSD材質電感器、嵌入式鐵性電容、嵌入式鐵性VSD材質電容、或作為任何其它嵌入式鐵性電路元件或嵌入式鐵性VSD材質電路元件。
「第10B圖」為根據一個實施例顯示使用VSD材質實現垂直切換的VSD材質構造1202。「第10A圖」及「第10B圖」所示意的實施例大致相同，不同的地方在於「第10B圖」的實施例的嵌入式阻抗1296被嵌入式阻抗1297所取代、電極1228被電極1229所取代。在「第10B圖」中，嵌入式阻抗1297不再嵌入預浸料層1230，而是透過導電層1270從預浸料層1230中分離。一個可選的電極1229連接嵌入式阻抗1297與電子組件1299。
在各實施例中，嵌入式阻抗1297及電子組件1299的架構、實現及功能基本上可以分別與所述「第10A圖」實施例的嵌入式阻抗1296及電子組件1298相同，差別在於嵌入式阻抗1297及電子組件1299是被設置在所述「第10B圖」中描述。
在一個實施例中，「第10B圖」所示意的嵌入式阻抗1297不是嵌入在VSDM構造1200中，但嵌入在同樣結合有VSDM構造1200的基板(如：同樣的印刷電路板)。在一個實施例中，嵌入式阻抗1297及/或電子組件1299可被連接在同樣結合有VSDM構造1200的基板之表面。在一個實施例中，嵌入式阻抗1297及/或電子組件1299可被結合在不同的電子裝置，其電性連接在結合有VSDM構造1200的基板(如：VSDM構造1200可被結合在連接器，其被安裝在包含嵌入式阻抗1297及/或電子組件1299的電子裝置)。在一個實施例中，VSDM構造1200及嵌入式阻抗1297被包含在電子組件1298的封裝，或以其它方式連接到或納入到基板與電子組件1298物理連接或電氣通信。
「第11圖」為根據一個實施例顯示包含可整合在印刷電路板或另一基板的VSD材質層1340，並且實現垂直切換的VSDM構造1300。
「第11圖」所示的VSDM構造1300包含一些導電信號層，表示為L1~L6導電層，並且編號為導電層1370、1372、1374、1376、1378及1379。這些信號層可在印刷電路板內傳導電氣信號，或將電氣信號傳導至安裝在印刷電路板上的組件及電路元件，或傳導來自安裝在印刷電路板上的組件及電路元件的電氣信號，或用作接地或其它電壓參考點。這些信號層基本上被一些內建在基板裝置(在「第11圖」中沒有明確定義)的絕緣層或介電層所隔離。針對印刷電路板，所述絕緣層可包括：預浸填料、核心、疊合層(laminated layer)或任何其它相似的薄膜或結構。「第11圖」所示意的VSDM構造1300沿著印刷電路板或其它基板的垂直方向設置。
「第11圖」所示的VSDM構造1300也包含通孔1350。在各實施例中，通孔1350可為通孔、墊片、電路或任何其它結構，其被設置為導電且方便電信號傳播。通孔1350
與L1層1370及L2層1372電氣連接。
「第11圖」所示的VSDM構造1300還包含VSD材質結構，顯示為VSD材質結構1340。所述VSD材質結構1340被設置在水平方向及穿過VSDM構造1300的多個導電層。如「第11圖」所示意，VSD材質結構1340穿過L2導電層1374及L3導電層1376。在各實施例中，VSD材質結構1340可穿過基板(如：印刷電路板、可撓式電路或半導體封裝)內的兩個或多個導電層或其它導電結構。在一個實施例中，VSD材質結構1340可透過填充VSD材質至通孔(如：埋孔)或任何其它在基板(如：印刷電路板、可撓式電路或半導體封裝)內的可用的體積來產生。在一個實施例中，VSD材質結構1340透過在基板製造一個孔(如：使用機械或鐳射)，然後填充VSD材質在此孔而產生。在一個實施例中，VSD材質結構1340可在基板的製造過程中(如：透過對準先前已在印刷電路板的不同相鄰層產生的間隙或孔，用以在印刷電路板建立一個垂直腔，然後注入VSD材質以及將VSD材質固化在此垂直腔)，透過沉積VSD材質於基板中預先建置的空白空間內來產生。
假如ESD脈衝1312到達L1層1370(或另一電壓源被施加在L1層1370)，相應的電壓將很少或沒有損失地傳播至L2層1372。在L2層1372，ESD脈衝1312響應產生的電壓到達VSD材質結構1340。假如穿過特定垂直間隙到達VSD材質結構1340的電壓超過VSD材質結構1340的特徵電壓，穿過此間隙的VSD材質將切換為導通並且基本上將成為導電。
在「第11圖」的實施例中，L3導電層1374連接至接地。在其它實施方式中，L3導電層1374(或另一導電結構或層，其電性連接於相應的VSD材質結構)可被連接至朝向被傳導的ESD信號的另一點，例如：任意的電壓參考點或電路元件或組件。
因為在「第11圖」的實施例中，L3導電層1374被連接至接地且ESD脈衝1312傳播到L2導電層1372，有效間隙將在VSD材質結構1340內觸發垂直切換，其實質上為間隙1342，具有有效厚度T，藉由近似於L2導電層1372及L3接地層1374之間的垂直間距來決定。厚度T將決定至少部分的VSD材質結構1340的特徵電壓(如：根據公式一)。在一些實施例中，超過一個VSD材質結構可被垂直堆疊(無論是在相鄰或在物理隔離的層)或可被水平連接(如：透過互連層)，如本專利其它實施例中所述。
一旦「第11圖」實施例所示的VSD材質結構1340切換為導通，並且基本上成為導電穿過間隙1342，電流主要將在穿過L2導電層1372及L3接地層1374之間的間隙1342的垂直方向上流動。假如此情況發生，VSDM構造1300已經垂直切換。
「第12圖」根據一個實施例顯示VSDM構造1400，其包含可整合在印刷電路板或另一基板且適用於實現垂直切換的VSD材質構造1440。在一個實施例中，「第12圖」表示為「第11圖」的VSDM構造1300的放大視圖。
「第12圖」所示意的VSDM材質構造1400包含三個導電信號層，表示為L1~L3導電層，編號為導電層1470、1472及1474。導電層1474被連接至接地。另外，導電層1474可被連接至電路元件或組件，或連接至另一電壓參考點。這三個信號層透過建置在各基板裝置中的一些絕緣層或介電層分離(「第12圖」中並未明確指定)。針對印刷電路板，這些絕緣層可包含預浸填料、核心、疊合層或其它相似的薄膜或結構。「第12圖」所示意的VSDM構造1400沿著印刷電路板或其它基板的垂直方向設置。
「第12圖」所示的VSDM構造1400也包含通孔1450。在各實施例中，通孔1450可為通孔、墊片、電路或任何其它結構，其被設置為導電且方便電信號傳播。通孔1450
與L1層1470及L2層1472電氣連接。
「第12圖」所示的VSDM構造1400還包含VSD材質結構，顯示為VSD材質結構1440。所述VSD材質結構1440被設置在水平方向且電性連接於L2導電層1474及L3導電層1476。在各實施例中，VSD材質結構1440可穿過基板(如：印刷電路板、可撓式電路或半導體封裝)內的兩個或多個導電層或其它導電結構。在一個實施例中，VSD材質結構1440可透過填充VSD材質至通孔(如：埋孔)或任何其它在基板(如：印刷電路板、可撓式電路或半導體封裝)內的可用的體積來產生。
假如ESD脈衝1412到達L1層1470(或另一電壓源被施加在L1層1470)，相應的電壓將很少或沒有損失地經由通孔1450傳播至L2層1472。在L2層1472，ESD脈衝1412響應產生的電壓到達VSD材質結構1440。假如穿過特定垂直間隙到達VSD材質結構1440的電壓超過VSD材質結構1440的特徵電壓，穿過此間隙的VSD材質將切換為導通並且基本上將成為導電。
因為在「第12圖」的實施例中，L3導電層1474被連接至接地且ESD脈衝1412傳播到L2導電層1472，有效間隙將在VSD材質結構1440內觸發垂直切換，其實質上為間隙1442，具有有效厚度T，藉由近似於L2導電層1472及L3接地層1474之間的垂直間距來決定。厚度T將決定至少部分的VSD材質結構1440的特徵電壓(如：根據公式一)。在一些實施例中，超過一個VSD材質結構可被垂直堆疊(無論是在相鄰或在物理隔離的層)或可被水平連接(如：透過互連層)，如本專利其它實施例中所述。
當「第12圖」實施例所示的VSD材質結構1440切換為導通且成為導電穿過間隙1442，電流主要將在穿過L2導電層1472及L3接地層1474之間的間隙1442的垂直方向上流動。假如此情況發生，VSDM構造1400已經垂直切換。
ESD脈衝1412(或另一電壓源)被施加在L1層1470且電壓超過VSD材質結構的特徵電壓，電流基本上將沿著「第12圖」所示意的電氣路徑1490流動。
「第13A圖」為根據一個實施例顯示使用VSD材質連接一個或多個電路元件實現垂直切換的VSD材質構造1500。「第13A圖」的垂直切換的VSD材質構造1500可被整合在任何電子裝置，其包含基板裝置用以提供保護來防止ESD及其它過電壓情況，以基板裝置為例，VSD材質構造1500可被整合在包含印刷電路板、可撓式電路及半導體晶片封裝的各實施例中，「第13A圖」顯示在基板的垂直方向的VSD材質構造的剖面。
「第13A圖」的垂直切換的VSD材質構造1500大致與「第9圖」的VSD材質構造1100相似，不同的地方在於它不用「第9圖」實施例中導電的預浸料1170。「第13A圖」實施例中採用兩個互連層1570及1572，兩者透過電路元件1592連接。電路元件1592具有不可忽略的阻抗，在「第13A圖」中表示為H。在各實施例中，互連層1570及1572可能是或可能包含電極、互連層或部分的互連層、導電層或部分的導電層、或任何其它導電結構。
「第13A圖」所示的VSDM構造1500包含VSD材質結構1540，其被設置在電極1520及互連層1572之間，而且也分別介於電極1522及互連層1570之間。「第4圖」的VSD材質結構1540具有一個垂直厚度，其基本上為均勻的水平層面且大致相等於間隙1542，表示為T。
互連層1570及1572被設置在相鄰的基板層，即核心1582，其基本上為絕緣或介電質。額外的層可以存在於基板裝置與VSDM構造1500結合(如：一個或多個預浸料層)。
由ESD脈衝1512(或透過電壓源1510)產生的電壓介於電極1520及1522時，VSD材質結構1540可切換為導通且基本上成為導電。有效間隙將在VSD材質結構1540
內觸發垂直切換，其實質上為間隙1542的兩倍，具有有效厚度近似於T值的兩倍(這是因為當VSDM構造1500垂直切換時，電流會穿越間隙1542兩次，這兩次的方向相反)。厚度T將決定VSD材質結構1540至少部分的特徵電壓(如：根據公式一)。假如元件1592的阻抗為零或可忽略不計，或者在沒有元件1592的情況下，最小電壓必須由ESD脈衝在VSD材質結構切換為導通之前產生，其大小幾乎等於VSD材質結構1540的特徵電壓的兩倍(因為要完成介於兩個電極1520及1522之間的電路，電流必須穿越兩次間隙1542，兩次為不同的垂直方向)。
在具有不可忽略阻抗的元件1592存在時，最小電壓必須由ESD脈衝1512在VSD材質結構1540切換為導通之前產生，其大約等於元件1592兩端的電壓降。舉例來說，假如元件1592為電阻，當ESD脈衝1512的電壓約等於兩倍的VSD材質結構1540的特徵電壓再加上元件1592兩端的電壓降，VSD材質結構1540將切換為導通且基本上成為導電。
在各實施例中，電路元件1592可能是或可包含一個或多個電阻、一個或多個電感、一個或多個電容、一個或多個鐵性電路元件(如：嵌入式鐵性電路元件，其可能會或可能不會包含VSD材質)、一個或多個二極體、一個或多個電晶體、一個或多個濾波器(如：高通、帶通、低通濾波器或濾波級的各種組合)、任何其它被動或主動電路元件或電子組件、任何具有不可忽略不計的阻抗的互連層、電極或其它導電結構，以及上述任意組合。所述電路元件1592可包含信號電子組件及電子組件的任意組合，以及可用於與VSD材質結構1540連接，用以在具備此整合的VSDM構造1500的電子裝置或基板裝置中提供部分或全部的ESD防護。
在一個實施例中，電路元件1592嵌入在基板，如：印刷電路板、可撓式電路或半導體裝置的封裝。請參閱「第13A圖」，舉例來說，元件1592可被嵌入在整合有VSDM
構造1500的印刷電路板層(如：電路元件1592可被整合在核心層、預浸料層、疊合層或在印刷電路板的任何其它層)。在一個實施例中，元件1592可為電子組件或電路元件，其安裝在整合有VSDM構造1500的印刷電路板。在一個實施例中，元件1592可為電路元件，其整合在半導體晶片，透過整合VSDM構造的封裝基板提供保護。
在「第13A圖」的實施例中，所示意的元件1592連接在互連層1570及1572之間，在替代或補充的實施例中，元件1592或其它電路元件可被設置在基板內或VSDM構造1500內的其它位置，舉例來說，元件1592或其它電路元件可被設置在電極1520及VSD材質結構1540之間、在電極1522及VSD材質結構1540之間、在電壓到達電極1520或電極1522前由ESD脈衝1512產生的電壓的電氣路徑中、或在VSDM結構1500及一個或多個被保護防止ESD情況的電子組件的電氣連接中。
在一個實施例中，元件1592可使用嵌入式電路元件實現，透過在至少部分鐵性材質內嵌入導電結構，鐵性材質被嵌入在至少部分的基板內。鐵性電路元件包含鐵性VSD材質，而適用於嵌入的實現已揭露在美國專利申請號“13/115,068”。
當「第13A圖」實施例所示的VSD材質結構1540切換為導通，並且基本上成為導電穿過間隙1542，電流主要將在間隙1542的垂直方向上流動，一次在電極1520及互連層1572之間，一次則是在相對面，介於電極1522及互連層1570之間。
在一個實施例中，取代一個單一VSD材質結構1540，所述VSDM構造1500包含具有不同垂直厚度的兩個VSD材質結構，使得電極1522及互連層1570之間的間隙不同於電極1520及互連層1572之間的間隙。
在一些實施方式中，一個以上的VSD材質結構
可被垂直堆疊(不論是否相鄰或物理上隔離的層)。
在商業上的實現，間隙1542的厚度T可採用一個數值範圍，取決於VSD材質1540的構造及特徵電壓與所述VSD材質1540的其它物理或操作性能。考慮到VSDM構造1500的有效厚度為兩倍的T值，在生產過程中，厚度T的具體數值可包括1密耳、0.75密耳、0.5密耳、0.25密耳、0.1密耳或更小。在一般情況下，較小的T數值可在VSD材質結構1540提供較低的特徵電壓。
「第13B圖」為根據一個實施例顯示VSD材質構造1502，其適用於使用VSD材質、具有第一阻抗的電路元件及具有第二阻抗的嵌入式阻抗元件來實現垂直切換。「第13A圖」和「第13B圖」的實施例大致相同，其差異在於「第13B圖」實施例以元件1593取代元件1592，並且電路元件顯示為嵌入在VSD材質結構1540中的嵌入式阻抗1597，電子組件1599電性連接於嵌入式阻抗1597，此電性連接可透過可選用的電極1529來實現。
在各實施例中，元件1593的架構、實現及功能基本上可以與所述「第13A圖」實施例的元件1592相同，差別在於元件1593具有表示為H1的阻抗，嵌入式阻抗1597具有表示為H2的阻抗。在各實施例中，元件1593及嵌入式阻抗1597可能會或可能不會是相同類型的電路元件(如：它們可能都是電感器，或其中之一可以是電阻，而另一個可能是電容)。在各種實施方式中，阻抗H1和H2可能會或可能不會相同。
在各實施例中，元件1597及電子組件1599的架構、實現及功能基本上可分別與所述「第10A圖」實施例的嵌入式阻抗1296及電子組件1298相同，差別在於被設置的元件1597及電子組件1599是描述在「第10B圖」中，並且用以與具垂直切換的VSDM構造1502連接。
如「第13B圖」所示，嵌入式阻抗1597整合在
至少部分的VSD材質結構1540內，並且電性連接於電極1522。在沒有VSD材質結構1540的情況下，大電壓施加在電極1522將透過嵌入式阻抗1597傳導至電子組件1599，可能損壞電子組件1599。
假如VSD材質結構1540存在且在足夠大的ESD脈衝1512被施加在電極1522上時切換為導通，流過電子組件1599的電流將有至少一部分流過VSD材質1540至互連層1597。其結果是電子組件1599也可能是嵌入式阻抗1597被保護以免遭到過電壓損壞。
如「第10B圖」實施例所述的嵌入式阻抗1297，其並非嵌入在VSD材質層1540中，嵌入式阻抗1597可替換為整合在VSDM構造1502的相同基板(如：相同的印刷電路板)。在一個實施例中，嵌入式阻抗1597及/或電子組件1599可被安裝於VSDM構造1502的相同基板的表面。在一個實施例中，嵌入式阻抗1597及/或電子組件1599可被整合在不同電子裝置，其與整合有VSDM構造1502的基板電性連接(如：VSDM構造1502可被整合在連接器，其安裝在包含嵌入式阻抗1597及/或電子組件1599的電子裝置)。在一個實施例中，VSDM構造1502及嵌入式阻抗1597被包含在電子組件1599的封裝，或以其它方式安裝或納入基板，其與電子組件1599物理連接或電氣通信。
「第14圖」為根據一個實施例顯示垂直切換的VSD材質構造1600與水平切換的VSD材質構造1601的結合。在「第8圖」的實施例中，VSDM構造1000包含兩個被設置在水平層的VSD材質結構，其連同垂直切換。在「第14圖」的實施例中，VSD材質構造1600及1601結合一個VSD材質結構1646，其被設置為穿過間隙1648進行垂直切換，以及一個VSD材質結構1640其被設置為穿過間隙1642以進行水平切換。
在一個實施例中，垂直切換的VSD材質構造
1600及水平切換的VSD材質構造1601整合在不同基板，並透過連接器1628連接。在一個實施例中，垂直切換的VSD材質構造1600及水平切換的VSD材質構造1601其中之一或兩者是整合在可撓式基板，並且連接器1628為可撓式連接器。
在「第14圖」的實施例中，水平切換的VSD材質構造1600包含兩個為一組的電極1620及1622與VSD材質結構1646。電極1620及1622連接至VSD材質結構1646，其跨越具有厚度T1的間隙1648。互連層1670被設置為連接VSD材質結構1646且與電極1620的連接面相反。「第14圖」所示的電極1622穿過VSD材質層1670。在另一個實施方式中，電極1622可以完全不穿過VSD材質層1622，在這種情況下，可能存在穿過VSD材質1646的第二個垂直間隙(其厚度等於或小於厚度T1)穿過垂直切換發生處。
在「第14圖」的實施例中，水平切換的VSD材質構造1601包含兩個電極1624及1626與VSD材質結構1640。所述電極1624及1626連接VSD材質結構1640，並橫跨具有厚度T2的垂直間隙1642。互連層1672被設置連接VSD材質結構1640，其連接面與電極1624及1626的連接面相反。
在「第14圖」的實施例中，導電結構表示為連接器1628，其連接垂直切換的VSD材質構造1600的電極1622與水平切換的VSD材質構造1601的電極1624。連接器1628可為通孔、墊片、電路、互連層或任何其它結構，其被設置為導電且傳播電氣信號。在一個實施例中，連接器1628為可撓式電連接器。
在「第14圖」的垂直切換的VSD材質構造1600及水平切換的VSD材質構造1601可被整合在任何電子裝置，其包含基板裝置以提供保護防止ESD及其它過電壓情況。以垂直切換的VSD材質構造1600及水平切換的VSD材質構造1601的基板裝置為例，其可被整合在各實施例中，包含透過可撓式連接器組合成兩個相互連接的印刷電路板、透
過可撓式連接器相互連接印刷電路板及半導體封裝、或透過可撓式連接器相互連接兩個半導體封裝。可撓式連接器的應用可能會發生在可撓式電子裝置，包含：具有可轉動或移動表面的電子裝置(如：具有鍵盤或可調螢幕的行動電話或平板)或被設計為可撓式的電子裝置(如：可撓式LED顯示器)。
「第14圖」顯示每一個垂直切換的VSD材質構造1600及水平切換的VSD材質構造1601的剖面，每一個垂直切換的VSD材質構造1600及水平切換的VSD材質構造1601可被嵌入單獨的基板裝置，印刷電路板、可撓式電路或半導體封裝。「第14圖」顯示額外的基板層，如：核心1682及核心1683。
在一個實施例中，每一個垂直切換的VSD材質構造1600及水平切換的VSD材質構造1601獨立運作以響應對應的ESD脈衝，如：ESD脈衝1612。這個垂直切換的VSD材質構造1600會發生於ESD脈衝1612被施加在電極1620且電極1622為接地(或以其它方式設置在特定電壓電位)，或是假如ESD脈衝1612被施加在電極1622且電極1620為接地(或以其它方式設置在特定電壓電位)。至於水平切換的VSD材質構造1601會發生於ESD脈衝1612被施加在電極1624且電極1626為接地(或以其它方式設置在特定電壓電位)，或是假如ESD脈衝1612被施加在電極1626且電極1624為接地(或以其它方式設置在特定電壓電位)。
在「第14圖」所示的實施例中，垂直切換的VSD材質構造1600及水平切換的VSD材質構造1601可以共同操作以響應ESD脈衝，如：ESD脈衝1612，假如兩個構造一起切換，其可實現於電極1626接地(或以其它方式設置在特定電壓電位)且ESD脈衝1612被施加在電極1620，或是電極1620接地(或以其它方式設置在特定電壓電位)且ESD脈衝1612被施加在電極1626。在此情況下，VSD材質結構1646可垂直切換穿過間隙1648，以及VSD材質結構1640可水平
切換穿過間隙1642。
對於電極1620及電極1626之間的垂直切換的VSD材質構造1600及水平切換的VSD材質構造1601一起切換的情況，所述VSD材質結構1640及1648兩者必需切換為導通，為了做到這點，響應於ESD脈衝1612的電極1620及1626之間的電壓差必須等於或超過VSD材質結構1640及1648的特徵電壓總和。
當VSD材質結構1640及1646兩者切換為導通且兩者基本上成為導電時，電流將垂直傳播穿過間隙1648，以及水平穿過間隙1642。
在一個實施例中，每一個VSD材質結構1640及1646具有不同組成和特徵電壓(以伏特為單位表示)。在一個實施例中，兩個VSD材質結構1640及1646具有相同的組成。所述VSD材質結構1640及1646可能會或可能不會有相同特徵電壓，這取決於實施方式。
在商業實施上，間隙1648及1642的厚度T1及T2可以採用的數值範圍取決於VSD材質結構1646及1640的配方，以及取決於描述在VSDM構造1600及1601的特徵電壓及其它物理或操作特性。T1及T2的具體範例數值包含2密耳、1.5密耳、1密耳或更小數值。在一般情況下，較小的數值T可以使VSD材質結構1646及1640提供較低的特徵電壓。
在各實施例中，所述垂直切換的VSDM構造及/或本專利的權利要求可實現在水平切換構造的基板，包含如「第14圖」所述。舉例來說，垂直切換的VSDM(如：「第13A圖」所述結構)及水平切換的VSDM(如：「第2圖」所述結構)，兩者可被嵌入在基板中，且兩個VSDM構造可一起用於(如：透過連接電極122至電極1620)保護特定電子組件，或可單獨使用(如：不直接接觸兩個結構)以保護單一電子組件或不同的電子組件。
「第14圖」的實施例還顯示一個電路元件表示為嵌入式阻抗1696，在各實施例中，此電路元件可被部分地或完全地整合在垂直切換的在VSDM構造1600中，或可與垂直切換的VSDM構造1600通信(其可嵌入在相同的印刷電路板作為垂直切換的VSDM構造1600，或可被安裝在整合有垂直切換的VSDM構造1600的印刷電路板)。在替代或補充的實施例中，嵌入式阻抗1696或另一個相似的電路元件可以部分地或完全地被納入水平切換的VSDM構造1601，或可與水平切換的VSDM構造1601通信(其可嵌入在相同的印刷電路板作為VSDM構造1601，或可被安裝在整合有VSDM構造1601的印刷電路板)。
在「第14圖」的實施例中，嵌入式阻抗1696顯示為電路元件，其至少部分被嵌入在VSDM構造1600中，具體來說，「第14圖」顯示嵌入式阻抗1696至少部分地被嵌入在VSD材質結構1646中。在替代或補充的實施例中，嵌入式阻抗1696可以被設置在基板或VSDM構造1600內的其它位置。
在各實施例中，電路元件至少部分嵌入在基板，如：「第14圖」中的嵌入式阻抗1696，由一個或多個電路元件組成、或包含一個或多個電路元件。在各實施例中，嵌入式阻抗1696可包含一個或多個電阻、一個或多個電感、一個或多個電容、一個或多個鐵性電路元件(如：嵌入式鐵性電路元件，其可能會或可能不會包含VSD材質)、一個或多個二極體、一個或多個電晶體、一個或多個濾波器(如：一個或多個低通、帶通、高通濾波器或濾波級的各種組合)、任何被動或主動的電路元件或電子組件、任何互連層、任何具有不可忽略阻抗的電極或其它導電結構及任何上述組合。
所述嵌入式阻抗1696可被用於VSD材質結構1640及1646，並且提供電子組件部分或完全的ESD防護，如：「第14圖」所示意的電子組件1698。在「第14圖」中，電
子組件1698顯示為透過電極1629被連接在嵌入式組件1696，嵌入式阻抗1696也電性連接至電極1620。在沒有VSD材質1640的情況下，ESD脈衝或其它大電壓被施加在電極1620將導致大電壓及/或大電流經過嵌入式阻抗1696傳導至電子組件1698。然而，在存在VSD材質1648的情況下，垂直切換的VSDM構造1600如上述切換為導通，之後透過互連層1670轉移至少部分的ESD脈衝，否則將到達電子組件1698。因此，垂直切換的結構1600採用嵌入式阻抗1696來保護電子組件1698避免電極1620潛在的破壞性ESD脈衝或其它過電壓情況。
電路的架構及操作可用於連接至VSDM構造1600及1601以對電子組件提供部分地或完全地ESD保護，如「第14圖」所示意的電子組件1698，其詳細揭露在美國專利申請號“13/096,860”。
在一個實施例中，電子組件1698可被嵌入在VSDM構造1600內。在一個實施例中，電子組件1698可被嵌入在同樣整合有VSDM構造1600的基板(如：同樣的印刷電路板)。在一個實施例中，電子組件1698可連接在同樣整合有VSDM構造1600的基板之表面。在一個實施例中，電子組件1698可被整合在不同電子裝置，其電性連接至整合有VSDM構造1600的基板(如：VSDM構造1600可被整合在連接器，其被安裝到一個包含電子組件的電子裝置)。在一個實施例中，VSDM構造1600包含在電子組件1698的封裝內，或以其它方式連接到或納入到基板與電子組件1698物理連接或電氣通信。在一個實施例中，電極1629為可撓式連接器，並且電子組件1698設置在不同基板作為可撓式電子裝置的一部分。
在各實施例中，嵌入式阻抗1696及電子組件1698的架構、實現及功能基本上可以分別與所述「第10A圖」實施例的嵌入式阻抗1296及電子組件1298相同，差別在於
嵌入式阻抗1696及電子組件1698是被設置在所述「第14圖」中描述。
在一個實施例中，嵌入式阻抗1696可使用鐵性電路元件來實現，其包含部分嵌入在鐵性材質的導電結構。在各實施例中，嵌入式阻抗1296可被實現作為嵌入式鐵性電感器、嵌入式鐵性VSD材質電感器、嵌入式鐵性電容、嵌入式鐵性VSD材質電容、或作為任何其它嵌入式鐵性電路元件或嵌入式鐵性VSD材質電路元件。
「第15圖」為根據一個實施例顯示使用VSD材質同時實現垂直切換和水平切換的VSD材質構造1700
一種VSD材質構造其使用VSD材質適用於進行垂直切換及水平切換，表示為“雙向切換的VSDM構造”或“雙切換的VSDM構造”。在各種實施例中，雙向切換的VSDM構造，如：「第15圖」所示意的雙向切換的VSDM構造1700，可被採用於相似的應用及實現如同本專利中所述及/或權利要求的各種垂直切換的VSDM構造，不同的是，雙向切換的VSDM構造可以額外執行水平切換功能。
在各種實施例中，雙向切換的VSDM構造包含有利於垂直切換的VSD材質設置方式，如同在本專利中被描述及/或權利要求的一般所述各垂直切換的VSDM構造，此外，在這樣的實施例中，各VSD材質結構也將電性連接至少一電極，其有利於水平切換如一般於「第1圖」及/或「第2圖」中所描述。
「第15圖」所示的VSD材質構造1700包含電極1720(如：墊片或互連層)，其電性連接於VSD材質結構1740(如：VSD材質層)，VSD材質構造1700更包含電極1726及電極1728，兩者也電性連接於VSD材質結構1740。在一個實施例，電極1726可直接電性連接於互連層1770(如：電極1726可穿越VSD材質層1740或通孔將電極1726連接至互連層1770)。在各實施例中，電極1726及1728兩者或兩者
任一可省略，在此情況下，由省略的電極提供相應的水平切換功能將不存在。
在一個實施例中，電極1726電性連接於電極1728(如：它們可以是相同導電平面的一部分，或是可由印刷電路板或其它連接器直接連接)。
VSD材質結構1740有一個具有垂直厚度T1(如：單位為密耳)的垂直間隙1742。被設置的互連層1770(如：電極或互連層)電性連接VSD材質結構1740及電極1726。核心層1782被設置相鄰於互連層1770且可為整合有雙向切換結構1700的基板中的一層(如：印刷電路板或半導體封裝)。
一個可選的通孔1772或任何其它導電結構可穿越一個或多個基板的層，並且建立與互連層1782的電性連接。此通孔可透過鐳射鑽孔或任何其它適合的製造方式來產生。
在一個實施例中，電極1726、電極1728及通孔1772皆連接至接地。在另一個實施例中，互連層1770不連接至接地(如：通孔1772不存在或不連接至接地)，這此情況下，介於互連層1770及電極1720之間的垂直切換將不會發生。在另一個實施例中，電極1726或電極1728不連接至接地，在此情況下，介於未連接的電極及電極1720之間的水平切換將不會發生。
「第15圖」實施例的雙切換VSDM構造1700能夠在電極1726、電極1728及互連層1770皆連接至接地或另一參考電壓電位的情況下進行水平和垂直兩種切換。在此實施例中，有三種可能的切換方向：(1)穿過電極1726及1720之間的間隙1744(具有水平厚度G1)的水平切換；(2)穿過電極1728及1720之間的間隙1746(具有水平厚度G2)的水平切換；及(3)穿過電極1720及互連層1770之間的間隙1742(具有垂直厚度T1)的垂直切換。間隙穿越的位置其VSD材
質構造1740的特徵電壓為最低處，將決定發生切換的位置。假如VSD材質的構造同樣穿越三個間隙1742、1744及1746，且特徵電壓與間隙大小相關，則切換將發生在最小的間隙。
在一個實施例中，間隙1744及1746基本上是相同的且VSDM構造1700水平切換穿過兩間隙1744及1746。在一個實施例中，間隙1742、1744及1746是相同的且VSDM構造1700垂直切換穿過間隙1742，以及水平切換穿過間隙1744及1746。在一個實施例中，間隙1742及1744基本上是相同的且VSDM構造1700垂直切換穿過間隙1742及水平切換穿過間隙1744。在一個實施例中，間隙1742及1746基本上是相同的且VSDM構造1700垂直切換穿過間隙1742及水平切換穿過間隙1746。
在一些實施例中，對於VSD材質的一些配方和水平及/或垂直間隙的某些物理特性，特徵電壓穿過此間隙可能不會直接與間隙大小有關。因此，在這樣的實施例中，兩個具有不同厚度的間隙的特徵電壓仍然可能是相同的。在一個實施例中，穿過間隙1744及1746的特徵電壓基本上是相同且VSDM構造1700水平切換穿過間隙1744及1746。在一個實施例中，特徵電壓穿過間隙1742、1744及1746基本上是相同的，並且VSDM構造1700垂直切換穿過間隙1742及水平切換間隙1744及1746。在一個實施例中，特徵電壓穿過間隙1742及1744基本上是相同的，並且VSDM構造1700垂直切換穿過間隙1742及垂直切換間隙1744。在一個實施例中，特徵電壓穿過間隙1742及1746基本上是相同的，並且VSDM構造1700垂直切換穿過間隙1742及垂直切換間隙1746。
在本專利所述及/或權利要求的垂直或雙向切換的VSDM構造，如：「第3A圖」實施例的基板400、「第3B圖」實施例的VSDM構造490、「第4圖」實施例的VSDM構造500、「第5圖」實施例的VSD材質構造600、「第7圖」
實施例的VSD材質構造900、「第8圖」實施例的VSD材質構造1000、「第9圖」實施例的VSD材質構造1100、「第10A圖」實施例的VSD材質構造1200、「第11圖」實施例的VSD材質構造1300、「第12圖」實施例的VSD材質構造1400、「第13A圖」實施例的VSD材質構造1500、「第14圖」實施例的VSD材質構造1600及「第15圖」實施例的雙向切換結構1700可在電子電路及裝置中被用於電路元件及組件的ESD保護。以電子組件為例，其可透過如垂直切換的VSDM構造被保護，包含下列一個或多個：半導體晶片或另一積體電路(IC)(如：微處理器、控制器、記憶體晶片、射頻電路、基頻處理器……等等)、發光二極體(LED)、微機電系統晶片或基板、或任何設置在電子裝置內的其它組件或電路元件。
所述範例電路(exemplary circuits)的架構及運作，其可利用揭露於美國專利申請案號“13/096,860”及“13/115,068”兩申請案之垂直切換的VSDM構造以進行ESD保護。雖然這些應用中所公開的模範電路可能已經設想到水平切換的VSDM構造，此水平切換構造可被所述專利中的垂直切換的VSDM構造替換，同時保留一般ESD防護功能。
在本專利所述及/或權利要求的垂直切換的VSDM構造及雙切換的VSDM構造，可被用於基板裝置的ESD保護，如：印刷電路板的一層或一組層、半導體裝置的封裝、或任何其它基板可安裝垂直切換的VSD材質構造，或將整合有垂直切換的VSD材質構造納入基板。
在本專利所述及/或權利要求的垂直切換的VSDM構造及雙切換的VSDM構造可被用於電子裝置的ESD保護，此VSDM構造被整合在其中(如：透過納入一個基板，被包含在所述電子裝置)，或是此VSDM構造被連接(當此VSDM構造納入被安裝在所述電子裝置的一個連接器或電纜，或當此VSDM構造被包含在一個裝置，其連接所述電子裝置)。
以電子裝置為例，其可透過所述垂直切換的VSDM構造或雙切換的VSDM構造被保護，或其可包含基板裝置、電子組件或電路元件，這些透過所述垂直切換或雙切換的VSDM構造被保護，包含行動電話、平板、閱讀器、行動電腦(如：筆記型電腦)、桌上型電腦、伺服器電腦(如：伺服器、刀鋒伺服器、多處理器的超級計算機)、電視機、視訊顯示器、音樂播放器(如：可攜式MP3播放器)、個人健康管理裝置(如：脈搏監測器、心臟監測器、距離監測器、溫度監測器、或任何其它應用在健康管理的感測器)、發光二極體(LEDs)及包含發光二極體的裝置、發光模組、及任何其它消費性及/或工業裝置，其使用電氣或機電信號處理或以其它方式儲存資料，其它例子包括衛星、軍事設備、航空儀表、船用設備。
在各實施例中，本專利所述及/或權利要求的垂直切換的VSDM構造及雙切換的VSDM構造可被整合在連接器，此連接器可被安裝在電子裝置以提供保護防止ESD或其它過電壓情況。以此連接器為例，包含電源連接器、USB連接器、乙太網路電纜連接器、HDMI連接器、或任何其它連接器，其便於串列、並列或其它類型的資料、信號或電力傳輸。
本說明書詳細描述了各種實施例及實現本發明，而且本發明公開了額外的實施例及實現，進一步改進及可替換結構。還有，本發明並未將其限制在揭露的特定實施例和實現中，相反地，本發明涵蓋所有修改、等同物和替代的實施例及實現，這些皆落入權利要求的範圍內。
在本說明書中，一集合是指任何具有一、兩個或多個項目的群組。同樣地，一子集合意味著相對於N個項目的一個群組，其任一群組是由N-1或更少的相應項目所組成。
在本說明書所使用的術語“包含”、“包括”、“舉例來說”、“範例”、“如”及其相似語法，並非用以作文義上的限制而是應伴隨著“不限於”或具有相似涵義的
文字。本發明說明書中所定義、以及所有標頭、標題及副標題是為了便於理解的目的所作的描述，但不適用於限制本發明的權利要求範圍。每個定義都應涵蓋其他對等的項目、技術或詞彙，或熟悉該項技藝者所知悉或能知悉且認知為對等或者可替換的對應項目、技術或詞彙。除非文義另有規定，否則動詞“可能”表示相應的動作、步驟或實現方式可能達成的機會，而非強調相應的動作、步驟或實現方式必須要發生，也並非強調相應的動作、步驟或實現方式必須依照所描述的內容達成。
雖然本發明所揭露之實施方式如上，惟所述之內容並非用以直接限定本發明之專利保護範圍。任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明所揭露之精神和範圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作些許之更動，然本發明之專利保護範圍，仍須以所附之申請專利範圍所界定者為準。此外，無論是以一實施例個別提出或是作為實施例之一部分的獨有特徵，可與其它個別提出或是作為其它實施例一部分的特徵相結合，縱然那些獨有特徵未被其它特徵或實施例所提及，因此，那些未描述到的組合特徵不應被排除於本發明之權利保護範圍之外。
1200‧‧‧VSD材質構造
1212‧‧‧ESD信號
1220、1224‧‧‧電極
1228‧‧‧電極
1230‧‧‧預浸料層
1240‧‧‧VSD材質層
1242‧‧‧間隙
1250‧‧‧通孔
1270‧‧‧導電層
1280‧‧‧互連層
1290‧‧‧ESD放電路徑
1296‧‧‧嵌入式阻抗
1298‧‧‧電子組件
Claims (20)
- 一種垂直切換的電壓調變介電材質(VSDM)構造，形成在一基板中，該垂直切換的電壓調變介電材質構造包含：a.一第一導電元件用以設置在該基板的一第一水平層以及一第二導電元件設置在該基板的一第二水平層，該第二水平層不同於該第一水平層；b.一VSDM結構具有一特徵電壓及一垂直厚度，該VSDM結構設置在該基板的一第三水平層，該第三水平層不同於該第一水平層及該第二水平層；c.一電路元件至少一部分嵌入該基板，該電路元件具有一阻抗；及d.其中，該VSDM結構用以成為跨越垂直厚度的基本傳導，並且在具有第一電壓電平的該第一導電元件及具有第二電壓電平的該第二導電元件之間傳導電流以響應超過該特徵電壓的一ESD脈衝，其中該第一電壓電平基本上等於該第二電壓電平。
- 如申請專利範圍第1項所述之垂直切換的電壓調變介電材質構造，其中該第一導電元件為互連層、Z軸導電帶、銀膏、銅膏、塗銀的銅層、碳層、導電環氧樹脂、導電聚合物、電極、墊片、鉛、電路、通孔、電線或信號層。
- 如申請專利範圍第1項所述之垂直切換的電壓調變介電材質構造，其中該垂直厚度小於2密耳(mils)。
- 如申請專利範圍第1項所述之垂直切換的電壓調變介電材質構造，其中該基板為一印刷電路板、單層或多層的印刷電路板、半導體裝置的封裝、發光二極體基板、積體電路基板、插板(interposer)、連接兩個或多個電子組件的平台、堆疊封裝規格、晶圓級封裝、封裝內封裝(package-in-package)、系統級封裝或至少兩個封裝或基板的堆疊組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之垂直切換的電壓調變介電材 質構造，其中更包含一電子裝置。
- 如申請專利範圍第5項所述之垂直切換的電壓調變介電材質構造，其中該電子裝置為一行動電話、平板電腦、電子閱讀器、行動電腦、桌上型電腦、伺服器、電視機、視訊顯示器、音樂播放器、個人健康管理裝置、發光二極體、包含至少一發光二極體或照明模組的裝置。
- 如申請專利範圍第1項所述之垂直切換的電壓調變介電材質構造，其中該電路元件包含電阻、電感、電容、鐵性電路元件、鐵性(ferroic)VSDM電路元件、二極體、電晶體、過濾器或具有阻抗的互連層至少其中之一。
- 一種包含基板及垂直切換的電壓調變介電材質(VSDM)構造的電子裝置，該VSDM構造結合在該基板中，該基板包含不同的三個水平層，該VSDM構造包含：a.一第一導電元件用以設置在該第一水平層，以及一第二導電元件設置在該第二水平層；b.一VSDM結構具有一特徵電壓及一垂直厚度，該VSDM結構設置在該第三水平層；c.一電路元件至少一部分嵌入該基板，該電路元件具有一阻抗；及d.其中，該VSDM結構用以成為跨越垂直厚度的基本傳導，並且在具有第一電壓電平的該第一導電元件及具有第二電壓電平的該第二導電元件之間傳導電流以響應超過該特徵電壓的一ESD脈衝，該第一電壓電平基本上等於該第二電壓電平，並且該VSDM構造為該電子裝置提供ESD防護。
- 如申請專利範圍第8項所述之電子裝置，其中該電子裝置為一行動電話、平板電腦、電子閱讀器、行動電腦、桌上型電腦、伺服器、電視機、視訊顯示器、音樂播放器、個人健康管理裝置、發光二極體、包含至少一發光二極體或照明模組的裝置。
- 如申請專利範圍第8項所述之電子裝置，其中該第一導電元件為互連層、Z軸導電帶、銀膏、銅膏、塗銀的銅層、碳層、導電環氧樹脂、導電聚合物、電極、墊片、鉛、電路、通孔、電線或信號層。
- 如申請專利範圍第8項所述之電子裝置，其中該垂直厚度小於2密耳(mils)。
- 如申請專利範圍第8項所述之電子裝置，其中該基板為一印刷電路板、單層或多層的印刷電路板、半導體裝置的封裝、發光二極體基板、積體電路基板、插板(interposer)、連接兩個或多個電子組件的平台、堆疊封裝規格、晶圓級封裝、封裝內封裝(package-in-package)、系統級封裝或至少兩個封裝或基板的堆疊組合。
- 如申請專利範圍第8項所述之電子裝置，其中該電路元件包含電阻、電感、電容、鐵性電路元件、鐵性(ferroic)VSDM電路元件、二極體、電晶體、過濾器或具有阻抗的互連層至少其中之一。
- 一種垂直切換的電壓調變介電(VSD)材質結構，其包含：a.一第一導電元件及一第二導電元件，該第一導電元件及該第二導電元件設置在一第一水平層；b.一互連層用以設置在一第二水平層；c.一第三導電元件，用以連接該第二導電元件至該互連層；及d.一VSD材質構造，用以設置在一第三水平層，該VSD材質構造具有一特徵電壓，跨越形成在該第一導電元件及該互連層之間的一垂直間隙；e.其中，該VSD材質構造用以垂直切換跨越在具有一第一電壓電平的該第一水平層與具有一第二電壓電平的該互連層之間的該垂直間隙以響應超過該特徵電壓的一ESD脈衝。
- 如申請專利範圍第14項所述之結構，其中該第一導電元 件為互連層、Z軸導電帶、銀膏、銅膏、塗銀的銅層、碳層、導電環氧樹脂、導電聚合物、電極、墊片、鉛、電路、通孔、電線或信號層。
- 如申請專利範圍第14項所述之結構，其中該垂直厚度小於2密耳(mils)。
- 如申請專利範圍第14項所述之結構，其中該結構為包含在一基板中。
- 如申請專利範圍第17項所述之結構，其中該基板為一印刷電路板、單層或多層的印刷電路板、半導體裝置的封裝、發光二極體基板、積體電路基板、插板(interposer)、連接兩個或多個電子組件的平台、堆疊封裝規格、晶圓級封裝、封裝內封裝(package-in-package)、系統級封裝或至少兩個封裝或基板的堆疊組合。
- 如申請專利範圍第14項所述之結構，其中該結構為包含在一電子裝置中。
- 如申請專利範圍第19項所述之結構，其中該電子裝置為一行動電話、平板電腦、電子閱讀器、行動電腦、桌上型電腦、伺服器、電視機、視訊顯示器、音樂播放器、個人健康管理裝置、發光二極體、包含至少一發光二極體或照明模組的裝置。
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