CN101965758A - 使用具有垂直切换构造的电压可切换电介质材料嵌入层的衬底器件或封装 - Google Patents

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Abstract

一种衬底器件，包括VSD材料嵌入层(230)，其覆盖在提供地的导电元件或层(240)之上。电极(210)——其连接到待被保护的电路元件——延伸到该衬底的厚度中以与该VSD层接触。当该电路元件在正常电压下运行时，该VSD层是电介质，从而不连接到地。当该电路元件上发生瞬态电学事件时，该VSD层立即切换至导电状态，以使该第一电极连接到地。

Description

使用具有垂直切换构造的电压可切换电介质材料嵌入层的衬底器件或封装
相关申请
本申请要求于2008年4月14日递交的第61/044,883号美国临时专利申请的优先权；前述优先权申请以引用方式整体纳入本说明书。
技术领域
本说明书中描述的实施方案涉及利用了电压可切换电介质材料(voltage switchable dielectric material)的衬底器件和封装。具体而言，本说明书中描述的实施方案涉及嵌入了具有垂直切换构造的电压可切换电介质材料层的衬底器件和封装。
背景技术
电压可切换电介质(VSD)材料已知是在低电压下绝缘而在较高电压下导电的材料。这些材料一般是由绝缘聚合物基质(matrix)中的导体、半导体和绝缘体颗粒(particle)组成的复合物(composites)。这些材料用于电子设备的瞬态保护，最显著的是用于静电放电保护(ESD)和电过载(EOS)。通常，VSD材料表现为电介质，除非被施加特征电压(characteristic voltage)或电压范围才表现为导体。存在各种类型的VSD材料。电压可切换电介质材料的实例被提供在诸如以下的参考文献中：第4,977,357号美国专利、第5,068,634号美国专利、第5,099,380号美国专利、第5,142,263号美国专利、第5,189,387号美国专利、第5,248,517号美国专利、第5,807,509号美国专利、WO96/02924以及WO 97/26665，它们都以引用方式纳入本说明书。
可以使用各种方法和材料或组分(compositions)来形成VSD材料。一种常规技术是，向聚合物层中填充高水平的金属颗粒直到十分接近渗透阈(percolation threshold)(一般就体积而言大于25％)。然后将半导体和/或绝缘体材料添加至该混合物。
另一种用于形成VSD材料的常规技术是：将掺杂的金属氧化物粉末混合，然后烧结(sinter)该粉末以制造带有晶界(grain boundaries)的颗粒，然后将该颗粒添加至聚合物基质直到超过该渗透阈。
其他的用于形成VSD材料的技术和组分被描述在以下文献中：题为“VOLTAGE SWITCHABLE DIELECTRIC MATERIAL HAVING CONDUCTIVE ORSEMI-CONDUCTIVE ORGANIC MATERIAL”的第11/829,946号美国专利申请；以及题为“VOLTAGE SWITCHABLE DIELECTRIC MATERIAL HAVING HIGHASPECT RATIO PARTICLES”的第11/829,948号美国专利申请。
附图说明
图1是一层或一厚度的VSD材料的说明性(未按比例绘制)截面图，其描绘了根据各种实施方案的VSD材料的成分(constituents)。
图2A图示了根据一个实施方案的具有VSD材料嵌入层的衬底器件，该VSD材料嵌入层被置于该衬底上以垂直地切换。
图2B图示了用于衬底器件的横向切换排布。
图3A至图3C描绘了用于制造诸如图2A的实施方案所示出和描绘的衬底器件的方法或技术。
图4图示了根据一个实施方案的用于开口314的实际上用激光钻出的孔(hole)。
图5示出了根据一个或更多个实施方案的包含了VSD材料垂直切换层的多层印刷电路板(或其他衬底器件)。
图6图示了根据本发明的一个实施方案的制造多层印刷电路板的流程，该电路板使用VSD材料嵌入层来提供针对瞬态电学事件(transient electrical event)的垂直切换的保护元件。
图7图示了图2A所示实施方案的变体。
具体实施方式
本说明书中描述的实施方案涉及嵌入了具有垂直切换构造的电压可切换电介质(VSD)材料层的衬底器件和封装。
根据一个实施方案，衬底器件包括覆盖在提供地(ground)的导电元件或层之上的VSD材料嵌入层。电极——其连接到待被保护的电路元件——延伸到该衬底的厚度中以与该VSD层接触。当该电路元件在正常电压下运行时，该VSD层是不导电的，从而该第一电极不连接到地。当该电路元件上发生瞬态电学事件时，该VSD层立即切换至导电状态，以使该第一电极连接到地。该构造保护连接到该第一电极的电路元件和连接器件免受该瞬态电学事件之害。
根据一个实施方案，衬底器件将两个电极彼此垂直地间隔开，所述电极中的第一个连接到待被保护的电路元件和器件，所述电极中的第二个连接到地。一层VSD材料被置于该第二电极之上，并被覆盖以电隔离材料(electrically isolative material)(即，预浸料(prepreg)或乙阶树脂(B-stage resin))。该电隔离材料可以被表征为具有高介电常数的材料。根据一个实施方案，该第一电极垂直地延伸穿过该电介质层，以与VSD材料接触。
更进一步，一些实施方案提供的是，该第一电极被构型为通过精确深度钻孔延伸到该电介质层中以到达该VSD材料。一个实施方案提供的是，使用激光制造开口，从该开口形成该第一电极。
如此形成的构造使得VSD材料能够垂直地切换，以在电学瞬态事件中将该第一电极和该第二电极(其接地)电连接。
更进一步，在另一个实施方案中，提供了包括第一电极和接地平面(grounding plane)或另一电极的衬底器件。该第一电极和该接地平面分隔开一厚度，该厚度限定了垂直维度(vertical dimension)。一层VSD材料被提供在该第二电极之上，或与该第二电极至少部分地接触，以嵌入在该厚度中。该VSD材料是可触发的(triggerable)，以当被施加了超过指定阈水平的能量(电压或电流)时从介电状态切换至导电状态。接地路径(grounding path)可以沿该垂直维度从至少该第一电极延伸到该接地平面。该接地路径包括这层VSD材料的至少一厚度。该接地路径仅在出现所提供能量超过VSD材料指定阈的瞬态电学事件时才导电或活化(active)。
更进一步，本说明书中描述的实施方案表明，在衬底器件的情境中，可以使用激光来形成这样的孔或开口：该孔或开口从电极层延伸穿过一内部厚度的电隔离材料(例如，预浸料)并进入VSD材料嵌入层。具体而言，一个或更多个实施方案表明，可以用激光器(例如，YAG激光器)钻出这样的孔：该孔触到该VSD材料嵌入层，却不会由于使用激光而使该VSD材料退化或者产生其他不期望的影响。这样的激光器可以被调(tune)以精确地探测从电隔离材料到VSD材料的转变(transition)，以制造该开口或孔却不去除任何显著量的VSD材料。在一个实施方案中，位于该由激光形成的开口下方的该VSD材料层的厚度与其在该开口形成前基本相同。
用在本说明书中，术语“基本(substantially)”意味着在所修饰的量的99％以内。
用在本说明书中，术语“可编程地(programmatically)”意味着通过代码或指令的执行，如由处理器、计算机或处理资源(例如，处理器或集成电路)执行的。
电压可切换电介质(VSD)材料
用在本说明书中，“电压可切换材料”或“VSD材料”是任何具有这样特性的组分或组分之组合：是介电或不导电的，除非被施加了超过该材料的特征水平的电场或电压才变为导电的。因此，VSD材料是电介质，除非被施加了超过该特征水平的电压(或电场)(例如，诸如由ESD事件提供的)才切换至导电状态。VSD材料还可以被表征为非线性电阻材料(non-linear resistance material)。在许多应用中，VSD材料的特征电压的值在超过该电路或器件的运行电压(operational voltage)水平几倍的范围内。这样的电压水平可以在诸如由静电放电产生的瞬态条件的数量级，虽然一些实施方案可以包括计划性电学事件的使用。此外，一个或更多个实施方案提供的是，当不存在超过该特征电压的电压时，该材料表现得类似于粘合剂(binder)(即，它是不导电的或是介电的)。
更进一步，一个实施方案提供的是，VSD材料可以被表征为这样的材料，该材料包括部分地与导体或半导体颗粒混合的粘合剂。在不存在超过特征电压水平的电压时，该材料整体上符合该粘合剂的介电特性。在施加了超过特征水平的电压时，该材料整体上符合导电特性。
根据本说明书中描述的实施方案，VSD材料的成分可以被均匀地混合到粘合剂或聚合物基质中。在一个实施方案中，该混合物以纳米尺度分散(disperse)，这意味着构成该导体/半导体材料的颗粒在至少一个维度(例如，横截面)上是纳米尺度的，且构成该体积中总体分散量的颗粒中有大量颗粒是个个分隔开的(从而不聚结或凑到一起)。
更进一步，电子器件可以设有根据本说明书中描述的任何实施方案的VSD材料。这样的电学器件可以包括衬底器件，诸如印刷电路板、半导体封装、分立器件、薄膜电子元件(thin-film electronics)、发光二极管(LED)、射频(RF)部件以及显示器件。
一些VSD材料复合物通过在聚合物粘合剂中载入恰好低于渗透值(percolation)的量的导体和/或半导体材料来起作用。渗透值可以对应于这样的在统计学上定义的阈：当施加相对低的电压时，存在连续的导电路径。可以添加其他绝缘材料或半导体材料，以更好地控制该渗透阈。更进一步，一些实施方案可以用分散在聚合物树脂中的变阻体颗粒(varistor particle)来组成VSD材料。
图1是一层或一厚度的VSD材料的说明性(未按比例绘制)截面图，其描绘了根据各种实施方案的VSD材料的成分。如所描绘的，VSD材料100包括基质粘合剂105和以各种浓度分散在该粘合剂中的各种类型的颗粒成分。该VSD材料的颗粒成分可以包括金属颗粒110、半导体颗粒120以及高长宽比(high-aspect ratio)(HAR)颗粒130。应注意，被包括在该VSD组分中的颗粒成分的类型可以因该VSD材料的期望电学和物理特性而异。例如，一些VSD组分可以包括金属颗粒110，但不包括半导体颗粒120和/或HAR颗粒130。更进一步，其他实施方案可以省略导体颗粒110的使用。
基质粘合剂105的实例包括聚乙烯(polyethylenes)、硅树脂(silicones)、丙烯酸酯(acrylates)、聚酰亚胺(polymides)、聚氨酯(polyurethanes)、环氧树脂(epoxies)、聚酰胺(polyamides)、聚碳酸酯(polycarbonates)、聚砜(polysulfones)、聚酮(polyketones)以及共聚物，和/或其混合物。
导体材料110的实例包括：金属，诸如铜、铝、镍、银、金、钛、不锈钢、铬；其他金属合金；或导电陶瓷，诸如二硼化钛。半导体材料120的实例包括有机和无机半导体。一些无机半导体包括：碳化硅、氮化硼、氮化铝、氧化镍、氧化锌、硫化锌、氧化铋、二氧化钛、氧化铈、氧化铋、氧化锡、铟锡氧化物(indiumtin oxide)、锑锡氧化物(antimony tin oxide)以及氧化铁。可以选择具体的配方(formulation)和组分以实现最适合该VSD材料的特定应用的机械和电学性质。HAR颗粒130可以是有机的(例如，碳纳米管、石墨烯(graphene))或无机的(例如，纳米线或纳米棒)，且可以以各种浓度分散在其他颗粒之间。HAR颗粒130的更多具体实例可以对应于导体或半导体无机颗粒，诸如由纳米线或特定类型的纳米棒所提供的。这样的颗粒的材料包括：铜、镍、金、银、钴、氧化锌、氧化锡、碳化硅、砷化镓、氧化铝、氮化铝、二氧化钛、锑、氮化硼、氧化锡、铟锡氧化物、铟锌氧化物(indium zinc oxide)、氧化铋、氧化铈以及锑锌氧化物(antimony zinc oxide)。
各类颗粒在基质105中的分布可以是：VSD材料100在组分上是不分层且均匀的，而又展现出电压可切换电介质材料的电学特性。通常，VSD材料的特征电压是以伏特/长度(例如，每5密耳)为量度的，虽然其他场度量(field measurement)也可以用作电压的代替品。据此，如果跨越该VSD材料层的边界102而施加的电压108超过间隙距离(gap distance)L的特征电压，则可以使该VSD材料100切换至导电状态。在该导电状态，该基质复合物(包括基质粘合剂105和颗粒成分)在导体颗粒110之间传导电荷(如导电路径122所示)，从VSD材料的一个边界到另一边界。一个或更多个实施方案提供的是，VSD材料具有的特征电压水平超过工作电路的电压水平。如所述，也可以使用其他特征场度量。
将有机和/或HAR颗粒纳入到VSD材料组分中的具体组分和技术被描述在下列文献中：题为“VOLTAGE SWITCHABLE DIELECTRIC MATERIAL HAVING CONDUCTIVE OR SEMI-CONDUCTIVE ORGANIC MATERIAL”的第11/829,946号美国专利申请；以及题为“VOLTAGE SWITCHABLE DIELECTRIC MATERIAL HAVING HIGH ASPECT RATIO PARTICLES”的第11/829,948号美国专利申请；它们均通过引用方式整体纳入本申请。
在VSD材料由分散在聚合物树脂中的变阻体颗粒形成的实施方案中，金属氧化物变阻体可以用Bi、Cr、Co、Mn以及Sb形成。该组分可以用在800℃至1300℃下烧结的掺杂的氧化锌粉末形成，虽然也可以使用其他温度范围。该烧结产生了这样的电学颗粒：该电学颗粒的电导率随着所施加的电场而非线性地变化。
用嵌入的VSD材料进行垂直切换
利用VSD材料的一种方式是，将该VSD材料作为一个层嵌入衬底器件。这层VSD材料被放置为，在发生超过该VSD材料特性阈值的瞬态电学事件时，将该衬底的电路元件与一接地元件电互连。该衬底器件可以与该VSD材料层结合，以使得该VSD材料层能够垂直地或水平地切换(至导电状态)。
图2A图示了根据一个实施方案的具有VSD材料嵌入层的衬底器件，该VSD材料嵌入层被置于该衬底上以垂直地切换。参照图2A，衬底器件200包括第一电极210、电隔离材料层220、VSD材料层230以及第二电极240。该电隔离材料可以对应于，例如，预浸料、乙阶树脂、聚酰亚胺(或高介电常数材料)。作为一个具体实例，该电隔离层可以对应于或包括环氧树脂浸渍的玻璃布。第一电极210延伸进入层220一深度，以使该电极的一部分212与VSD材料层230物理接触。第二电极240也可以被嵌入或设在该衬底器件的下侧。第二电极240连接到地。
电隔离材料220诸如预浸料的使用使得该衬底的较大部分连接到且延伸到公共接地平面(common grounding plane)。除其他优点以外，预浸料和其他电隔离材料使得电路元件被路由(routed)和追踪。在本说明书中描述的实施方案的情境中，电隔离材料220使得该表面电极(以第一电极210为例)能够以最小的泄露电流、耦合(coupling)或其他电学干扰被路由至该接地平面。
根据一个实施方案，第一电极210在该衬底器件上电连接到待被保护免受瞬态电学事件之害的电路、部件或区域。第一电极210与第二电极240间隔开间隙215，间隙215对应于VSD层230的厚度(其延伸超出第一电极210之下的部分)的至少一显著部分(例如，80％)。在一个实施方案中，第一电极210(i)在沉积了VSD材料层之后形成，(ii)延伸至该VSD材料层却没有对该VSD材料的厚度产生达到任何可测量程度或显著性的影响。例如，将第一和第二电极210、240分隔开的间隙215的尺寸可以是，在形成第一电极210之前为VSD材料层230的厚度的99％。然而，如图7中的实施方案所描绘，间隙215可以被形成为，在未插入第一电极212时，其尺寸小于该VSD材料的厚度。例如，在与第一电极210的插入部分邻接之处，间隙215可以占据该VSD材料的厚度的25％、50％或75％。
当发生瞬态电学事件时，第一电极210将来自该事件的电流垂直地传送至VSD材料层230，以使得该VSD材料立即切换至导电状态。该VSD材料跨越间隙215垂直地切换，以将第一电极210和该第二电极(地)电连接。以这种方式，第一电极210和第二电极240电互连，且该第二电极连接到接地平面或器件，以使得该瞬态事件能够接地。
作为与诸如图2A所示的实施方案的比较，图2B图示了用于衬底器件的横向切换排布。在一个典型构造中，导电元件——包括第一电极252和第二电极254——被置于VSD材料层260之上。一般通过使用蚀刻或其他方法从该层去除导电元件，形成横向间隙255。如果要使用预浸料或其他电隔离材料270，则VSD材料260一般被覆盖在该预浸料上。另一导体材料层280可以借助过孔(via)256或其他电互连结构，将接地路径延伸至第二电极254。当发生瞬态电学事件时，延伸在该第一和第二导电器件之间的VSD材料260的一部分切换至导电状态，以将第一电极252电互连至由第二电极254提供的接地路径。
与图2A中描绘的横向切换布置相比，诸如图2A所示的实施方案有许多优点。在横向切换构造中，间隙255是通过具有相对高的容差(tolerance)的处理(例如，蚀刻)形成的。如此，间隙255是难以形成的，尤其是对于特定容差或度量而言。一些实施方案表明，间隙255是VSD材料何时切换的关键因素。间隙255的变化影响着切换VSD材料层260所要求的箝位/触发电压。作为横向切换的因素，该因素在制造中非常难控制，尤其是对于较小的间隙尺寸而言。
此外，图2B中示出的平面几何形态促成了非均匀的电场分布，这导致了潜在的局部的和高的场浓度，尤其是在电极的边缘。这样的非均匀性可以使该VSD材料的触发/钳位电压高于可相比的垂直间隙/切换布置。
尽管图2A的实施方案描绘了使得能够在两个垂直地分隔开的电极之间进行VSD切换的低容差间隙的形成，但一些实施方案表明，间隙形成并不必须如图2A描绘的那样精确。例如，图7的实施方案描绘了第一电极延伸进入该VSD材料层某深度的构造。
垂直结构的形成
图3A至图3C描绘了用于制造诸如图2A的实施方案所示出和描绘的衬底器件的方法或技术。
在图3A中，形成多层衬底器件，其包括导体材料(例如，铜)层、电隔离材料层310、VSD材料层320以及用于提供地的导体层330。在这一阶段形成的衬底器件可以被称为堆叠(stack)或堆叠结构(stacked structure)。
在图3B中，形成延伸穿过电隔离材料310并到达VSD材料层320的开口314。开口314可以被称为微过孔(micro-via)。开口314可以被精确地形成——至少沿深度维度——以使该开口的形成止于VSD材料320。在一个实施方案中，该开口是用激光器334钻出的。开口314可以作为一个或一系列处理的一部分而形成，所述处理包括：印刷、蚀刻(导体材料)以及钻孔(包括激光或精确钻孔)。在该开口的形成中，可以使用YAG激光器来提供达到该VSD材料层的顶层或表面的精确深度。YAG激光器可以包括使其能够自动地以精确深度钻出开口114的机构336。在一个实施方案中，该激光器以精确深度穿过电隔离材料的所需的时间/功率的量可以是已知的参数。更进一步，一种实施方式可以将该激光器的运行功率和时间列出(list)或与针对特定类型的预浸料(或其他电隔离材料)钻孔深度关联(例如，以表格形式)。利用这些信息，该激光器可以以一功率水平运行一段时间，以将开口114钻至精确地到达VSD材料。在一些实施方式中，在钻孔停止处可以执行一处理以测量开口114的深度。这样的停止和前进处理可以，例如，防止钻得超出从预浸料到VSD材料的转变线。除了精确深度钻孔，激光的使用也使得能够进行X和Y方向上的横向钻孔。
在另一实施方案中，激光器334可以用可选的反馈机构336——诸如在开口314的底部探测VSD材料的存在的可选传感器——来运行。一旦探测到该VSD材料，便停止激光钻孔。在这样的实施方案中，激光器334可以配置有一体的或分立的部件，该部件被配置为可编程地探测VSD材料层320的存在，更具体而言，探测从电隔离材料310的电介质层到VSD材料层320的转变。反馈机构336可以包含与其他资源——诸如存储器——相结合的处理器，以评估与该激光器的输出有关的特性，和/或正在被钻孔的材料的光学特性，以探测向VSD材料320的转变。或者，反馈机构336可以用处理资源(诸如固件或硬件逻辑，包括电路)来实施。
根据一个或更多个实施方案，激光钻孔的使用使得开口314能够到达VSD材料层320却不从该层去除任何显著量的材料。在一个实施方案中，该激光去除了该VSD材料层的小于1％。一些实施方案还表明，该激光可以被控制，以将该预浸料(或其他电隔离材料)沿深度进行激光处理到小于100埃甚至小于10埃的容差。
图3C提供的是，该衬底器件的电极340形成在开口314之上。在一个实施方案中，开口314镀有或以其他方式设有导体材料，以形成电极340。该导体材料可以沿开口314的壁或其他垂直维度排列。
与使用VSD材料提供垂直切换的更常规途径相比，诸如结合图2A以及在本申请其他位置描述的实施方案提供了几个益处。例如，尽管一些旧有途经包括了VSD材料层320，但这些途经并未使用钻出的孔或类似结构来提供期望的导电开口形成。钻孔——包括激光钻孔——使得能够获得比例如蚀刻更高的精确性和紧密间隔的间隙或厚度。如此，诸如结合图1示出和描述的结构中的间隔或容差水平和尺寸也可以比通过许多常规方法提供的更紧密。
此外，用于提供VSD材料的垂直切换的旧有途经未包括附加层——诸如预浸料或其他电隔离材料310——的使用。本说明书中描述的一些实施方案提供的是，将该VSD材料施用到衬底器件的各个层中(或上)。
更进一步，较之常规途径，具有垂直切换构造的嵌入VSD材料的使用使得能够获得比从诸如图2B示出的常规途径可靠地获得的更低的“开启(turn on)”或箝位电压。如所述，这是因为，较之印刷电路板和衬底制造方法(例如，诸如由蚀刻提供的)，该垂直厚度(即图3C的实施方案中的电极“间隙”)可以被更精确地控制到更小的尺寸。
根据一个实施方案，诸如图3C(或者图2A)描绘的结构能够通过简单地提供一个或更多个到达VSD材料层的开口或微过孔(u孔(uvia))来实现对任何电路上的任何网(net)、引脚(pin)和垫(pad)的ESD保护。相对比，诸如集合图2B描绘的水平切换定向(orientation)仅保护穿过该VSD材料的网、引脚或垫。在水平切换定向中，常规PCB上的许多(例如，80％)引脚不会受到保护。
图4图示了根据一个实施方案的用于开口314的实际上用激光钻出的孔。该孔414可以使用市售激光器——诸如Excimer、YAG或CO2激光器——钻成。一些实施方案表明，可以基于该VSD材料的性质来选择激光器，例如，CO2激光器会发生光散射，从而不能对给定类型的VSD材料进行安全的钻孔。然而，对于同样的VSD材料，YAG激光器能容易地制造孔414，该孔穿透外电极412和预浸料(或其他电隔离材料)416。开口410可以延伸到达VSD材料层418，VSD材料层418与第二电极420接触或覆盖在第二电极420之上。但是如前所述，制造孔410的激光器可以具有探测从预浸料416到VSD材料420的转变的功能。探测该转变的能力立刻使得待被制造的孔410能够到达但不延伸进入该VSD材料层。可选地，通过等离子体或化学蚀刻(去污(desmear))，可以清除孔410中的松散树脂。
多层结构
诸如图2A中描绘的衬底器件构造可以被堆叠或集成为较大衬底内的分立厚度。图5示出了根据一个或更多个实施方案的包含了VSD材料垂直切换层的多层(8层)印刷电路板(或其他衬底器件)。在用于小型电子设备(诸如蜂窝电话)的典型电路板构造中，所述层是通过层压(lamination)、钻孔以及镀循环(plating cycles)的结合提供的。例如，高密度互连(HDI)多层PCB构造一般可以使用2+4+2或1+1+4+1+1的堆叠(stackup)，该堆叠要求多个层压、钻孔以及镀循环。
参照图5，芯层(core layer)502在衬底500两侧覆盖VSD材料510。VSD材料510被形成为在该PCB两侧与接地平面512邻接。附加芯层504、506被设在衬底500内。每个芯层502、504、506在一侧或两侧包括导体材料。电隔离材料层525可以分布在所述芯层之间。
衬底500可以包括不同类型的过孔，包括：(i)通孔(thru via)509，其延伸穿过整个衬底的厚度，以对该衬底每一外侧的元件进行电连接；(ii)埋孔(buried via)511，其对两个或更多个内部芯层的元件进行电互连；以及(iii)微过孔(micro-via)515，其是激光钻成的，以将一个或更多个导电层延伸至VSD材料以进行接地保护。例如，电极521形成在延伸至VSD材料510上层的开口之上，以将该电极与该VSD材料层之下的接地平面512分隔开。一些导电元件可以钻穿该VSD材料以将外芯的元件与内芯层之一互连。许多其他变体也是可能的。
对于电极521，例如，通过用YAG激光器(即，Excellon Cobra)进行激光钻孔然后镀，可以制造从该外层到该VSD材料层510的连接。该VSD材料的“开启”电压(或能量)取决于该VSD材料的配方和VSD层的厚度。可以根据期望特性——包括箝位电压——来选择VSD材料的组分。可以使用标准电镀(standard electroplating)、无电镀(electroless plating)、“建构(build up)”或图样复制(pattern replication)来镀已钻出的开口，以及所述层上的其他形成物。
对于图5或其他位置(例如，图2A)的实施方案，该VSD层在跨越该衬底器件的给定厚度时，既可以是连续的又可以是非连续的(即，图样化的)。
图6图示了根据一个实施方案的制造多层衬底器件(例如，印刷电路板)的流程，该衬底器件使用VSD材料嵌入层来提供针对瞬态电学事件的垂直切换的保护元件。与图6中的描述一致的流程可以被用来实施诸如结合图5描述的实施方案。据此，参照了图5的元件，以阐释关乎所描述的步骤或子步骤的适合的元件或特征。所讨论的处理步骤可以被改变以适应不同种类的多层衬底器件的形成。该方法可以被简化以适应单层或双层衬底器件，或与附加步骤相结合地执行以适应层数更多的衬底器件。
在步骤610中，该多层衬底器件的内层芯(L4和L5)经受处理，包括成像和蚀刻。步骤620提供的是，将所述芯层压以形成四层的亚芯(sub-core)。步骤630提供的是，在该亚芯中形成埋孔511。可以执行钻孔和镀处理来形成埋孔515。
在步骤640中，在亚芯的外层上蚀刻图样。接着，步骤650提供的是，将该外层芯的内侧层进行图样蚀刻。在步骤660中，将外层芯被层压成亚芯。
在步骤670中，执行多个钻孔步骤，以形成通孔609和微过孔515。如所述，该微过孔可以使用精确激光钻孔来形成，诸如结合图3A到图3C的实施方案描述的。
步骤680提供的是，最终镀所有激光和贯穿孔(through hole)。如所述，当微过孔515被镀，它们形成这样的电极：该电极间歇性地(intermittingly)(即，当出现瞬态电学条件时)，跨越该VSD材料的垂直间隙厚度，将相应的互连的元件接地至最近的接地平面。
该流程的许多变体或替代方案(alterna tives)也可以被纳入，在所述变体或替代方案中，(i)VSD材料嵌入层(连续的或图样化的)被形成并被设为与接地平面接触或连接，以及(ii)导电开口被钻出然后被形成为延伸到至少该VSD材料。
替代方案
尽管所描述的一些实施方案提供了由激光形成的开口或孔(它们随后被镀有或设有电学材料)，但一个或更多个实施方案构想了，所述孔或开口可以通过常规机械钻孔来形成。例如，图7的实施方案示出了图2A所示实施方案的变体。在图7中，第一电极710延伸到VSD层230的厚度T中。可以针对第一电极710延伸至的深度来提供不同的实施方式(诸如钻孔技术)和实施方案。在一些实施方式中，该第一电极可以延伸至占据VSD层230的厚度的10％-80％之间任何处。可以用机械钻孔来形成开口，从该开口形成第一电极710，这类似于图3A至图3C描绘的方法(除了使用机械钻孔来代替图3B中的激光)。
另外，一个或更多个实施例提供的是，众多电极和VSD材料层既可以以连续形式又可以以非连续形式提供。
作为使得能够以垂直切换布置使用VSD材料的另一替代方案，可以使用“建构”方法来在该堆叠中形成垂直开口，以电接触VSD材料嵌入层。在一个实施方案中，使用“建构”方法来制造这些结构。可照相成像的电介质层(photoimagable dielectric layer)可以被沉积在该VSD材料中，被图样化，然后可以从图样化的电介质层建构导体层。也可以使用图样复制技术来将该电介质层和/或VSD材料层图样化。
结论
虽然在本说明书中已参照附图详细描述了本发明的示例性实施方案，但应理解，本发明不拘泥于这些实施方案。如此，许多修改和变体对于本领域普通技术人员而言将是明显的。据此，本发明的范围意在被下列权利要求及其等价物限定。此外，所构想的是，被个别地描述或作为实施方案的一部分来描述的特定特征可以与其他被个别地描述的特征或其他实施方案的一部分结合，即使该其他特征和实施方案未提及该特定特征。因此，未描述结合不应妨碍发明人要求保护这些结合。

Claims (22)

1.一种器件，包括：
第一电极；
第二电极，其与第一电极垂直地间隔开；
电压可切换电介质(VSD)材料层，其被置于该第一电极和该第二电极之间，该VSD材料层与该第二电极接触；
电隔离材料层，其被设在该VSD材料层和该第一电极之间；并且
其中该第一电极垂直地延伸到该电隔离材料层中，以与该VSD材料层接触。
2.根据权利要求1所述的器件，其中该第一电极与该VSD材料层进行表面接触。
3.根据权利要求1所述的器件，其中该第一电极与该VSD材料层进行中间接触。
4.根据权利要求1所述的器件，其中该第一电极被成形为与形成在该电隔离材料层中的开口匹配。
5.根据权利要求1所述的器件，其中该电隔离材料层是环氧树脂浸渍的玻璃布。
6.根据权利要求1所述的器件，其中该电隔离材料是乙阶树脂。
7.根据权利要求1所述的器件，其中该电隔离材料具有高介电常数。
8.根据权利要求1所述的器件，其中该电隔离材料是聚酰亚胺。
9.一种用于形成衬底器件的方法，该方法包括：
形成衬底堆叠，该衬底堆叠包括(i)电隔离层、(ii)电压可切换电介质(VSD)材料——其位于该电隔离层之下——以及(iii)接地电极，该VSD材料覆盖在该接地电极之上；
形成进入该电隔离层的开口，却不使该开口延伸穿过该VSD材料层；以及
在该开口的至少一部分上形成导体材料，以形成与该VSD材料接触的第一电极。
10.根据权利要求9所述的方法，其中形成进入该电隔离层的开口包括钻出该开口。
11.根据权利要求9所述的方法，其中形成进入该电隔离层的开口包括激光钻出该开口。
12.根据权利要求9所述的方法，其中形成进入该电隔离层的开口包括以精确深度钻出该开口，以形成该开口却基本不影响该VSD材料的厚度。
13.根据权利要求9所述的方法，其中形成进入该电隔离层的开口包括使用YAG激光器以精确深度钻出该开口。
14.根据权利要求13所述的方法，其中以精确深度钻出该开口包括，在钻孔中使用反馈部件来探测从该电隔离层到该VSD材料的转变。
15.一种衬底器件，包括：
接地电极；
电压可切换电介质(VSD)材料层，其覆盖在该接地电极之上，其中，该VSD材料是可触发的，以当被施加了超过指定阈水平的能量时从不导电状态切换至导电状态。
电隔离材料层，其形成在该VSD材料层之上；以及
第一电极，其沿垂直维度延伸穿过该电隔离材料层，以至少接触但不延伸穿过该VSD材料层，以在出现向该VSD材料层的至少一部分供应超过指定阈的能量的瞬态电学事件时，提供从该第一电极到该第二电极的接地路径。
16.根据权利要求15所述的衬底器件，其中该第一电极延伸以与该VSD材料层接触，而对该VSD材料层的厚度的影响却不超过20％。
17.根据权利要求15所述的衬底器件，其中该第一电极延伸以与该VSD材料层接触，而对该VSD材料层的厚度的影响却不超过100纳米。
18.根据权利要求15所述的衬底器件，其中该电隔离材料是预浸渍的材料。
19.根据权利要求15所述的衬底器件，其中该VSD材料层包括有机或无机的高长宽比颗粒。
20.根据权利要求15所述的衬底器件，其中该VSD材料层包括碳纳米管。
21.一种多层衬底器件，包括：
多个芯层，包括内芯层和外芯层；
一个或更多个接地平面，其嵌入在该衬底器件的厚度内，在至少两个芯层之间；
一个或更多个VSD材料层，其覆盖在该接地平面之上并与之接触；
一个或更多个电隔离材料层，其将该一个或更多个VSD材料层中的每一个与该芯层中的至少一个分隔开；
其中，该外芯层包括接地电极，并覆盖在该电隔离材料层之一之上；
其中，该一个或更多个VSD材料层包括VSD材料外层，该VSD材料外层位于该电隔离材料层之下，该电隔离材料层位于该外芯层之一之下；
其中，接地电极延伸穿过下面的电隔离材料层以到达下面的VSD材料层，以使得，当发生超过该VSD材料层特征电压的瞬态电学事件时，该外芯层的导电元件的至少一部分能够接地。
22.根据权利要求21所述的多层衬底器件，其中该电隔离材料是环氧树脂浸渍的玻璃布。
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