微间隙方法和静电放电保护器件的制作方法

专利名称：微间隙方法和静电放电保护器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及微间隙方法和静电放电保护器件。
背景技术：
因为涉及“示波器”带宽中最高频率的波长等原因，用于高频示波器的有源探针组件需要外形较小。因此，将实际探针的(多个)尖端连接到前置放大器的(多个)输入端的耦合和匹配网络常常外形很小。这些耦合和匹配网络中电阻元件耗散能量的能力受到相当大的限制，并且除了热效应外，还可能因暴露于静电应力而使其值遭到显著的永久性改变。
此外，此探针组件中的有源器件通常出现在集成半导体放大器组件中，这些组件常常易于受到来自ESD即静电放电的损伤和破坏的影响(即它们可能被“瞬间电流损坏(zapped)”)。已有大量现有技术致力于保护集成电路(IC)免受ESD损坏，其中有许多技术所涉及的结构位于IC内部，并且有时是由ESD作用本身供电并布置为将ESD电流从灵敏器件分流出去的有源结构。其他保护策略包括更多无源击穿器件，其构造为与要保护的节点/地的组合并联。这些保护器件对ESD保护并非无效。它们通常有效，但其常常不适合出现在控制阻抗环境中。在不要求实现完整的15GHz带宽时，可以用这些保护器件中更耐用的一些来完全保护本应从DC到15GHz都可工作的灵敏的50Ω输入端。(那些充有液体的庞大SCR看上去如同巨大的电容)。
考虑用于现代高带宽示波器或类似物的有源探针。它们使用的前置放大器具有限定的几种控制阻抗传输线输入和传输线输出。前置放大器经常是一对差动的运算放大器，电路相当复杂并且用位于衬底上的IC的形式来实现，该前置放大器非常靠近示波器探针的工作端。衬底上经常安装有其他元件，例如输入端隔离电阻和输入端耦合RC网络、输入传输线和终端电阻，并且整个组件可称为“混合器”组件。它可以有少数甚至是若干个分立的部分、一个或多个IC和各种互连件。它通常很小，经常封在其自身的封装中(甚至可能被密封)，并且一般不考虑现场可修理性。混合器通常是好象组合产品一样进行替换的，甚至是在服务站(depotlevel)，虽然其实际上可能是在工厂进行检查修理。如果是这种情况，而且有源探针中的高性能混合器是昂贵的产品(某些示波器卖主甚至在修理冒烟的探针时向其消费者提供探针代用品计划)，那么对于为高频混合器前置放大器组件提供更好的ESD保护仍然有相当多的兴趣并不令人惊讶。前置放大器可以有其自身的板载ESD保护，但其并不是完全耐用的，可以肯定地说，为了保护输入端的隔离、耦合和终端元件所做的任何事情对于减少强ESD作用超过IC的板载保护的可能性都是有益的补充。
对用于此有源探针的输入端隔离、耦合和终端元件进行保护的通常方案包括由衬底携带的分立保护器件。显著缺点依旧是寄生电抗，特别是附加电容，所述附加电容在传输线结构(例如带状线、共面传输线或实际同轴电缆的长度)中产生不连续。
奇怪的是，平凡的火花隙是在其他器件不适合的场合中用于ESD保护的流行工具。它可以制造得很小并经常以可容许(或补偿)的方式附加到控制阻抗结构。其较小的尺寸限制了附加电抗数。它通常制造在衬底上所载的金属迹线中并依靠迹线与附近的地之间的小间隙来提供低的电弧放电电压。
迄今为止，用于这类用处的现有技术的火花隙是用光刻技术和激光在金属迹线中刻蚀切口构建的。用光刻法形成的通常的现有技术混合器火花隙有约2mil(密尔)(0.002英寸)的间隙以及1.5KV范围内的击穿电压。HP 1152A有源探针在将探针尖端连接到地的迹线中有(YAG)激光切割的间隙。可获得的最窄切口宽度在2到3mil范围内，击穿电压在1.5KV到2KV范围内。
ESD保护的最外层的优选位置就是探针的(多个)尖端处。如果可以，这将保护使(多个)信号电耦合进入前置放大器的隔离和耦合网络。它将降低前置放大器所需的内部ESD保护的负担，减弱高频工作下此内部ESD保护可能产生的任何干扰。但是，用来操作高频(15-20GHz)的探针尖端所载的到地的火花隙不是好东西。牵涉的一段导体在最坏情况下可能产生谐振，并至少增加了一些不希望的电抗数量，此电抗以电路负载形式出现或改变了探针的频率响应。幸好有一个相当易于实现的良好折中方案(更早在HP 1152A中使用)。在每个末端处用火花隙隔离这段导体在一个末端是通过将其“连接”到探针尖端的间隙，在另一个末端是通过将其“连接”到地的间隙。这样，除了发生ESD作用时以外，这部分导体从电学的角度看“不存在”。火花隙在ESD作用期间起闭合开关的作用，在其他时间起低电容断开开关的作用，所述断开开关的电容是串联的，因此显得减小了。中间导体的电抗好像“浮置”在两个断开的开关之间。
有人可能认为，像在传统的串联元件行为中一样，串联的两个小火花隙会表现出它们分开工作时各自所显示出的击穿电压之和。由于某些尚未完全清楚的原因，情况不是这样。两个小的300V火花隙可以串联布置，产生的合成结果具有比如325V到350V的击穿电压。但是，这个诀窍将能够在产品调整中可靠地制造这样的小火花隙。
目前用于传统火花隙的通常1.5KV到2KV的击穿电压经常不能提供足够的保护。此外，用光刻技术难以维持或不能维持制造更小间隙所需的严格公差，并且各种问题迄今为止已在困扰着激光技术，妨碍了把在金属迹线中切开更小间隙用于经济的商业产品。为使下游的元件得到最大的保护，人们可能在电气上将此火花隙就置于探针的(多个)最尖端处，该处对于放置显著的杂散电抗的确是个危险的位置。人们需要更好的火花隙。怎么办？发明内容用高性能火花隙解决抑止混合器电路上的ESD作用的问题的一种方案是用适当的激光微加工技术在金属迹线中切割间隙。金属迹线可以是传统印刷线路板(使用FR4)或例如常用于制造厚膜混合器的陶瓷衬底所带的0.5mil铜。通过用合适的气体流例如CO2冲刷切口能够减小间隙尺寸，使用气体流冲刷切口能够去除汽化的铜并防止其再次沉积在切口表面上使切口表面形成桥接。这种间隙可以窄至0.4mil(0.0004英寸)并可以有轮廓界限很好的特征，包括有助于降低击穿电压的尖锐拐角。此外，还可以去除迹线下方和两旁的介质材料，否则这些介质材料可能将金属间隙连通(从而可能使间隙实际上形成电容性桥接)。这种情况被认为还可以降低击穿电压(与不去除这些介质材料的光刻相比)并降低间隙上的电容。可以获得低至300V的击穿电压。


图1是通过在衬底上进行光刻而形成的现有技术的用于ESD保护的火花隙的简化平面图；图2是根据本发明的原理在衬底上形成的微间隙ESD保护器件的简化侧面图；图3是图2的微间隙ESD保护器件用于一种优选实施例的简化俯视图，所述实施例涉及用于示波器的高频差动有源探针；图3A是图3中的部分“A”的放大后视图；图4是一种用于示波器所用高频差动有源探针的电实施例的示意图，所述探针使用了微间隙ESD保护器件；并且图5是在衬底上制造微间隙ESD保护器件可替换方式的简化平面图。
具体实施例方式
现在参考图1，其中示出了通过在衬底2上进行光刻而制造的现有技术的火花隙结构的简化示例1。金属信号迹线3从金属地迹线4附近经过，所述地迹线4还带有凸出部分5。凸出部分5接近迹线3而造成间隙6，间隙6是约为2mil(0.002英寸)的实际火花隙。应当明白，这种情况只是示意性的描述，信号迹线和地迹线的角色可以调换，并且各自都可以带有接近对方的凸出部分。另一方面，在高频下，凸出部分可能作为讨厌的集总常数而出现，设计者可能更喜欢使其信号迹线保持“无凸出部分”而在地迹线中布置单一的凸出部分。
无论如何，熟悉这类技术的人应当明白，不可能足够精密地控制工艺参数从而可靠地制造成窄得多的火花隙。此外，对形状的限定不是“轮廓鲜明”的，不能造成界限分明的锐利拐角和边缘。这种特征的圆角化通过使电场梯度分布开而增大了击穿电压，而不是将其集中以降低击穿电压。最后，绝缘衬底没有去除，其连续存在于间隙附近增加了不期望的电容。
图2是制造微间隙ESD保护器件的优选方法7的构想图。在金属层9中形成窄间隙8，该金属层9可能是迹线或者用作接地面的更大区域。间隙8的宽度可以窄至约0.4mil，金属层可以是约0.5mil厚的铜。带有金属9的衬底10可以是FR4或者陶瓷。激光器12优选为铜蒸汽激光器，其产生的光位于远紫外区域，易于被铜吸收。这种激光器12可以按照已知的方法产生光束13。光束13并不是与要制造的切口8恰好宽度相等。可选的气体喷嘴14可以将合适的气体流(CO2较好)导向切口位置以将汽化的金属和其他碎屑从切口冲去。不与所包括的金属发生反应的任何惰性气体或其他气体都可能合适。10psi的供气压力和0.020英寸的孔即足以制造此处所述的窄切口。此气流可以防止金属蒸汽凝结，这种凝结可能散乱地堆在切口中，有时甚至会造成切口的桥接。
使带有金属9的衬底10在激光器12和喷嘴14的组合下方平移。可以将可商业获得的工作台用在这里，使衬底和金属或者是激光器和喷嘴这两个组合中的任一个固定而另一个组合运动。假定微间隙ESD器件将置于约0.005英寸宽的迹线中，则切口的实际尺寸优选为约为其两倍，即0.010英寸。在有气流冲洗的情况下，对于0.5mil的铜金属9，可以进行两次切割操作。每次操作用时约两秒，并且第二次操作与第一次相同(即在激光关闭的情况下退回，然后沿初始方向无平移地重复以使切口加宽)。切口将延伸入衬底中，这在我们的应用情况下是所希望的，因为它通过去除附近的介质而减小了跨越间隙的电容。如果愿意，还可以进行附加的操作来加深切口，这样实际上可以穿透衬底10。
注意在图2中，进入衬底10的切口被表示为空洞11。通常上述步骤在衬底10中产生的空洞11略宽于金属9中间隙8的宽度。看来这是由于衬底比铜金属9更易于汽化而引起的。
此外，尽管图2中未示出(在图3的插图中将示出)，还期望切口延伸到迹线两侧之外。这不仅确保了没有金属碎片或毛刺边缘残留而产生跨间隙的短路，还通过去除附近的介质材料而减小了跨越间隙的电容。
在没有气流喷射来冲走碎屑的情况下，在用于制造微间隙ESD器件的方法的一种实施例的实践中，已经发现用略微离焦的激光束进行第三次操作是有益的。这可以使任何铜屑或金属碎片再熔化并使表面张力可以将它们沿着切口边缘集中，但不带来任何显著的进一步切割。它还可以预防低导电性通路，所述通路由细小的铜粉末层形成并对间隙构成桥接。
现在参考图3，其为由微间隙ESD保护器件保护的高频探针尖端组件15的图示，其中ESD保护器件直接位于探针尖端并根据上述方法的原理制造。尽管有确切的图示内容，但图3不是精确的视图，并且尽管其显示了实际电路，但其不是精确的示意图；确切地说，它是传递了许多有用信息的混合视图。
从迹线焊盘22和23开始。它们位于衬底16的所谓正面或元件面上。它们具有完全钻透的孔，导线20和21分别插入孔中。这些孔是通到衬底背面上的小焊盘(不可见)的镀过的通孔过孔。过孔与导线的组合构成了从衬底正面到背面的优良“连通(pop-thru)”。我们首先处理所示的正面剩余部分，之后再讨论背面的情况。
导线20和21选择为刚度和可弯曲性的适当组合它们是实际的探针尖端，并期望它们可以根据需要而弯曲以在其间获得不同的间距。它们的工作端也是尖的，如能插入迹线或焊接头之后保持插入状态而不打滑更好。
焊盘22(23)还用作100Ω隔离/阻尼电阻24(29)一端的安装焊盘，该电阻的另一端焊接到焊盘27(32)。焊盘27(32)还用于各焊接电阻26(30)和电容25(31)的一端，而该电阻和电容的另一端焊接到焊盘28(33)。这些电阻和电容可以是小表贴元件。并联RC组合26/25(30/31)是基本设定探针输入阻抗(比如25KΩ带200ff旁路电容)的耦合网络，同时将信号耦合到50Ω同轴传输线18(19)的中心导线上。同轴电缆18(19)的另一端连接到再生放大器(replication amplifiers，未示出)输入端的50Ω终端电阻(未示出)上。关于此电路如何工作的一些细节将结合图4的讨论来给出，图4在电学方面与图3非常相似，但是外表上略有差异。
注意外围屏蔽17。此处图中是随意画出的。一方面，外围屏蔽是存在的，对于组件背面，它就是由虚线轮廓构成的假想视图中指示的接地而40。外围屏蔽的另一面(正面)是截面有点像W的波浪形金属盖，此金属盖具有配装在衬底16的正面上方的部分，并(向图纸面内)延伸以焊接到接地面40的左右边缘。波浪形状提供了清洁RC元件24-26和29-31的空间。它们还有颈缩以容纳连到同轴电缆18和19各屏蔽层的焊接头。
现在说明衬底背面上的情况。注意迹线36和37，暂时忽略其中的间隙34、35、38和39。如开始所形成的，迹线34以不间断的方式从下方焊盘22延伸到接地面40，而迹线37从下方焊盘23同样地延伸。迹线36(37)在焊盘22(23)下的末端容纳前面提到的通孔过孔，并且导线20(21)的非尖端焊接到该处。(读者可能会对为什么这些迹线36和37采用折弯方式而不在电阻24和29下方分别采用直接连线感到奇怪。毕竟这是一个高频组件，弯曲将在电抗方面带来损失，如果可能最好是避免。答案是因为直接通路需要在其上及其附近钻各种孔，这将使主信号路径的阻抗降低。所以迹线36和37不能在那里。此外，严格来讲，迹线36和37不是主信号路径的一部分；只需要它们承担ESD作用的电流。)如前文所述，如果微间隙ESD保护器件之间的间隙34、35、38和39不存在，则迹线36(37)将使输入探针尖端20(21)对地短路(直流短路！)。这当然与探针的基本用途不符。不过，微间隙ESD器件(34、35、38和39)一形成，这些难题就消失了。
注意，在实质上是迹线36和迹线37的各个末端处，(用前述方法)形成有一个微间隙火花隙ESD保护器件。这样做的一个有益效果是，将与这段迹线(36和37)部分相伴的电抗与输入终端(探针尖端20和21)和地隔离。在最高频率处这个巧妙的特征不会完全消除阻抗干扰，但这种方法足以使对期望阻抗的残余扰动的任何可观效果移至“带外”。
图3右侧的图3A中示出了微间隙ESD保护器件39(代表其余三个)的细节特写。它是从后方看的平面图，所以迹线39和接地面40的边缘不再是虚线。示出的窄间隙42可窄至4/10mil，其下方是衬底中的空洞41。空洞41通常比间隙42稍宽并优选为延伸到超出迹线39的任一侧。如前面提到的，此处去除介质材料减小了跨越间隙42的电容。
间隙42(以及微间隙ESD器件中其他的间隙34、35和38)可以有低至300V的击穿或者飞弧电压。在整个介质中以及大气中用这样的窄火花隙进行的实验表明更窄的间隙并不会明显降低击穿电压；其保持在约300V。我们知道用于在介质上的铜中造成宽度只有1/4mil的间隙的另外的技术，甚至它们也显示出300V的特性。看来很可能在小尺度情况下，这样的火花隙更像是一台机器(即其具有若干共同运转的部分或控制机构)而不像其看上去那样，并且对其行为的简单解释并不充分。这种观点得到了进一步观察的支持，即串联的两个这样的火花隙的击穿电压不等于单独间隙的电压之和。相反，它仍为约300V。我们尚未研究这些行为的原因，也不知道是否有其他人研究过；这里只是简单陈述了我们在开发此处公开的发明期间所收集到的观察资料。我们希望对于相关设备(实验室等级的示波器)预期的操作条件范围，它们基本上是正确的所述操作条件范围例如从约海平面到15000英尺、-20℃到50℃、非凝结的湿度。所以，虽然我们不知道如何使电压低至例如150V，但300V也不错，并且在将两个微间隙串联使用以使将探针尖端耦合到地的一段迹线隔离时没有电压增大的不利结果。
现在转向图4，其为与图3的电结构相同的高频差动探针的简化示意图43，尽管其在探针尖端的外形特性上稍有不同。图4大体上是取自Mike McTigue和James E.Cannon于2004年9月20日在先提交并转让给Agilent Technologies，Inc.(安捷伦科技有限公司)的题为“HIGHFREQUENCY OSCILLOSCOPE PROBE WITH UNITIZE PROBE TIPS”的美国专利申请S/N 10/945,146。该文献讨论的是探针尖端组件的构造方式，相关材料示出了与其结合使用的放大器结构。该放大器结构又是在1988年5月10日授予Rush的题为“WIDE BANDWIDTH PROBE USINGPOLE-ZERO CANCELLATION”的美国专利4,473,839和2002年11月19日授予Eskeldson等人的类似题为“WIDE-BANDWIDTH PROBE USINGPOLE-ZERO CANCELLATION”的美国专利6,483,284 B1的主题。如果希望找到有关怎样用此结构获得宽带探针性能的细节的更多信息，可以参考这些专利。
但是我们只对图4中所出现的内容进行非常简短的说明。其中相当于图3中相似元件的项目已被给予了相同的标号。首先是电部分。该示意图示出了用25KΩ和200ff的并联RC组合驱动50Ω传输线18(19)。当传输线适当地端接于放大器44、45输入端处的50Ω时，这确实是随着频率增大而使信号幅值滚降的一种方法。再生放大器44和45具有基本相反的响应，使得它们对信号的总响应基本是平坦的，并因此使它们来自放大器46的差基本是平坦的。图4中所示布置的有趣的外形特性是探针尖端之间的间距可由两个探针组件彼此相对旋转而改变。除了这个特征外，两个屏蔽17在其最接近探针尖端的边缘处保持接触以使回路面积最小，否则该回路在高频时会起不期望的天线作用。
图4所示包括微间隙ESD保护器件34、35、38和39，以及它们各自的中间导体36和37。
最后，注意形成图5所示的可替换微间隙ESD保护器件47的方式。在此实施例中，用相互成直角并与迹线侧面成45度角的切口50和51将衬底上的迹线48切割两次。这样做产生两个“残余”三角形部分52和53，它们可以根据需要留在原地或刻蚀去。应当特别注意衬底中的空洞54和55。
可以看出，即使留下三角形残余部分52和53，从迹线48到49的电容也小于横跨迹线的相同尺寸的单一90度切口(如图3的插图所示)可能得到的电容。同时，点56和57提供了最集中的电场以便击穿电压最小。并且在留下三角形残余部分52和53的情况下，如果点56和57由于ESD作用中的高电流而受到侵蚀，则如前所述，切口的平衡自动作为两个串联微间隙而开始起作用。
权利要求
1.一种用于在附着到衬底的金属薄片中形成火花隙的方法，所述方法包括下列步骤a)用激光束去除横跨所述金属薄片的金属薄片条；b)去除步骤a)中去除的所述金属薄片条下方的衬底材料条，去除的所述衬底材料条比去除的所述金属薄片条长；以及c)在步骤a)和b)过程中，将气体流导向正去除的所述金属薄片条和所述衬底材料条处。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光是铜蒸汽激光，并且其中所述金属薄片是铜制的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤a)中去除的所述金属薄片条宽度约为0.0004英寸。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤c)中所述气体流是CO2气体流。
5.一种用于示波器探针的有源探针尖端组件，具有用权利要求1的方法形成的、并在电学上设置在探针输入端与地之间的火花隙。
6.根据权利要求5所述的有源探针尖端组件，其中，所述火花隙包括由两个串联火花隙构成的组合，并且所述组合的击穿电压小于400伏特。
7.一种用于在附着到衬底的金属薄片中形成火花隙的方法，所述方法包括下列步骤a)用激光束去除横跨所述金属薄片的金属薄片条；b)去除步骤a)中去除的所述金属薄片条下方的衬底材料条，去除的所述衬底材料条比去除的所述金属薄片条长；以及c)在步骤a)和b)之后，使所述激光离焦，并照射步骤a)中去除所述金属薄片条而产生的所述金属薄片的边缘。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述激光是铜蒸汽激光，并且其中所述金属薄片是铜制的。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤a)中去除的所述金属薄片条宽度约为0.0004英寸。
10.一种用于示波器探针的有源探针尖端组件，具有用权利要求7的方法形成的、并在电学上设置在探针输入端与地之间的火花隙。
11.根据权利要求10所述的有源探针尖端组件，其中，所述火花隙包括由两个串联火花隙构成的组合，所述组合的击穿电压小于400伏特。
全文摘要
本发明公开了火花隙形成方法和ESD保护器件，用适当的激光微加工技术在金属迹线中切割高性能火花隙来抑止混合器电路上的ESD作用。迹线可以载于传统印刷线路板或陶瓷衬底上。通过用气体流冲刷切口来减小间隙尺寸，所述冲刷去除汽化的铜并防止其再次沉积在切口表面上而使切口表面形成桥接。这种间隙可以窄至0.0004英寸并可以有轮廓界限很好的特征，包括有助于降低击穿电压的尖锐拐角。此外，还可以去除迹线下方和两旁的介质材料，否则这些介质材料可能将金属间隙连通，去除所述介质材料降低了击穿电压并减小了跨越间隙的电容。可以获得低至300V的击穿电压。这种火花隙用于有源示波器探针的探针尖端以保护其中的精巧电路。
文档编号G01R1/00GK1858597SQ20061005852
公开日2006年11月8日 申请日期2006年3月10日 优先权日2005年5月5日
发明者迈克尔·T·麦克提格, 詹姆斯·E·坎农 申请人:安捷伦科技有限公司