专利名称：用于静电放电抑制的装置和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子电路保护装置及包括该装置的系统。本发明尤其涉及用于抑制静电放电的装置。本发明还特别涉及一种用于ESD抑制的装置，该装置包括围绕静电放电电抗层的第一和第二多层结构，该电抗层的阻抗响应于静电放电信号的出现而变化。
背景技术：
静电和静电放电(ESD)的问题在电子行业是众所周知的。一般而言，电子元件在发生了使电荷从一种材料传递到另一种材料，从而产生与两种材料之间的电压电位差相关的电压浪涌的电事件后而被损坏。静电放电协会(ESDA)引用行业专家的话估计由于ESD引起的产品损失在8％至33％的范围内。其它人根据ESDA估计出ESD对电子行业的损害的实际代价每年达到数十亿美元。见http://www.esda.org/basic/partl.cfm。
通常，保护元件不受ESD损害的基本方法包括诸如将会“耗散”或放出瞬态信号的那些元件适当接地或旁路离开要保护的装置等基本预防措施。其它方法包括使用将在运输和运送期间保护敏感装置的包装和处理技术。虽然这些技术已被有效地用于为产品屏蔽电荷并减少由于产品在容纳要保护的装置的容器内的任何移动所引起的电荷的产生，但它们没有完全消除损坏的风险。另外，众所周知使用亚微米线宽以较高频率(GHz及以上)工作的更现代的装置更易于遭受使用这些方法所不能克服的损害。
被设计成对ESD事件作出反应并提供至地面的放电路径的元件在本领域中是已知的。这些元件的例子包括二极管和电容器。另外，其它元件基于诸如Shrier等人的题为“Over-voltage protection device and method for making same(过电压保护装置及其制造方法)”的美国专利号6,172,590等参考文献的教导，该专利描述了一种利用附于电绝缘基片的两个导电构件之间的间隙的分离电保护装置。根据‘590专利，该电保护装置可以或者被表面安装，或者通过用于容纳引线的通孔构建在电接插件上。‘590描述并要求保护了用于制造包括电绝缘基片的电保护装置的方法。
Shrier等人的题为“Variable voltage protection structures and method for makingsame(可变电压保护结构及其制造方法)”的美国专利号6,310,752描述并要求保护一种包括嵌入在电压可变材料中的具有基本恒定的厚度的绝缘材料的加强层的可变电压保护元件。根据‘752专利，该加强层限定了使可变电压保护元件能抵抗可能引起箝位电压降低或电压可变材料短路的压缩力的统一厚度。‘752专利还描述了用于制造这种可变电压保护元件的方法。
已成功地制造和使用了诸如结合了‘590专利和‘752专利的教导的装置等现有技术的ESD抑制装置。通常，这些装置利用其间散布了某种类型的电涌材料的一对电极。一个电极提供瞬态信号输入端子，而另一电极提供至地面的放电路径。称为基片的阻挡层或加强层用于提供允许元件被表面安装或通孔安装所需的刚度。
然而，这些现有技术的保护元件受到由于对使用基片或加强层的要求而引起某些限制。具体而言，基片的使用大大增加了元件的整体尺寸和成本。另外，这些现有技术保护元件的相对较大的尺寸和高度使它们在板空间受到限制的狭小空间中变得不实用。另外，因为基片材料是这些元件的制造中的主要开支，因此广泛地使用现有技术的保护元件的成本太高。另外，在印刷电路板应用中使用现有技术的ESD保护装置可能要求将各个装置表面安装到每一元件或要求保护信号路径，这可能会成本很高。
随着电子装置变得越来越快且越来越小，它们对ESD的敏感度也增加。ESD在当今的电子环境的几乎每一方面都影响着生产力和产品可靠性。电子行业中的静电控制的许多方面也适用于诸如净室应用和信号线增殖等其它行业。
因此，存在着对能在包括印刷电路板应用在内的各种各样应用中被广泛地使用的高成本效率、低高度的保护元件的需求。
附图简述考虑以下详细说明以及附图，可以理解本发明的具体实施例，在附图中
图1a和1b是根据第一实施例的用于抑制静电放电的装置的立体和横截面图；
图2a和2b分别是根据第二实施例的用于抑制静电放电的装置的立体和横截面图；图3示出图1a和1b的用于抑制静电放电的装置的立体图中的层构造细节；图4是图3的层构造的横截面图；图5是图1a和1b的具有双电镀通孔的装置构造的横截面图；图6是图2a和2b的具有单电镀通孔的装置构造的横截面图；以及图7和8示出在第一和第二印刷电路板系统中使用根据本发明的装置来抑制静电放电。
除非另外指明，否则详细说明中的标号指的是附图中相同的标号。
优选实施例的详细说明参考图1a和1b，根据本发明的一个实施例的用于抑制静电放电的装置10被示为由第一和第二多层结构14和16之间的静电放电电抗层12组成。优选地，静电放电电抗层12包括诸如题为“ESD Protection Devices and Methods of MakingSame Using Standard Manufacturing Processes(ESD保护装置及使用标准制造过程来制造该装置的方法)”的序号为10/366,174的相关申请(“相关申请”)中所述的基于聚合物的抑制材料，或行业中可容易地从例如电子聚合物股份有限公司和/或其它工业源获得的类似的材料。装置10可以使用在该行业中公知的和/或如相关申请中所述的标准印刷电路板制造技术来制造。因为基于聚合物的电压可变材料的性能特性可能变化，因此设想能通过对不同的触发电压、箝位电压和最大电压抑制电平变更材料特性来将装置10用于各种各样的应用中。
装置10的第一和第二多层结构14和16分别包括上和下导电层(如下所述)以及阻挡层18和30，这允许装置10与现有技术的ESD保护装置相比具有极低的高度。因此，诸如第一和第二多层结构14、16等低高度多层结构的使用减小了装置10的整体尺寸和体积，从而使其特别适用于表面安装和嵌入板应用。阻挡层18、30提供夹在两个导电层之间的电绝缘材料。已发现诸如来自杜邦公司的Kapton等聚酰亚胺薄膜在维持所期望的低高度的同时提供合适的绝缘特性，因为它形成一个具有薄膜厚度的不可透过的阻挡层(Kapton是杜邦公司的注册商标)。因此，聚酰亚胺薄膜在诸如多层结构14和16等多层结构中的使用解决了与需要基片或加强层并大大增加抑制装置的总体尺寸和高度的现有技术的ESD保护装置相关联的许多问题。
第一多层结构14还包括提供到装置20的ESD信号接口的导电端子层20。在正常条件下，即不发生ESD事件时，电信号通过端子层20的端子22和24绕过静电放电电抗层12，端子22和24中的一个与要保护的装置或信号路径(图1a和1b中未示出)电连接。因此，当未被ESD信号施压时，端子22和24用作要保护的装置本身的数据和/或功率信号的输入和输出端。并且，虽然端子22和24被示为正方形，但应理解，端子22和24能根据应用而采取任何形状或构造。
如图所示，端子22和24由间隙27隔开，并与阻挡层18的一侧(或表面)耦合。相关申请公开了使用公知的PCB制造方法在诸如阻挡层18等层上形成诸如端子22和24等端子的方法。相对端子层20是由如图1b中所示的嵌入在静电放电电抗层12中的电极28a和28b组成的导电电极层28。图3示出安装在静电放电电抗层12的空腔12a和12b中的电极28a和28b的构造。电极28b被示为具有伸入静电放电电抗层12的延伸部分28c。已发现可以变更电极28a和28b的物理尺寸以进而影响装置10的性能。因此，延伸部分28c通过影响例如装置10的触发电压电平、箝位电压电平和最大电压抑制电平来帮助影响装置10的性能。其它性能变量也可受到电极28a、28b的物理尺寸的影响。因此，延伸部分28c可以通过例如使其更长、更短、更宽或更厚来变更以影响装置10的性能。
第二多层结构16与图1b中所示的第一多层结构14相似。具体而言，第二多层结构16具有一包含其间具有间隙38的端子34和36的导电端子层32。端子34、36可用作到一地面基准的连接点，从而允许有害的ESD信号被安全地排出并离开要保护的装置或信号路径。因此，在ESD事件的情况下，ESD信号将通过端子22或端子24中的任一个进入静电放电电抗层12，并通过端子34或36中的任一个离开。这样，能保护否则会受到ESD事件破坏的装置、元件或部件。
参见图1b和图3，可以看到电极层40包括电极40a和40b。在一个实施例中，电极40a和40b包含在静电放电电抗层12内形成的空腔12a和12b对面的空腔(未示出但由箭头13a和13b指出)内。如同电极28b一样，电极40b也具有其物理特性可以被变更以影响装置10的性能特性的延伸部分40c。图1b示出延伸部分28c和延伸部分40c之间的重叠50。已发现延伸部分28c和延伸部分40c之间的重叠50的范围也可以被认作装置10的总体性能的一个因素。例如，重叠50能影响装置的触发电压、箝位电压和最大保护电压。因此，装置10为ESD抑制元件提供能被调节以适合许多应用的构造。
图1a、1b、3和4示出能配备支持表面安装应用并提供来自装置的各层的信号连续性的电镀通孔60、62。导体64和66(图3)包括提供装置10的诸层之间的电信号路径的电镀材料。然而，应理解，可以利用提供层到层的连续性的其它方式，例如通过使用通路或电迹线。电镀通孔60、62的使用消除了包括基片或材料的加强层的必要，因为可以通过插入在通孔60、62中的扣件、焊点、带状物(ribbit)或其它结构(未示出)来将装置牢固地保持在原位。因此，与多层结构14、16结合的电镀通孔60、62也允许装置维持与已知的现有技术相比的小尺寸和小高度。
图4是作为分层组件的装置10的横截面，其中所有的层分开示出。这样，装置10提供了具有包围一个静电放电电抗层12的两(2)个多层结构14、16的ESD抑制装置。图2a和2b示出一般表示为78的用于抑制静电放电的装置，它具有附于静电放电电抗层12的一个表面的单个多层结构14，且导电层80附于静电放电电抗层12上与多层结构14相对的第二表面。装置78提供装置10的替换，且一般其制造的成本效率更高，因为只使用了单个多层结构14。在使用装置78的应用中，导电层80可以是诸如铜等任何适合的导体并能直接附于地面基准点。因此，ESD信号将遍历从端子层20(经由端子22和/或24)通过静电放电电抗层12并到达通向地面的导电层80的信号路径，从而安全地排出有害的ESD信号。
图5是装置10的横截面图，装置10被示为具有其中分别插入了电镀导体64、66的通孔60、62的分层组件。图6示出具有单个通孔100的装置78的变型。根据本发明的ESD装置的每一变型提供一替换的组件，以适应不同的制造环境和应用。由此，每一装置10或78的各种修改可被认为是都落入本发明的范围之内。
图6示出了在印刷电路板系统120中使用装置110来抑制静电放电。具体而言，印刷电路板122包括层124、126和128。层126的一部分嵌入了诸如装置10或装置78等符合根据本发明的ESD抑制装置的一般构造的装置110。要保护的元件140可包括诸如处理器、功率放大器、存储器电路或对ESD敏感并在遭受ESD信号时会被损坏的多种其它元件中的任一个等的集成电路(IC)。元件140用丝焊142附于焊盘144，从而在元件140和信号迹线150之间提供连续性。这样，通过丝焊142、焊盘144和电镀通孔146建立了从元件140至信号迹线150之间的信号路径。
在ESD信号威胁到元件140的情况下，静电放电电抗层112通过在多层结构114和示为通过迹线162与地面160连接的结构/层116之间创建信号路径来作出反应。作为基于聚合物的ESD抑制材料，静电放电电抗层112的工作原理是静电放电电抗层112对流过静电放电电抗层112的信号流呈现出阻抗，且在元件140和迹线150之间维持信号连续性，因此在正常工作期间绕过了装置110。绝缘部分117在正常工作期间提供了使装置110与信号路径绝缘的一种方式。当然，可以利用将装置110与板122中的结构绝缘的任何其它合适的方法。
装置110可以被嵌入典型的印刷电路板内的各层，从而为诸如元件140等各种元件提供ESD保护。间隙170允许如由特定设计规定的结构114的构造。因此，结构部分114a能用于将信号路径从其它区域或诸如元件140等元件的其它管脚耦合到装置110。这样，可以保护多个元件、信号路径或单个元件的管脚。
图8示出装置110在具有比系统120多的层的印刷电路板系统200中的使用。如图所示，印刷电路板210具有212、214、216、218和220五层。嵌入层216中的是基本上起如以上相对于板122所述的功能的装置110。通过迹线266、迹线264和迹线262提供结构/层216与应用200的地面260之间的连接。绝缘部分217确保在正常工作期间装置110与信号路径断开。否则，在发生ESD事件期间，ESD信号穿过静电放电电抗层112并安全地到达地面260，从而确保诸如元件114等要保护的元件不受损害。
虽然已参照说明性实施例说明了本发明，但本说明书并不旨在以限制性的意义来解释。说明性实施例的组合中的各种修改以及本发明的其它实施例在本领域的技术人员参照说明书之后将变得显而易见。因此，所附权利要求书旨在涵盖任何这些修改或实施例。
权利要求
1.一种用于抑制静电放电的装置，包括围绕静电放电电抗层的第一和第二多层结构，所述静电放电电抗层的阻抗响应于静电放电信号的出现而变化。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述静电放电电抗层通过使流过所述第一多层结构的电流从所述第一多层结构流向所述第二多层结构来抑制所述静电放电信号。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一多层结构包括具有上和下表面的第一阻挡层；与所述第一阻挡层的所述上表面耦合的第一端子层；以及与所述第一阻挡层的所述下表面耦合并与所述静电放电电抗层接触的第一电极层。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二多层结构包括具有上和下表面的第二阻挡层；与所述第二阻挡层的下表面耦合的第二端子层；以及与所述第二阻挡层的上表面耦合并与所述静电放电电抗层接触的、与所述第一电极层相对的第二电极层。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述静电放电电抗层还包括用于保持所述第一和第二电极层的空腔。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一和第二阻挡层由聚酰亚胺薄膜材料制成。
7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一端子层还包括由空气间隙隔开的输入端子和第一输出端子。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二端子层还包括第二输出端子。
9.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一电极层包括穿过所述第一阻挡层与所述第一端子层电接触的至少一个电极，所述电极形成伸入所述静电放电电抗层中的第一延伸部分。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二电极层包括穿过所述第二阻挡层与所述第二端子层电接触的第一和第二电极，所述第二电极层的所述第一电极形成与所述第一延伸部分相对的、伸入所述静电放电电抗层中的第二延伸部分。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一和第二延伸部分之间的垂直重叠量影响所述静电放电电抗层的性能特性。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括贯穿所述第一和第二多层结构及所述静电放电电抗层延伸的第一和第二通孔。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第一和第二通孔是电镀的。
14.一种用于抑制静电放电的装置，包括具有第一侧和第二侧的静电放电电抗层、与所述第一侧耦合的多层结构、以及与所述第二侧耦合的导电层，其中所述静电放电电抗层的阻抗响应于静电放电信号的出现而变化。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述多层结构包括具有上和下表面的阻挡层；与所述阻挡层的所述上表面耦合的端子层；以及与所述阻挡层的所述下表面耦合并与所述静电放电电抗层接触的电极层。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述静电放电电抗层还包括用于保持所述电极层的空腔。
17.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述阻挡层由聚酰亚胺薄膜材料制成。
18.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述端子层还包括由空气间隙隔开的输入端子和输出端子。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述导电层接地。
20.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述电极层包括穿过所述阻挡层与所述端子层电接触的至少一个电极，所述电极形成伸入所述静电放电电抗层中的第一延伸部分。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述延伸部分的长度影响所述静电放电电抗层的性能特性。
22.如权利要求14所述的装置，其特征在于，还包括贯穿所述多层结构、所述静电放电电抗层和所述导电层延伸的至少一个通孔。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述通孔是电镀的。
24.一种具有集成的静电放电抑制的系统，包括用于保持多个电元件的印刷电路板；以及与所述印刷电路板耦合的静电放电装置，所述装置具有与静电放电电抗层耦合的至少一个第一多层结构，所述静电放电电抗层的阻抗响应于静电放电信号的出现而变化。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，还包括用于将一个或多个信号耦合至所述电元件中的至少一个的接口，所述接口与所述静电放电装置耦合，使得通过所述接口到来的静电放电信号被所述装置抑制。
26.如权利要求24所述的系统，其特征在于，还包括与所述第一多层结构相对、与所述放电电抗层耦合的第二多层结构。
27.如权利要求24所述的系统，其特征在于，还包括与所述第一多层结构相对的、与所述放电电抗层耦合的导电层。
28.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述印刷电路板具有接地，且所述第二多层结构使所述信号与所述接地接触。
29.如权利要求27所述的系统，其特征在于，所述印刷电路具有接地，且所述导电层使信号与所述接地接触。
30.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述装置被表面安装至所述印刷电路板。
31.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述装置被嵌入在所述印刷电路板内。
全文摘要
一种用于抑制静电放电的装置(10)，包括围绕静电放电电抗层(12)的第一和第二多层结构(14，16)，所述静电放电电抗层(12)的阻抗响应于静电放电信号的出现而变化。每一多层结构(14，16)包括阻挡层(18)、端子层(20)和电极层(28)。或者，可以使用导电层(80)来代替第二多层结构(16)。ESD抑制装置(110)能被嵌入在印刷电路板(122，210)内，从而提供一种保护板元件不遭受有害ESD事件的方式。
文档编号H02H9/00GK101061617SQ200580031488
公开日2007年10月24日 申请日期2005年9月16日 优先权日2004年9月17日
发明者K·P·施瑞尔 申请人:电子聚合物股份有限公司