专利名称：具有内置型电磁材料的电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种抑制电磁干扰的电子装置，具体地说，使用内置型磁性材料减少 电磁信号干扰的技术领域。
背景技术：
随着移动电子产品的日益普及和电子产品的频率(如手机)的不断增加，电磁串 /干扰(英文缩写为EMI)成为一个日益严重的问题。解决电磁串扰的最普通的方法是用 导体对电子装置进行屏蔽。然而，在很多时候这种金属屏蔽方式只能反射电磁波，将电磁波 反射到电子装置的其他部件或部位，造成意想不到的不良后果。如果使用铁氧体的环，那么 通常是把导线通过环心在环上缠绕。还有一种方法是把铁氧体做成夹子，这样就避免了绕 线。然而，在印刷电路板(PCB)上，集成电路的集成度越来越高，不可能用尺寸很大的传统 铁氧体材料来解决电磁串扰的问题。可见，上述解决方案存在着很大的局限性，并且从实践 来看，效果也不理想。
发明内容
本发明提供了一种具有内置型电磁材料的电子装置，它可以解决现有技术存在的 解决电磁干扰的技术方案具有很大局限性，以及技术效果不佳等问题。本发明是关于在PCB板中使用内置型磁性材料减少电磁信号干扰(EMI)的技术方 案及该技术方案的应用。为了达到解决上述技术问题的目的，本发明的技术方案是，一种内置于印刷电路 板的电子装置，其特征在于，结构上包括一层介电层夹在两层导电层中间，所述导电层是格 局过的或者非格局的，所述介电层中含有抑制EMI的磁性材料。所述抑制EMI的磁性材料包括下列至少一种元素的单质Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni， Cu, Zn, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu，或者一种或几种包含以上 的单质的化合物，或者一种或几种包含以上的单质的合金。所述抑制EMI的磁性材料是一种铁氧体材料；或者，所述抑制EMI的磁性材料是一 种磁性石榴石结构的材料。所述抑制EMI的磁性材料是不同的磁性材料的组合，用以吸收一定波段的电磁辐射。所述介电层是将所述抑制EMI的磁性材料和介电树脂混合形成复合材料，所述复 合材料作为PCB的介电层，所述介电树脂包括以下一种或几种环氧树脂，聚氰酸酯，聚酯，聚亚酰胺，聚四氟
乙烯，聚二氟乙烯，聚苯醚。除所述抑制EMI的磁性材料之外在结构上还包括有一层导电层、或者一层导电 片，或者导电的填充物为所述电子装置提供电磁兼容性。所述介电层除了所述抑制EMI的磁性材料以外，还包括至少一种组分以实现下列一种或几种被动器件的功能电容，电感，过电压保护装置，电阻，过电流保护装置，其它被 动滤波装置。所述提供其它被动器件功能的组分包括以下一种或几种钛酸盐陶瓷粉末，表面 有修饰或无修饰的导电粉末，具有导电区域的粉末，varistor粉末，电压开关复合材料，碳 纳米管，碳黑，金属氧化物。一种内置型多层电子装置，所述装置包括(1) 一个内置于PCB板上的复合材料介电层，所述复合材料介电层包含至少一种 对电路刻蚀液有反应性组分；(2)至少一层导电层；(3)而且装置里至少用一层保护层分隔所述复合材料介电层和导电层，所述保护 层防止介电层中的反应性组分和电路刻蚀液起化学反应；所述装置提供以下功能的一种或几种抑制EMI装置，电容，被动滤波装置，电阻， 被动过电压保护，被动过电流保护。所述反应性组分从以下物质中选出金属，包括以下一种或几种铝，镁，铁；还有 金属氧化物，包括以下一种或几种参杂的或不参杂的氧化锌，氧化镁，氧化铝，氧化铁，氧 化亚铁；还有陶瓷材料，包括以下一种或几种铁磁体，石榴石。因此，解决电磁串扰的最佳方案是把造成干扰的高频电磁波在其产生的源头把它 吸收掉。抑制电磁干扰的胶带，小球，小圆柱已证实能够解决外部的电磁干扰的线路，电缆 等。用的最多的吸收材料是铁氧体材料制成的小球。通过这些小球的绕线会对高频率产生 阻抗，从而减少高频电磁串扰和噪音。被吸收的电磁波的能量会转化为热能，并被铁氧体传 递到周围环境中。可见，优选的设计构思就是把电磁串扰的抑制装置内置于PCB内部，直接把电磁 串扰信号在它产生的源头就地吸收，而不是等导线释放出电磁干扰以后在距离源头一定的 距离上吸收。据本申请人所知，还没有关于在PCB的介电层里加入内置的磁性材料(如铁氧体) 对EMI进行抑制或吸收的报导。本发明的主要设计构思是在PCB上加入抑制EMI磁性材料。为达到这一目的，最 优化的方法是把这种抑制EMI磁性材料做到PCB的内部，即参入两层铜膜中间的介电层里。 一个制成的PCB可以含有一层或者多层的抑制EMI磁性材料。为了方便制造，抑制EMI磁 性材料遍布于整个PCB的XY平面上，但是，本发明不排除只把抑制EMI磁性材料用在PCB 的部分面积上(即不完全覆盖XY平面)。在本发明中凡是PCB两层铜膜之间的非导电夹层 都属于介电层范畴。
图1 在PCB上导线刻蚀形成的工艺描述；图2 在PCB的介电层里使用反应活性填充物的危害；图3 在PCB上加上一层化学保护层，从而避免了在导线的刻蚀形成工艺对反应性 填充物的腐蚀。
图4 在PCB上刻蚀形成的电路，包含有功能填充物和化学保护层。1和2是铜箔层；3是含有填充材料4 (如抑制EMI粉末)的介电层；5，6是铜线路；7是由于填充材料的腐蚀所形成的空洞；8和9是位于铜箔层和含有功能材料的介电层之间的化学保护-绝缘层。
具体实施例方式一种内置于印刷电路板的电子装置，结构上包括一层介电层夹在两层导电层中 间，所述导电层是格局过的或者非格局的，所述介电层中含有抑制EMI的磁性材料。所述抑制EMI的磁性材料包括下列至少一种元素的单质Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni， Cu, Zn, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu，或者一种或几种包含以上 的单质的化合物，或者一种或几种包含以上的单质的合金。所述抑制EMI的磁性材料是一种铁氧体材料；或者，所述抑制EMI的磁性材料是一 种磁性石榴石结构的材料。所述抑制EMI的磁性材料是不同的磁性材料的组合，用以吸收一定波段的电磁辐射。所述介电层是将所述抑制EMI的磁性材料和介电树脂混合形成复合材料，所述复 合材料作为PCB的介电层，所述介电树脂包括以下一种或几种环氧树脂，聚氰酸酯，聚酯，聚亚酰胺，聚四氟
乙烯，聚二氟乙烯，聚苯醚。除所述抑制EMI的磁性材料之外在结构上还包括有一层导电层、或者一层导电 片，或者导电的填充物为所述电子装置提供电磁兼容性。所述介电层除了所述抑制EMI的磁性材料以外，还包括至少一种组分以实现下列 一种或几种被动器件的功能电容，电感，过电压保护装置，电阻，过电流保护装置，其它被 动滤波装置。所述提供其它被动器件功能的组分包括以下一种或几种钛酸盐陶瓷粉末，表面 有修饰或无修饰的导电粉末，具有导电区域的粉末，varistor粉末，电压开关复合材料，碳 纳米管，碳黑，金属氧化物。一种内置型多层电子装置，所述装置包括(1) 一个内置于PCB板上的复合材料介电层，所述复合材料介电层包含至少一种 对电路刻蚀液有反应性组分；(2)至少一层导电层；(3)而且装置里至少用一层保护层分隔所述复合材料介电层和导电层，所述保护 层防止介电层中的反应性组分和电路刻蚀液起化学反应；所述装置提供以下功能的一种或几种抑制EMI装置，电容，被动滤波装置，电阻， 被动过电压保护，被动过电流保护。所述反应性组分从以下物质中选出金属，包括以下一种或几种铝，镁，铁；还有 金属氧化物，包括以下一种或几种参杂的或不参杂的氧化锌，氧化镁，氧化铝，氧化铁，氧化亚铁；还有陶瓷材料，包括以下一种或几种铁磁体，石榴石。最倾向使用的材料工艺是把抑制EMI磁性粉末和介电树脂如环氧树脂，丙烯酸树 脂等混合起来，形成复合材料。这种复合材料可以作为PCB的介电层。 还有一种方法就是把纯的抑制EMI磁性材料，或基于抑制EMI磁性材料的复合物， 制成和一层或两层铜膜相接的EMI抑制层。例如，可以先制成由铁氧体材料构成的EMI抑 制层，然后在它上面用压膜的方法压上介电高分子层，然后把这种多层结构作为PCB的介 电层。又如，可以在介电膜或者导电膜上用涂布或者物理气相层积的方法沉积一层抑制EMI 磁性材料，然后和铜膜压合在一起。最常用的抑制EMI磁性材料是铁氧体。铁氧体的种类很多，不同的铁氧体可以用 于针对不同波段的电磁信号噪音。除了铁氧体之外，磁性金属或金属合金，例如镍，镍合金， 铁，铁合金都是抑制EMI磁性材料。在复合材料的选择上，把不同的抑制EMI磁性材料按照 不同的组分混合起来，可以抑制不同波段或不同类别的EMI。还有一种常见的抑制EMI磁性材料是石榴石(garnet)。它包括，但 不限于 Y-Fe-O (YIG)，稀 土石榴石例如 Al-Dy-O(Dy3A15O12), Dy-Ga-O(Dy3Ga5O12), Eu-Ga-O (Eu3Ga5O12), Ga-Gd-O (Gd3Ga5O12), Ga-O-Sm (Sm3Ga5O12), andGa-O-Yb (Yb3Ga5O12)。抑制EMI磁性材料可以用在一层介电层里，为这层介电层提供EMI抑制功能。它也 可以添加到其它内置元器件里提供EMI抑制功能。例如，它可以添加到内置型电容里(内 置型电容是指电容埋置于PCB的介电层里)，用以吸收一定波段的EMI辐射。它也可以加到 过内置型电压保护层里(即过电压保护功能内置于PCB介电层里)，在提供过电压保护的基 础上提供EMI吸收功能。所以，抑制EMI磁性材料可以是PCB里多功能层里的一个组分。抑制EMI磁性材料，尤其是基于铁氧体的氧化物或陶瓷材料，可以是以下形状的 粉末球形，针状，片状，无规则状，或任意形状。抑制EMI磁性材料的颗粒大小必须小到可以适合高分子-抑制EMI磁性复合材料 制造工艺和PCB制造工艺，如压膜，打孔等。不同的复合材料的厚度要求不同的颗粒大小。 基本规则是D90指标必须小于复合材料的厚度。尽管本发明倾向于使用含有抑制EMI磁性材料的复合材料实现EMI的抑制，使用 一层或多层的单纯的抑制EMI磁性材料(不含树脂和高分子)作为PCB内部的介电层也应 属于本发明范畴。有机树脂结合剂可以是一种或几种有机材料，必须具有下列性质固化或交联成 具有机械强度的结构，这个交联后的结构可以把其它组分牢固的结合成一个稳定的固体混 和物。它可以从以下材料中选出环氧树脂，聚氰酸酯，聚酯，聚亚酰胺，聚四氟乙烯，聚二氟 乙烯，聚苯醚，和其他在PCB工艺里稳定的高分子。在结合剂的配方里，可以用其他添加剂。例如，交联剂，熟化剂，交联加速剂，保证 填充物稳定分散的分散剂，减少泡沫的消泡剂，调节黏度的流变控制剂，修饰树脂的塑化剂 或交联剂可以使交联后的树脂更强或更柔韧，使树脂在高温下稳定的热稳定剂，使复合材 料层和导电层结合力增强的粘合增强剂。导电层通常由铜箔构成，导电层可以用但不限于用以下材料招，镍，银，导电高分 子，导电高分子复合体，导电糊，基于碳纤维的导电复合材料。铜箔表面可以先用其他材料处理，例如金属元素，金属氧化物，硅烷，粘合剂等，用以增加铜箔和EMI复合材料层的粘合 力，或者提高这一结构的电容。用来做铜箔表面处理的元素包括镍，铬，钛，钨，锡，磷，硫， 或者它们的氧化物，可以用单一组分，或者不同组分的混合。金属箔表面可以经过机械或 电化学打磨，或者经过刻蚀来增加表面的粗糙度。导电复合材料，例如碳纳米管复合材料， 可以用光刻蚀或者丝网印刷的工艺对EMI-复合材料表面进行电路图案的铺设(circuit patterning)0为了增加多层结构的强度和调整热膨胀系数，一张塑料膜或者纤维状材料可以添 加到含有EMI-材料的介电层里。纤维状材料可以从以下材料中选择(但不限于以下材 料)ARAMID纤维，无纺型或纺织型ARAMID纤维布，玻璃纤维，无纺型或纺织型玻璃纤维布， NOMEX纤维，无纺型或纺织型NOMEX纤维布。这些增强材料可层压到EMI抑制复合层用来做 自支撑复合介电压合膜，然后再在上面层压上一层铜箔做成覆铜板。或者，可以把增强材料 直接用卷法(roll-to-roll)铺设到多层结构的一层高分子层里。这样制造的铜箔-多层介电材料-铜箔的电子装置可以通过普通的微电子工艺 处理，在(含有抑制EMI磁性材料)介电层上产生规则的导电连接线路。这普通工艺一般 包含多个步骤层间连接(via process)，电镀，光造影刻蚀，层压。这些具体工艺细节可以 在教科书中找到，例如 Print Circuit BoardHandbook, Sixth edition, Edited by Clyde F. Coombs0这种多层介电材料的高电容性能使之在实现EMI抑制功能之外还可以作为微电 子装置的内置电容。在PCB制造工艺里的线路形成工艺里经常会用到铜刻蚀和镀铜技术。图1显示了 制造工艺里的刻蚀过程。1和2是铜箔层，3是含有填充材料4(如EMI抑制粉末)的介电 层。通过普通光刻蚀工艺的过程光刻胶涂布，曝光，显影，刻蚀，冲洗，铜线路5，6就在介电 层上面形成了。PCB通常有多层线路和多层介电层。有些铁氧体会和PCB制造工艺里的化学药品起反应。铜刻蚀液和镀铜液都是具有 强烈腐蚀的强酸。铜刻蚀溶液还有强氧化性。如果溶液和介电层中的填充物反应，就会导 致很多产品缺陷，例如针孔，根切，剥落。这种情况在高填充物比例的情况下，尤其在接近逾 渗阀值(percolation threshold)的情况会更加恶化。这种情况显示在图2中，当一个组 分和铜的刻蚀液反应是，这个组分可以被腐蚀掉，导致空洞7的形成。空洞可以滞留很多腐 蚀性或者导电性的溶液，导致层间剥落和根切。为了防止这个问题的发生，可以在铜箔或者介电层上加上一层保护层。这样的结 构在图3中表示，层8和层9位于导铜箔电层和含有功能材料的介电层之间。它避免了反 应活性功能材料和铜腐蚀液的反应。这种方法不仅仅局限于内置型EMI抑制装置里，它可 以用在其它领域例如内置型电容。这样在内置型电容里，可以使用活波金属作为填充材料， 例如铝等。在内置型过电压保护装置里，就可以使用有反应活性的氧化物。图4显示了最 后刻蚀好的铜线路，保护层，和含有反应活性的介电层。这种多层结构可以等效于一个介电 层，作为铜层中间的分隔层。本发明中，这样的多层结构(不包括铜)和其它类似结构都叫 做介电层。这样的化学保护-绝缘层可以涂布到铜箔上，或者介电层上。但是直接涂到铜箔 表面是较为直接简捷的途径。这样的保护层在厚度倾向于小于10微米，最好小于5微米， 甚至1微米。最薄可以到多少取决于相关的刻蚀和镀膜条件，保护膜的化学性质，填充物的化学反应活性。实施例1EMI-抑制复合材料和铜导线直接接触下的EMI抑制性能一根长13厘米，直径150微米的铜导线，埋置于两层70微米厚，含有40%的铁氧 体填充物的环氧树脂里。测试用的仪器是HP 4195A network/spectrum分析仪。在0. 001 到500兆赫兹频率范围内对导线进行阻抗测试。与空白基线相比，即同样尺寸的铜导线埋 在不含有铁氧体填充物的环氧树脂里，有铁氧体的铜导线阻抗在350到500兆赫范围里减 弱了 5个分贝。可见，该实施例证明了 PCB电子线路中导线和含有抑制EMI磁性复合材料 直接接触情况下的EMI抑制效果。实施例2介电层中铁氧体造成的能量损失，在这个实施例里，制成两个产品产品一一个35微米厚的含有5%铁氧体体积含量的复合环氧树脂，其中还有一 层13微米厚的玻璃纤维布。这样的结构夹在两层铜膜之间。产品二 一个40微米厚的含有40%铁氧体体积含量的复合环氧树脂，其中还有一 层13微米厚的玻璃纤维布。这样的结构夹在两层铜膜之间。产品两侧的铜片连接到网络分析仪上对能量损失在一千到一兆赫兹频率上进行 分析。结果表明，5%体积含量的铁氧体复合材料产生0. 03-0. 06分贝的损耗，40%体积含 量的铁氧体的复合材料产生0. 12-0.对的损耗。相比较之下，一个35微米厚度的含48%铝 粉的环氧树脂，其中也包含来一层13微米厚度的玻璃纤维布，在相同条件测试下的结果是 0. 02，远远低于含铁氧体的复合材料。在这里，损耗的定义是指介电常数的虚部和实部的比 例。由于铁氧体有很高的磁感应强度，在交流电下其诱导产生的电场会对产生较大的能量 损耗。这些试验表明内置于PCB里的EMI抑制材料可以有效地抑制电磁辐射。抑制EMI 磁性材料可以用在PCB中的一层或者多层介电层里，例如连接到电源层，地线层，或者连接 到连有高频芯片的电路层里。抑制EMI磁性材料的种类很多，不同的铁氧体材料可以针对 不同电磁波的频率。比如，可以用许多种不同EMI抑制材料的组合来吸收一个特定的频率 范围。另一方面，也可以在一个PCB的不同介电层里使用不同的铁氧体材料来调控不同的 电路。EMI的抑制层还可以和其它电磁屏蔽层一起使用，用以优化电路的电磁兼容性(elec tromagneticcompatibilities)。把EMI抑制和EMI屏蔽组合起来可以增强整个装置或同一 装置不同部位的EMC性能。在设计上可以有很大的灵活性，例如选择具有不同吸收特性的 抑制EMI磁性材料，控制复合材料层的厚度，导电片的大小，和EMI控制层向接到的电子线 路布局设计等等。在空间上，“内置”这个词在本发明中是指在PCB里的用复合材料制成的介电层，可 以使在PCB的多层里的内层，或者是外层。这是为了和接在PCB表面的传统电子元器件相 区别。一般这样的内置层覆盖了整个PCB的XY平面，但是也不排除只覆盖PCB平面的一部 分。在本说明中，介电层可以使一层介电材料，或者是多层介电材料，可以是均一的或 者非均一的材料(复合材料是非均一的)。最后总的效果是等效于一层介电材料，夹在两层 导电层中间。如果是多层结构的形式，那么可以包括绝缘层，化学保护层，纤维增强层等。
在说明中，格局是从英文(pattern)意译而来，指的是把导电层进行腐蚀(如光刻 蚀)处理后做出PCB板上的规整的连接线路。非格局即未经刻蚀处理的平整表面。上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何 熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效 实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作 的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种内置于印刷电路板的电子装置，其特征在于，结构上包括一层介电层夹在两层 导电层中间，所述导电层是格局过的或者非格局的，所述介电层中含有抑制EMI的磁性材 料。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述抑制EMI的磁性材料包括下列至少一 禾中7 的IM :Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu，或者一种或几种包含以上的单质的化合物，或者一种或几种包含以上的单质 的合金。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述抑制EMI的磁性材料是一种铁氧体材 料；或者，所述抑制EMI的磁性材料是一种磁性石榴石结构的材料。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述抑制EMI的磁性材料是不同的磁性材 料的组合，用以吸收一定波段的电磁辐射。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述介电层是将所述抑制EMI的磁性材料 和介电树脂混合形成复合材料，所述复合材料作为PCB的介电层，所述介电树脂包括以下一种或几种环氧树脂，聚氰酸酯，聚酯，聚亚酰胺，聚四氟乙 烯，聚二氟乙烯，聚苯醚。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，除所述抑制EMI的磁性材料之外在结构上 还包括有一层导电层、或者一层导电片，或者导电的填充物为所述的电子装置提供电磁兼 容性。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述介电层除了所述抑制EMI的磁性材料 以外，还包括至少一种组分以实现下列一种或几种被动器件的功能电容，电感，过电压保 护装置，电阻，过电流保护装置，其它被动滤波装置。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述提供其它被动器件功能的组分包括 以下一种或几种钛酸盐陶瓷粉末，表面有修饰或无修饰的导电粉末，具有导电区域的粉 末，varistor粉末，电压开关复合材料，碳纳米管，碳黑，金属氧化物。
9.一种内置型多层电子装置，其特征在于，所述装置包括(1)一个内置于PCB板上的复合材料介电层，所述复合材料介电层包含至少一种对电 路刻蚀液有反应性组分；(2)至少一层导电层；(3)而且装置里至少用一层保护层分隔所述复合材料介电层和导电层，所述保护层防 止介电层中的反应性组分和电路刻蚀液起化学反应；所述装置提供以下功能的一种或几种抑制EMI装置，电容，被动滤波装置，电阻，被动 过电压保护，被动过电流保护。
10.根据权利要求9中所述的内置型多层电子装置，其特征在于，所述反应性组分从以 下物质中选出金属，包括以下一种或几种铝，镁，铁；还有金属氧化物，包括以下一种或 几种参杂的或不参杂的氧化锌，氧化镁，氧化铝，氧化铁，氧化亚铁；还有陶瓷材料，包括以下一种或几种铁磁体，石榴石。
全文摘要
本发明提供了一种具有内置型电磁材料的电子装置，它可以解决现有技术存在的解决电磁干扰的技术方案具有局限性，以及技术效果不佳等问题。本发明的技术方案是，一种内置于印刷电路板的电子装置，结构上包括一层介电层夹在两层导电层中间，所述导电层可以是格局过的或者非格局的，所述介电层中含有抑制EMI的磁性材料。本发明能够解决在PCB板中使用内置型磁性材料减少电磁信号干扰的问题。
文档编号H05K9/00GK102088821SQ201010506270
公开日2011年6月8日 申请日期2010年10月14日 优先权日2009年11月11日
发明者崔骥, 罗臬 申请人:崔骥, 罗臬