CN101595769A - 印刷电路板的嵌入式瞬时保护的选择性沉积 - Google Patents

Abstract

本发明公开了通过在印刷电路板的一个或多个层上选择性地沉积瞬时保护材料来保护印刷电路板上的敏感部件。

Description

印刷电路板的嵌入式瞬时保护的选择性沉积

背景技术

印刷电路板、背部面、中间面、印刷线路板、柔性电路、刚柔电路、多芯片模组(MCM)、内插板等在这里共同称作“PCB”。

贯孔结构典型地提供在z轴方向上(与PCB的x-y平面正交)的导电层之间的导电路径。通过多种技术，包括但不限于激光钻孔、机械钻孔以及基于光清晰度的技术，而形成贯孔。贯孔随后部分地或全部地填充或涂敷上通常是金属的导电材料。这种贯孔结构可以是盲孔、埋孔、通孔，并且在导电层上可以包括或可以不包括焊盘，这是PCB设计领域的技术人员众所周知的。

印刷电路板上的敏感部件可能因静电放电(ESD)的瞬时发生而受损伤。ESD的特征在于例如几皮秒内的几十千伏量级的快速上升。具有较低峰电压水平和较缓上升时间的其他瞬时现象也可能导致对印刷电路板的损伤。例如，可能因不良接地烙铁，或功率转换继电器，或连接到印刷电路板的通信线上的雷击而导致电压的突然升高。这里所使用的“瞬时”不仅包括ESD事件，而且包括直接或间接地引发到印刷电路板的电压和电流的，并且这种电压和电流的幅度足够高而导致印刷电路板上的电子部件的退化或故障的短时间的任何现象。

图1A是说明由导电保护环104保护的印刷电路板102的示意图。印刷电路板(PCB)102具有长度L和宽度W。在图1A中，在PCB 102的每个外层的外围上添加导电保护环104(图1中只有一个是可见的)，并且一个或多个分立的瞬时保护器件可以连接到PCB102。保护环104在I/O连接器106安装到PCB 102上的位置处连接到底盘接地。典型地，当人拿起PCB时，此人将最先接触PCB的外围。通过沿着PCB 102的外围布置保护环104，保护环104将不期望的瞬时电流改向到底盘接地。因此，有害电流不允许流到PCB 102上的瞬时敏感部件。但是，保护环不能保护PCB 102的内表面112。瞬时保护的另一种形式是使用分立的瞬时保护器件。

分立的瞬时保护器件例如分立的瞬时保护器件108可以在信号和/或电源线进入PCB 102的位置例如连接器106处连接到PCB 102。但是，分立的瞬时保护器件消耗PCB上的宝贵资源。例如，美国专利6,657,532号公开由布置在接地面和电导体之间的纯电介质聚合物或玻璃的薄层制成的分立过电压保护部件。美国专利6,657,532号还公开了具有多层可变电压材料的分立过电压保护部件。分立的瞬时保护器件的另一个非限制例子是可复位的聚合正温度系数(PPTC)器件。就像熔丝一样，PPTC器件帮助保护电路免受过电流损伤。但是，分立的PPTC器件消耗PCB上的宝贵资源。

瞬时保护的其他形式包括片上瞬时保护器件110例如齐纳二极管。但是，这种片上瞬时保护器件不具有有效地驱散大的瞬时事件的足够能力。分立的和片上的瞬时保护器件通常都具有过量的固有电容，这使得这种器件不适合于在高速应用中使用。分立的和片上的瞬时保护器件的主要保护机制都是通过不期望的瞬时能量到热量的转变。因此，大的瞬时幅值和/或重复地暴露于大的瞬时幅值可能导致过热，这又导致这种器件的性能退化。

图1B是在1B处截取的图1A的PCB 102的横截面150。横截面150显示PCB包括多层材料160。横截面150还显示保护环104、片上瞬时保护器件110、连接器106，以及分立保护器件108。

根据发明的某些实施方案，电压可转换电介质材料(也称作“VSDM”)可以用作瞬时保护材料。在过去，电压可转换电介质材料用来制造可使之变成导电的绝缘衬底。当导电时，电压可转换电介质材料经得起电化学处理例如用于制造导电轨道的电镀。这种方法由美国专利6,797,145号公开。因此，美国专利6,797,145号公开了电压可转换电介质材料用作为了制造导电轨道可使之变成导电的绝缘衬底，美国专利6,679,145号简要地建议使用电压可转换电介质材料作为瞬时保护材料。

因此，考虑到前述内容，需要瞬时保护的有效形式。

发明内容

在某些示例实施方案中，具有集成瞬时保护的印刷电路板(PCB)包括选择性地沉积在选自信号面、电源面、接地面或它们的任意组合的一个或多个面的一部分上的瞬时保护材料。选择性沉积的瞬时保护材料与该一个或多个面的任何一个中的导电材料接触，并且桥接PCB中的导电元件。

在某些实施方案中，作为非限制例子，选择性沉积的瞬时保护材料的不同沉积具有依赖于该沉积关于PCB上的瞬时敏感部件的位置以及依赖于瞬时敏感部件所需要的保护级别的可变特性。

使用这种选择性沉积的瞬时保护材料以将过电流引导到接地、信号或电源分布面的一个优点在于这种分布面担当散热器(heatsink)，从而改善PCB上的瞬时敏感电子部件的退化。

在阅读下面的说明书以及研究几个附图之后，这里所公开的这些和其他实施方案及其他特征对于本领域技术人员将变得明白。

附图说明

图1A是说明由导电保护环保护的印刷电路板的示意图；

图1B是在1B处截取的图1A的PCB 102的横截面；

图2是说明需要瞬时保护的电路的两个接触区之间的聚合物区的示意图；

图3A是说明由嵌入的瞬时保护材料提供的箝压的曲线；

图3B是说明根据某些实施方案的用于限制电压水平的瞬时保护材料的布置的示意图；

图4A是说明由选择性沉积的瞬时保护材料提供的电流箝制的曲线；

图4B是说明根据某些实施方案的用于限制电流水平的瞬时保护材料的布置的示意图；

图5A是说明通过使用选择性沉积的瞬时保护材料接触电路轨道的一部分而对电路轨道瞬时保护的示意图；

图5B是说明不受选择性沉积的瞬时保护材料保护的区域的不安全电压水平以及受到选择性沉积的瞬时保护材料保护的区域的箝压水平的曲线；

图6是说明选择性地沉积在分布面的导电部分之间的或沉积在涂敷于PCB的相同层上的分布面之间的瞬时保护材料的框图；

图7是说明选择性地沉积在涂敷于PCB的相同层上的导电部分和贯孔焊盘之间的瞬时保护材料的框图；

图8A是说明选择性地沉积在导电部分例如导电面上铜材料的两个部分之间的瞬时保护材料的框图；

图8B是说明根据某些实施方案的用于限制电压水平的瞬时保护材料的布置的示意图；

图9A是说明存在贯孔焊盘的跨越贯孔反焊盘选择性地沉积的瞬时保护区的框图；

图9B是说明根据某些实施方案的用于限制电压水平的瞬时保护材料的布置的示意图；

图10A是说明不存在贯孔焊盘的跨越贯孔反焊盘选择性地沉积的瞬时保护区的框图；

图10B是说明根据某些实施方案的用于限制电压水平的瞬时保护材料的布置的示意图；

具体实施方式

根据某些实施方案，可以通过在PCB叠层中选择性地沉积瞬时保护材料而建立瞬时保护。这种选择性沉积的瞬时材料在这里称作瞬时保护材料。瞬时保护材料是包含基础聚合物的电压可转换电介质材料，而基础聚合物包括硅橡胶、环氧树脂、聚酰亚胺、聚四氟乙烯，以及其他聚合物，它们在稳态时是电介质但是当受某个级别的电压或电流激发时变成导电的。瞬时保护材料可以是可用于保护PCB上的部件的并且可沉积在PCB叠层中的一个或多个材料层上不管是在叠层的外表面还是在叠层的内层上的任何形状的形式。此外，给定PCB叠层中的选择性沉积的瞬时材料可以依赖于叠层上的沉积瞬时材料的位置而具有不同的性质。

图2是说明需要瞬时保护的电流的两个接触区A和C之间的聚合物区(瞬时保护区)的示意图。在图2中，符号B表示选择性沉积的嵌入瞬时保护材料的区域。在图2中，区域A和区域B示意地表示瞬时保护聚合物连接到需要防护过电流或过电压的电路的两个接触区。区域A、B和C是给定的PCB叠层中的体积区而不是分立的点。

根据某些实施方案，选择性沉积的瞬时保护材料以双向方式工作，因为材料具有箝制正和负瞬时的能力。图3A是说明由选择性沉积的瞬时保护材料提供的箝压的曲线。提供双向保护的选择性沉积的瞬时保护材料的电阻以图3A中所示的方式响应于外加电压而改变。

在图3A中，用曲线302的斜率来表示电阻。陡峭的斜率对应于高的电阻。类似地，浅的斜率对应于低的电阻。在正常工作期间，瞬时保护区所经历的电压是低的，并且相应的电阻是高的。但是，当瞬时保护区遭遇高的瞬时电压事件时，瞬时保护聚合物材料的电阻降低，从而允许更多电流流过瞬时保护区。瞬时保护区的电阻的降低通过箝制瞬时电压而将瞬时电压的最大振幅限制到安全水平，同时将与该瞬时电压关联的电流重定向到附近的低阻抗参考平面区。如本领域技术人员众所周知的，低阻抗参考平面区在大部分情况中是底盘接地面，但也可以是配电面、信号面、V接地面、模拟接地面、数字接地面，或低电压配电面。

图3B是说明根据某些实施方案的用于限制电压水平的瞬时保护材料的布置的示意图。图3B显示瞬时保护材料308并联地布置在导电材料304和低阻抗参考面306之间。

图4A是说明由选择性沉积的瞬时保护材料提供的电流箝制的曲线。在图4A中，用曲线402的斜率来表示电阻。陡峭的斜率对应于高的电阻。类似地，浅的斜率对应于低的电阻。在正常工作期间，瞬时保护区的电阻是低的。但是，当瞬时保护区遭遇高的瞬时电流时，瞬时保护聚合物材料的电阻增加，从而允许更少电流流过瞬时保护区。因此，瞬时保护区的电阻的增加将峰电流限制到安全水平。

图4B是说明根据某些实施方案的用于限制电流水平的瞬时保护材料的布置的示意图。图4B显示瞬时保护材料404串联地布置在信号面405中。

当跨越PCB选择性地沉积瞬时保护材料时，可以在该PCB中包含许多保护点。图5A是说明通过使用选择性沉积的瞬时保护材料接触电路轨道的一部分而对电路轨道瞬时保护的示意图。图5A显示PCB区500、受害电路504、受害电路参考506，以及嵌入的保护区508。为了解说的目的，假设瞬时电压502在受害电路504处进入PCB区500。瞬时保护区508包含在互连的中间。当瞬时保护区508遭遇瞬时502时，瞬时保护区508工作以将峰值电压箝制到安全水平。因瞬时电压502导致的任何过高水平的电流被分路到可以是接地面或电源面等的受害电路参考。换句话说，与瞬时事件关联的过电流重定向到低阻抗的参考面。

图5B是说明不受选择性沉积的瞬时保护材料保护的区域的不安全电压水平以及受选择性沉积的瞬时保护材料保护的区域的箝压水平的曲线。图5B显示电压沿着垂直轴509a以及电流在水平轴509b上的曲线。当瞬时电压例如瞬时电压502进入PCB时，电压水平处于不安全的水平510。但是，当瞬时电压遭遇瞬时保护区例如瞬时保护区508时，电压被箝制到安全的水平512。

PCB中的瞬时保护材料的使用涉及两个主要方面。首先，需要将瞬时保护材料最优地布置在PCB叠层中。其次，必须添加用于将沉积的VSDM或瞬时保护材料连接到电路的导电轨道和贯孔几何。

根据某些实施方案，瞬时保护材料可以选择性地沉积在积层或核芯的表面上。可以通过例如丝网印刷、漏印、针滴或喷墨打印来实现瞬时保护材料的选择性沉积。这种选择性沉积方法将沉积指定体积和几何的VSDM或瞬时保护材料，随后使用适当的固化方法进行固化。不同执行的聚合物的沉积可以沉积在PCB中的相同层或不同层上。因为沉积是选择性的，所以需要减少量的材料，从而导致成本节省。图6和图7中所示的结构的制造技术可以根据实施而改变。

图6和图7说明包括选择性沉积的瞬时保护材料的至少一个区域的结构。图6是说明选择性地沉积在分布面的导电部分之间的或沉积在涂敷于PCB的相同层上的分布面之间的瞬时保护材料的框图。图6显示其上选择性地沉积瞬时保护材料604的导电材料层602。图6还显示电介质材料层606。

图7是说明选择性地沉积在涂敷于PCB的相同层上的导电部分和贯孔焊盘之间的瞬时保护材料的框图。图7显示选择性地沉积在导电部分702例如铜材料以及导电面上的贯孔焊盘706之间的瞬时保护材料704。导电面布置在电介质材料708上。可以以多种方式堆叠图7和8A的结构，使得选择性沉积的瞬时保护材料可以在PCB叠层的表面上或在叠层的内层中。

图8A是说明选择性地沉积在导电部分例如导电面上铜材料的两个部分之间的瞬时保护材料的框图。特别地，图8A显示包括选择性地沉积在导电层804和808之间的瞬时保护聚合物802的瞬时保护区的横截面。图8A还显示电介质材料层806。图8A还显示VSDM或瞬时保护材料分别接触导电箔804和808的接触区A和C。图8A的结构可以为两个导电区彼此相邻并且由非导电区分隔的多种电路拓扑提供瞬时保护。这种区域通过PCB制造领域中众所周知的常规工艺例如光刻成像和化学刻蚀来形成，但是也可以通过其他方法例如激光直接成像或激光加工来形成。电路拓扑的例子包括但不限于嵌入到分布层中的传输线结构。其他非限制例子包括槽线、共面波导、边缘耦合差分对传输线以及分隔分布面中不同接地和电源区的非导电区的沟槽。

图8B是说明用于限制电压水平的VSDM或瞬时保护材料的布置的图8A的示意图。特别地，图8B说明导电箔804与导电箔808相邻的电路。VSDM或瞬时保护材料802被沉积，以桥接在导电箔804和808之间。

图9A是说明存在贯孔焊盘的跨越贯孔反焊盘选择性地沉积的瞬时保护区的框图。反焊盘和贯孔焊盘在其中选择性地沉积VSDM或瞬时保护材料的接地面中(但不限于接地面)形成环形。可以通过使用对于PCB制造很普通的印刷和刻蚀工艺在铜包积层芯上形成这种几何。铜包积层芯在这里也称作芯层结构。包铜积层芯可以用树脂注入、无规(random)玻璃或纤维复合物例如Dupont Thermount来进行玻璃加固，或者它可以是基于膜的材料例如Dupont Kapton。贯孔焊盘区和反贯孔区可以涂敷有贵金属或其他沉积物，以减小铜和VSDM界面之间的接触电阻。图9A显示桥接存在贯孔焊盘908的贯孔结构906的反焊盘区904的瞬时保护区902的横截面。图9A还显示瞬时保护材料分别接触贯孔焊盘908和导电材料912的接触区A和C。这种结构可以用来为多种电路拓扑提供瞬时保护，其中要保护的电路的导电部分途经PCB叠层的内层之间，或者要保护的电路的导电部分在PCB叠层中与瞬时保护区不同的层上。然后，具有选择性沉积的VSDM或瞬时保护材料的每个芯层结构可以使用本领域众所周知的常规技术层积到印刷电路板中。从而，将VSDM或瞬时保护材料嵌入到PCB叠层中。通孔可以钻入到PCB叠层中。通孔可以电镀上铜。可以制造外电路，以连接其上可以随后装配并连接到嵌入的瞬时保护元件的敏感部件的焊盘上。

图9B是说明用于限制电压水平的VSDM或瞬时保护材料的布置的图9A的示意图。特别地，图9B说明导电箔912与贯孔焊盘908相邻的电路。VSDM或瞬时保护材料902被沉积，以桥接在导电箔912与贯孔焊盘908之间的区域。

图10A是说明不存在贯孔焊盘的跨越贯孔反焊盘选择性地沉积的瞬时保护区的框图。图10A显示桥接不具有贯孔焊盘的贯孔结构1006的反焊盘区1004的瞬时保护区1002的横截面。这种结构可以用来为不存在非功能焊盘的电路提供瞬时保护。

图10B是说明用于限制电压水平的VSDM或瞬时保护材料的布置的图10A的示意图。特别地，图10B说明导电箔1012与贯孔结构1006相邻的电路。VSDM或瞬时保护材料1002被沉积，以桥接在导电箔1012与贯孔结构1006之间。

在芯层结构的某些实施方案中，电介质厚度小于大约4密耳。如果在电介质的一侧上的导电箔是接地面，并且在该电介质的相对侧上的导电箔是电源面，那么芯层结构具有嵌入的分布电容以及选择性瞬时保护的额外优点。另一个优点是通过使电源导电层更接近于接地导电层而导致平面电感的减小。换句话说，当电介质层变得更薄时，电容增加并且电感减小。通过增加电容以及减小电感，产生了更安静的配电系统，这又允许更高频率下的更纯净信号。还可以从PCB的表面上去除一些部件例如分立的电容器，从而降低成本。

在该嵌入的平面电容器中产生的电容的量依赖于复合物中所使用的瞬时保护材料和电介质的介电常数，电源-接地导电层对的平面面积，以及复合物的厚度。由该结构产生的电容的量可以计算为：

$C=\frac{0.2244{\mathrm{\ϵ}}_{r}A}{d}$

其中

C＝以皮法拉为单位的电容

A＝以平方英寸为单位的面积

ε_r＝相对介电常数

d＝以英寸为单位的电介质厚度

应当注意这里所示例的导电材料厚度的范围、树脂和瞬时保护材料的类型，以及电介质材料中加固或未加固的存在也适用于具有瞬时保护的嵌入分布电容器。

在前面的说明书中，已经参考可以根据实施而改变的许多具体细节描述了方面的实施方案。因此，说明书和附图应当理解为说明性的，而不是限制性的。

Claims (22)

1.一种具有集成瞬时保护的印刷电路板，该印刷电路板包括：

选择性地沉积在选自信号面、电源面、接地面中的一个或多个面的一部分上的瞬时保护材料，并且其中所述选择性沉积的瞬时保护材料与所述一个或多个面中的任何一个中的导电材料接触。

2.根据权利要求1的具有集成瞬时保护的印刷电路板，其中所述瞬时保护材料沉积在环形、闭合曲线和多边形中的一个或多个中。

3.根据权利要求1的具有集成瞬时保护的印刷电路板，其中所述瞬时保护材料包括VSDM和可复位非线性聚合物中的至少一种，它们具有防护过电压和过电流中的至少一个的性质。

4.根据权利要求1的具有集成瞬时保护的印刷电路板，其中所述瞬时保护材料以双向方式工作，以便箝制电流或电压中的正和负瞬态。

5.根据权利要求1的具有集成瞬时保护的印刷电路板，其中所述瞬时保护材料桥接导电材料和贯孔焊盘之间的区域，其中所述导电材料和所述贯孔焊盘在所述一个或多个面中的任何一个上。

6.根据权利要求1的具有集成瞬时保护的印刷电路板，其中所述瞬时保护材料桥接导电材料和导电贯孔桶的一部分之间的区域，其中所述导电材料和所述导电贯孔桶的一部分在所述一个或多个面中的任何一个上。

7.根据权利要求1的具有集成瞬时保护的印刷电路板，其中所述导电材料包括具有3微米～10密耳厚度的铜。

8.根据权利要求1的具有集成瞬时保护的印刷电路板，其中所述瞬时保护材料具有依赖于与所述印刷电路板上的敏感部件的接近程度的可变特性。

9.一种制作具有集成瞬时保护的印刷电路板的方法，该方法包括：

印刷和刻蚀包括树脂注入的玻璃纤维布、无规纤维和膜材料中的任何一种的铜包芯材料；

在选自信号面、电源面和接地面中的一个或多个面的一部分上选择性地沉积瞬时保护材料，并且其中所述选择性沉积的瞬时保护材料与所述一个或多个面中的任何一个上的导电材料接触；以及

将所述铜包芯层积到多层PCB结构中，并且完成所述PCB的制造工艺，包括：钻孔、沉积导电种子、成像、电镀、刻蚀外层铜，以形成连接到选择性沉积的瞬时保护材料的元件的部件安装焊盘。

10.根据权利要求9的方法，其中所述瞬时保护材料以环形、闭合曲线和多边形中的一种或多种而沉积。

11.根据权利要求9的方法，其中所述瞬时保护材料包括可复位非线性聚合物和VSDM中的至少一种，它们具有防护过电压和过电流的性质。

12.根据权利要求9的方法，其中所述瞬时保护材料以双向方式工作，以便箝制电流或电压中的正和负瞬态。

13.根据权利要求9的方法，其中所述瞬时保护材料桥接导电材料和贯孔焊盘之间的区域，其中所述导电材料和所述贯孔焊盘在所述一个或多个面中的任何一个上。

14.根据权利要求9的方法，其中所述瞬时保护材料桥接导电材料和导电贯孔桶的一部分之间的区域，其中所述导电材料和所述导电贯孔桶的一部分在所述一个或多个面中的任何一个上。

15.根据权利要求9的方法，其中所述导电材料包括铜，并且其中所述瞬时保护材料接触所述铜的区域涂敷有贵金属，以减小或控制接触电阻。

16.一种具有集成瞬时保护的系统，该系统包括：

具有长度、宽度和横截面积的多层印刷电路板；

所述多层印刷电路板的一个或多个层上的多个电子部件，其中所述多层印刷电路板包括至少一个信号区、至少一个电源区、以及至少一个接地区；以及

选择性地沉积在所述一个或多个层或区的一部分上的瞬时保护材料，其中所述选择性沉积的瞬时保护材料与所述一个或多个层或区的任何一个中的导电材料接触。

17.一种具有集成瞬时保护的平面分布电容结构，该平面分布电容结构包括：

具有长度、宽度和横截面积的多个层，所述多个层包括至少一个子复合结构，其中所述子复合结构包括瞬时保护材料和至少两个导电材料层，并且具有至少每平方英寸100皮法拉的电容。

18.根据权利要求17的平面分布电容结构，还包括具有0.1密耳～4密耳的厚度的至少一个电介质材料层。

19.根据权利要求17的平面分布电容结构，其中所述瞬时保护材料选择性地沉积在所述子复合结构的一部分中，并且与所述两个导电材料层的至少一个接触。

20.一种具有集成瞬时保护的系统，该系统包括：

具有长度、宽度和横截面积的多层平面分布电容结构；

在所述多层平面分布电容结构的一个或多个层上的多个电子部件；以及

其中所述多层平面分布电容结构包括至少一个子复合结构，其中所述子复合结构包括瞬时保护材料和至少两个导电材料层，并且具有至少每平方英寸100皮法拉的电容。

21.根据权利20的系统，还包括具有0.1密耳～4密耳的厚度的至少一个电介质材料层。

22.根据权利20的系统，其中所述瞬时保护材料选择性地沉积在所述子复合结构的一部分中，并且与所述两个导电材料层的至少一个接触。

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