DE10297325T5

DE10297325T5 - Spannungsveränderliches Trägermaterial

Info

Publication number: DE10297325T5
Application number: DE10297325T
Authority: DE
Inventors: Edwin James Deerfield Harris IV
Original assignee: Littelfuse Inc
Current assignee: Littelfuse Inc
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2004-12-23
Also published as: JP2005506688A; US7258819B2; US20030071245A1; WO2003032335A1

Abstract

Spannungs-variables Substrat umfassend:
ein selbsttragendes, härtbares, isolierendes Bindemittel, das einen anfänglichen nicht-festen Zustand und einen gehärteten festen Zustand aufweist; und
leitende, während des nicht-festen Zustands in das Bindemittel imprägnierte Teilchen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Schaltungssicherungen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein verbessertes Spannungs-veränderliches/-variables Material ("VVM").
Elektrische Überlastungsimpulse ("EOS-Impulse") erzeugen starke elektrische Felder und hohe Spitzenleistungen, die Schaltungen oder die hoch empfindlichen elektrischen Bestandteile in den Schaltungen vorübergehend oder permanent funktionslos machen können. EOS-Impulse können Spannungsstöße oder Strombedingungen umfassen, die den Betrieb des Schaltkreises unterbrechen oder die Schaltung völlig zerstören können. EOS-Impulse können beispielsweise aus einem elektromagnetischen Puls, einer elektrostatischen Entladung, durch Blitz, einem Aufbau statischer Elektrizität entstehen, oder können durch den Betrieb anderer elektronischer oder elektrischer Bestandteile induziert werden. Ein EOS-Impuls kann bis zu seiner maximalen Amplitude innerhalb einer Zeit von weniger als einer Nanosekunde bis Mikrosekunden entstehen und weist wiederholte Verstärkungsamplituden auf.
Die Spitzenamplitude der elektrischen Entladungsimpulswelle ("ESD-Ereignis") kann 25.000 Volt mit Strömen von mehr als 100 Ampere übersteigen. Es gibt einige Standards, die die Wellenform des EOS-Impulses definieren. Diese umfassen IEC 61000-4-2, ANSI-Richtlinien auf ESD (ANSI C63.16), DO-160 und FAA-20-136. Ebenso gibt es militärische Standards, wie MIL STD 883 Teil 3015.
Es gibt Spannungs-veränderliche Materialien ("VVM's") zur Absicherung gegen EOS-Impulse, die ausgelegt sind, schnell zu reagieren (d. h. Idealerweise bevor die Spannungswelle seine Spitze erreicht), um die übertragene Spannung auf einen viel geringeren Wert zu verringern und die Spannung für die Dauer des EOS-Impulses bei dem geringeren Wert festzuhalten. VVM's sind durch hohe elektrische Widerstandswerte bei niedrigen oder normalen Betriebsspannungen gekennzeichnet. Als Reaktion auf einen EOS-Impuls schalten die Materialien im Wesentlichen sofort auf einen geringen elektrischen Widerstandszustand. Wenn das ESD-Ereignis abgeschwächt ist, kehren diese Materialien auf ihren hohen Widerstandszustand zurück. Diese Materialien können zwischen den hohen und niedrigen Widerstandszuständen wiederholt hin und her schalten, was einen Schutz des Schaltkreises gegen mehrfache ESD-Ereignisse ermöglicht.
Bei Beendigung des ESD-Ereignisses gewinnen die VVM's im Wesentlichen ebenso augenblicklich ihren ursprünglichen hohen Widerstandswert zurück. In dieser Anmeldung wird der hohe Widerstandszustand als der "Aus-Zustand" und der niedrige Widerstandszustand als der "Ein-Zustand" bezeichnet. EOS-Materialien können Tausenden von ESD-Ereignissen widerstehen und kehren in den erwünschten Aus-Zustand zurück, nachdem sie einen Schutz gegenüber jedem der individuellen ESD-Ereignisse gewährt haben.
Schaltungs-/Schaltkreis-Bestandteile, bei denen EOS-Materialien eingesetzt werden, können einen Teil der Überschußspannung oder des Stroms, der auf den EOS-Impuls zurückzuführen ist, zur Erde verschieben, wodurch die elektrische Schaltung und deren Bestandteile gesichert werden. Der Hauptteil des Gefährdungsimpulses wird jedoch zu der Quelle der Gefährdung zurückgeworfen. Die zurückgeworfene Welle wird entweder durch die Quelle gedämpft/unterdrückt, weggestrahlt oder auf die Gefährdungssicherungseinrichtung wieder zurückgerichtet, die auf jeden wiederkehrenden Impuls reagiert, bis die Gefährdungsenergie auf ein sicheres Niveaus verringert ist.
Ein VVM zum Schutz vor elektrischer Überlastung ist in der US-P-6,251,513 B1 offenbart, die den Titel "Polymer Composites for Overvoltage Protection" trägt und dem vorliegenden Assignee übertragen wurde, wobei die Lehren dieser hier durch Bezugnahme mitaufgenommen ist. Andere Spannungs-veränderliche/-variable Materialien, deren Lehren hier durch Bezugnahme mitaufgenommen sind, schließen folgende ein.
Die US-P-2,273,704 , Grisdale erteilt, offenbart granulierte Composite, die nicht-lineare Strom/Spannungs-Beziehungen zeigen. Diese Gemische umfassen leitende und halbleitende Granulate, die mit einer dünnen isolierenden Schicht beschichtet und zusammengedrückt und zusammengeklebt sind, um einen kohärenten Körper bereitzustellen.
Die US-P-2,796,505 , Bocciarelli erteilt, offenbart ein nicht-lineares Spannungsregulierendes Element. Das Element umfasst Leiter-Teilchen, die isolierende Oxidoberflächenbeschichtungen aufweisen, die in einer Matrix gebunden sind. Die Teilchen weisen eine unregelmäßige Form auf und stellen miteinander Punktkontakt her.
Die US-P-4,726,991 , Hyatt erteilt, offenbart ein EOS-Schutzmaterial, das ein Gemisch von leitenden und halbleitenden Teilchen umfasst, deren Oberflächen alle mit einer isolierenden Oxidschicht überzogen sind. Diese Teilchen sind in einem isolierenden Bindemittel zusammen verbunden. Die beschichteten Teilchen befinden sich vorzugsweise miteinander in Punktkontakt und leiten vorzugsweise in einer quantenmechanischen Tunnelweise.
Die US-P-5,476,714 , Hyatt erteilt, offenbart EOS-Composit-Materialien, die Gemische von leitenden und halbleitenden Teilchen mit einer Größe im Bereich von 10 bis 100 Mikron enthalten. Die Materialien beinhalten zudem einen Anteil an isolierenden Teilchen mit einer Größe von 100 Angström. All diese Materialien sind in einem isolierenden Bindemittel zusammen verbunden. Diese Erfindung beinhaltet eine Abstufung von Teilchengrößen, so dass die Teilchen in der Zusammensetzung ein bevorzugtes Verhältnis zueinander einnehmen.
Die US-P-5,260,848 , Childers erteilt, offenbart Umschaltmaterialien mit einziehender Spannungskennlinie (Varistor), die einen Schutz vor Störimpuls-Überspannungen bereitstellen. Diese Materialien umfassen Mischungen von leitenden Teilchen in einem Bereich von 10 bis 200 Mikrometer. In diesen Zusammensetzungen werden weiter Halbleiter- und isolierende Teilchen eingesetzt. Der Abstand zwischen leitenden Teilchen beträgt mindestens 1000 Angström.
Weitere polymere Composit-EOS-Materialien werden auch in den US-P-4,331,948 ; 4,726,991 ; 4,977,357 ; 4,992,333 ; 5,142,263 ; 5,189,387 ; 5,294,374 ; 5,476,714 ; 5,669,381 und 5,781,395 offenbart, wobei deren Lehren hier spezifisch durch Bezugnahme mitaufgenommen werden.
Diese bekannten, Spannungs-veränderlichen/-variablen Materialien sind besonders zur Sicherung von Datenübertragungssignalen geeignet. Das Wachstum bei der Datenkommunikations- und Telekommunikations-Industrie hat eine Unzahl von Möglichkeiten für diese Materialien geliefert. Eine Beschränkung, die die bekannten VVM's vom Ausschöpfen ihres vollen Potentials abhält, besteht darin, dass sie in ihrem Aufbau/Ausführung nicht freistehend sind. Das heißt, die Materialien werden typischerweise auf ein Substrat aufgebracht, das dann mit einem Nutzpunkt, gewöhnlich einer Leiterplatte ("PCB"), elektrisch verbunden wird. VVM- Anwendungen sind daher auf das kleinst-mögliche Substrat beschränkt, das eine Menge von VVMs hält oder unterstützt, das jedoch zu groß sein kann, die falsche Form oder den falschen Aufbau für bestimmte Anwendungen haben kann, beispielsweise für bestimmte integrierte Schaltungen mit kleinem Rastermaß (Eine pitch integrated circuit).
Es besteht daher ein Bedarf, eine flexiblerere und platzsparende Art und Weise bereitzustellen, um Spannungs-veränderliche/-variable Materialien zu verwenden. Es besteht ein Bedarf nach einem freistehenden, Spannungs-veränderlichen Material, um so den Bedarf für ein Trägersubstrat oder eine Tochterkarte zu beseitigen. Es besteht weiter ein Bedarf nach einem Weg, VVM's in Anwendungen elektrisch zu verbinden, die keine passende Stelle bereitstellen, das Trägersubstrat zu befestigen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Spannungs-veränderliches/-variables Material ("VVM") bereit.
Die vorliegende Erfindung stellt insbesondere ein verbessertes Leiterplattensubstrat bereit, eine verbesserte Einrichtung mit Schutz für Schaltungen, ein verbessertes Datenkommunikations-Kabel mit Schutz für Schaltungen und ein Verfahren für Masse erzeugende Einrichtungen bereit, bei denen das erfindungsgemäße VVM-Substrat eingesetzt wird. Das VVM-Substrat beseitigt den Bedarf für eine dazwischengeschaltete Tochter- oder Trägerplatte durch Imprägnieren leitender Teilchen und ggf. halbleitender und/oder isolierender Teilchen, die mit bekannten Spannungs-veränderlichen Materialien in dem mit bekannten Leiterplattenmaterialien assoziiertem Lack oder dem Epoxidharz verbunden sind,
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die Teilchen in einem bekannten starren FR-4 Substrat imprägniert. Das FR-4/VVM-Substrat schließt vorzugsweise eine Maschenfaser ein, beispielsweise verwebtes oder nicht-verwebtes Glas, das mit Epoxidharz beschichtet ist, welches mit Teilchen, die Spannungs-veränderliche Eigenschaften aufweisen beladen ist. Das R-4/VVM-Substrat ist starr und kann übereinander angeordnet werden, um eine Mehrschicht-Leiterplatte zu bilden.
In einer anderen Ausführungsform werden die VVM-Teilchen in ein flexibles Schaltungsmaterial, beispielsweise Kapton^®, imprägniert. Das FLEX-Schaltung/VVM-Substrat bietet gegenüber dem starren FR-4NVM-Substrat Flexibilität. Andere Leiterplatten-Ausführungsformen werden nachstehend erläutert.
In einer weiteren Ausführungsform wird das VVM-Substrat als eine getrennte Einrichtung verwendet. Die Einrichtung schließt mehrere Elektroden ein, die entweder auf der gleichen Seite des Substrats oder auf den abgewandten Seiten des Substrats angeordnet sein können.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann das VVM-Substrat in verschiedene Formen zum Verbinden zu und Bereitstellen von Überlastungssicherung an mindestens zwei Elektroden gespritzt sein. So kann beispielsweise das VVM-Substrat zusammen mit der Leiterbahn dem Leiter eines Koaxialkabels gespritzt sein, wobei die Leiterbahn eine erste Elektrode bereitstellt und ein Folienschild des Kabels eine zweite Elektrode bereitstellt.
Zu diesem Zweck wird in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ein Spannungsveränderliches Materialsubstrat bereitgestellt. Das Substrat schließt ein selbsttragendes, härtbares isolierendes Bindemittel ein, der einen anfänglichen Flüssigzustand und einen gehärteten Festzustand aufweist. Die leitenden Teilchen werden in das Bindemittel imprägniert, während das Bindemittel sich im Flüssigzustand befindet.
Die vorliegende Erfindung umfasst mehrere unterschiedliche Typen leitender Teilchen. In einer Ausführungsform weisen die leitenden Teilchen eine spezifische Leitfähigkeit auf, die größer als 10 (Ohm-cm)^–1 ist. In einer anderen Ausführungsform schließen die leitenden Teilchen ein Material ein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Nickel, Ruß, Aluminium, Silber, Gold, Kupfer und Graphit, Zink, Eisen, nichtrostender Stahl, Zinn, Messing und Legierungen davon und leitende organische Materialien, wie von sich aus leitende Polymere.
In einer Ausführungsform umfasst das härtbare Bindemittel ein Epoxidharz. In einer Ausführungsform umfasst das härtbare Bindemittel ein Maschengewebe und ein Epoxidharz, das das Maschengewebe imprägniert. Das Maschengewebe kann ver-/gewebte oder nichtver-/gewebte Glasfaser sein.
Das Spannungs-variable Materialsubstrat kann weiter halbleitende Teilchen umfassen, die mit den leitenden Teilchen und dem härtbaren Bindemittel vermischt werden, während sich das Bindemittel in dem Flüssigzustand befindet. Das Substrat kann noch weiter, halbleitende Teilchen und isolierende Teilchen einschließen, die mit den leitenden Teichen und dem härtbaren Bindemittel vermischt werden, während sich das Bindemittel in dem Flüssigzustand befindet. Darüber hinaus können die isolierenden Teilchen mit den leitenden Teilchen und dem härtbaren Bindemittel vermischt werden, während dieses sich in seinem Flüssigzustand befindet.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Spannungs-variable Einrichtung bereitgestellt. Die Einrichtung enthält Spannungs-variables Material ("VVM"), das ein selbsttragendes und härtbares isolierendes Bindemittel und leitende Teilchen aufweist, die in dem Bindemittel imprägniert werden. Eine erste Elektrode wird an das VVM angebracht. Eine zweite Elektrode wird ebenso an das VVM angebracht und derart angeordnet, um nicht mit der ersten Elektrode in Kontakt zu stehen. Der elektrische Widerstand zwischen den ersten und zweiten Elektroden ändert sich bei einer elektrischen Entladung.
In einer Ausführungsform werden die ersten und zweiten Elektroden an einer einzigen Oberfläche des VVM angebracht. In einer anderen Ausführungsform werden die ersten und zweiten Elektroden auf verschiedenen Oberflächen des VVM angebracht. In einer weiteren Ausführungsform werden mehrere nicht-in Kontakt stehende Elektroden auf einer einzigen Oberfläche des VVM angebracht. In noch einer weiteren Ausführungsform werden mehrere nicht-in-Kontakt stehende Elektroden auf mehreren Oberflächen des VVM angebracht.
In einer Ausführungsform wird ein Paar abgewandter Enden des VVM jeweils an einen Anschluss angebracht, worin die Anschlüsse mit einer Elektrode elektrisch verbunden sind. In einer Ausführungsform werden die Anschlüsse in einer Standard oberflächenmontierten Packungsgröße zusammengestellt. In einer Ausführungsform werden die Anschlüsse Blei-Zinn plattiert.
In einer Ausführungsform ist die erste Elektrode ein Leiter eines Kabels und die zweite Elektrode ein Schild für das Kabel. In einer Ausführungsform umfasst mindestens eine der Elektroden Nickel plattiertes Kupfer.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Spannungs-variable Einrichtung bereitgestellt. Die Einrichtung schließt ein Spannungs-variables Material ("VVM") ein, das ein selbsttragendes und härtbares isolierendes Bindemittel und leitende Teilchen einschließt, die in dem Bindemittel imprägniert werden. Eine erste Elektrode wird an das VVM angebracht. Eine zweite Elektrode wird an dem VVM angebracht, so dass zwischen den ersten und zweiten Elektroden eine Lücke besteht. Eine Schutzschicht bedeckt die Lücke.
In einer noch anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung Spannungs-variabler Einrichtungen bereitgestellt. Eine Lage eines Spannungsvariablen Materials ("VVM") wird hergestellt, das ein selbsttragendes und härtbares isolierendes Bindemittel und leitende Teilchen aufweist, die in dem Bindemittel imprägniert werden. Die VVM-Lage wird mit einer leitenden Schicht beschichtet. Eine Lücke wird in die leitende Schicht geätzt. Ein Paar paralleler Schlitze wird in der Lage gebildet, so dass sich die Lücke in einen Bereich zwischen dem von Schlitzen ausdehnt. Die Lücke wird in dem Bereich zwischen den Schlitzen maskiert, wodurch, benachbart zu den Schlitzen, Anteile des Bereichs in einem nicht-maskierten Zustand bleiben. Die nicht-maskierten Anteile werden mit einer lötbaren Substanz plattiert. Der Bereich wird dann in mehrere Einrichtungsformen zerlegt.
Das Verfahren umfasst Beschichten beider Oberflächen der Lage mit einer leitenden Schicht, Ätzen einer Lücke in beiden leitenden Schichten, Maskieren beider Lücken unter Erhalten nicht-maskierter Anteile auf beiden Oberflächen, und Plattieren der nichtmaskierten Anteile beider Oberflächen mit der lötbaren Substanz.
In einer Ausführungsform ist die leitende Schicht eine erste leitende Schicht, die mit einer zweiten leitenden Schicht beschichtet wird. In einer Ausführungsform ist die erste leitende Schicht Kupfer und die zweite leitende Schicht Nickel.
Das Verfahren umfasst Aufbringen einer Kupfer-Schicht vor dem Maskieren der Lücke, durch chemisches Aufbringen auf die Lage. In einer Ausführungsform schließt Beschichtung der nicht-maskierten Anteile mit einer lötbaren Substanz, Beschichten eines nicht-maskierten Anteils der chemisch aufgebrachten Kupfer-Schicht mit einer Nickel-Schicht, gefolgt von einer Blei-Zinn-Schicht, ein.
Das Verfahren umfasst Abziehen der Maske von der Lage und chemisches Ätzen der chemisch aufgebrachten Kupfer-Schicht ein, wodurch die Lücke bloßgelegt wird, nach dem Plattieren der nicht-maskierten Anteile mit einer lötbaren Substanz. Das Verfahren schließt Ausbringen einer Schutz-Schicht auf die bloßgelegte Lücke ein.
Ein erfindungsgemäßer Vorteil besteht daher darin, ein Spannungs-variables Material ("VVM") bereitzustellen, das in ein Substrat imprägniert wurde.
Ein anderer erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin ein VVM-Substrat bereitzustellen, das als Leiterplatte arbeitet.
Noch ein anderer erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin, ein VVM-Substrat bereitzustellen, das als eine getrennte Einrichtung arbeitet.
Noch ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin, ein VVM-Substrat bereitzustellen, dass in eine erwünschte Zusammenstellung/Konfiguration gespritzt wurde.
Noch ein anderer erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin ein VVM-Substrat bereitzustellen, das entlang einem Leiter von einem Datenkommunikationskabel gespritzt wurde.
Ein noch weiterer erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin, ein Verfahren zur Massenherstellung von VVM-Substrateinrichtungen bereitzustellen.
Weitere erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und den Zeichnungen beschrieben und sind daraus ersichtlich.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Einrichtung, in der das erfindungsgemäße Spannungs-variable Material ("VVM")-Substrat verwendet wird;
2 ist ein schematisches Ansichtsdiagramm, das einen Kupferplattierungsschritt eines Verfahrens zur Massenherstellung der Einrichtung von 1 erläutert;
3 ist ein schematisches Ansichtsdiagramm, das einen Lückenätzschritt eines Verfahrens zur Massenherstellung der Einrichtung von 1 zeigt;
4 ist ein schematisches Ansichtsdiagramm, das einen Nickelplattierungsschritt eines Verfahrens zur Massenherstellung der Einrichtung von 1 erläutert;
5 ist ein schematisches Ansichtsdiagramm, das eine schlitzbildenden Schritt eines Verfahren zur Massenherstellung der Einrichtung von 1 erläutert;
6 ist ein schematisches Ansichtsdiagramm, das einen chemischen Kupfer-Aufbringungsschritt eines Verfahrens zur Massenherstellung der Einrichtung von 1 zeigt.
7 ist ein schematisches Ansichtsdiagramm, das einen Ätzpaste-Aufbringschritt eines Verfahrens zur Massenherstellung der Einrichtung von 1 zeigt;
8 ist ein schematisches Ansichtsdiagramm, das einen Nickelplattierungs-Anschlussschritt eines Verfahrens zur Massenherstellung der Einrichtung von 1 zeigt.
9 ist ein schematisches Ansichtsdiagramm, das einen Blei-Zinn-Anschlussschritt eines Verfahrens zur Massenherstellung der Einrichtung von 1 zeigt;
10 ist ein schematisches Ansichtsdiagramm, das einen Ätzpasten-Abziehschritt eines Verfahrens zur Massenherstellung der Einrichtung von 1 erläutert.
11 ist ein schematisches Ansichtsdiagramm, das einen Ätzschritt zum Entfernen der chemisch aufgebrachten Kupferschicht eines Verfahrens zur Massenherstellung der Einrichtung von 1 zeigt;
12 ist ein schematisches Ansichtsdiagramm, das einen Schutzschicht-Aufbringungsschritt eines Verfahrens zur Massenherstellung der Einrichtung von 1 zeigt.
13 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Anwendung eines Koaxialkabels für das erfindungsgemäße VVM-Substrat.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Spannungs-variable Material ("VVM") ist selbsttragend und selbststehend. D. h., dass das VVM nicht auf einer Träger- oder Tochterplatte eingesetzt werden muss und dass das erfindungsgemäße Substrat nicht eine separate Menge eines Spannungs-variablen Materials unterstützen muss. Daher kann das VVM in kleinen Mengen hergestellt werden, beispielsweise für Anwendungen in einer 0402 Packungsgröße. Das VVM ist dadurch gekennzeichnet, dass es entweder starr oder halbstarr ist. Wichtig ist, dass das erfindungsgemäße VVM eine strukturelle Integrität aufweist, die ausreicht, um alle Typen elektrischer Bestandteile direkt an das VVM zu befestigen, einschließlich jedoch nicht beschränkt auf, Elektroden, Leiterplattenspuren, Widerstände, Kondensatoren, integrierte Schaltungen, Verbinder und dergleichen. Die vorliegende Erfindung umfasst Anteile von oder die gesamte Leiterplatte, die eine oder mehrere Schichten des erfindungsgemäßen VVM-Substrats aufweisen. D. h., dass das erfindungsgemäße VVM-Substrat jede Länge und Breite aufweisen kann, die Leiterplatten ("PCB's") aufweisen können und eine ESD-Sicherung für viele an dem VVM-Substrat befestigte Bestandteile bereitstellt. Da für das VVM-Substrat ein bekanntes Verfahren zur Herstellung eines PCB-Substrats verwendet wird, beispielsweise Imprägnieren eines Maschengewebes mit Epoxidharz, kann das VVM-Substrat in jeder gewerblich erhältlichen PCB-Substratdicke hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße VVM umfasst leitende Teilchen. In einer Ausführungsform werden in dem VVM leitende Teilchen kleiner Teilchengröße verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform werden in dem VVM leitende und halbleitende Teilchen eingesetzt. In einer weiteren Ausführungsform werden in dem VVM leitende und isolierende Teilchen eingesetzt. In einer noch weiteren Ausführungsform werden in dem VVM alle drei Teilchen, leitende, halbleitende und isolierende eingesetzt. In jeder dieser Ausführungsformen werden die Teilchen in einem der frei-stehenden oder selbsttragenden isolierenden Bindemittel dispergiert, die unter Verwendung von Standardmischverfahren beschrieben werden.
Die erfindungsgemäßen selbsttragenden isolierenden Bindemittel schließen jedes bekannte Laminat zur Herstellung von Leiterplatten ein. In jedem der nachstehend beschriebenen Laminatausführungsformen kann das erfindungsgemäße Bindemittel eine hohe Durchschlagstärke, einen hohen reziproken Wert der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit und hohe Kriechstromfestigkeit aufweisen.
In einer Ausführungsform umfasst das Bindemittel ein bekanntes FR-4 Einzel- oder Mehrschicht-Schichtlaminat ein. Bei dem erfindungsgemäßen VVM-Material sind dem FR-4-Bindemittel leitende Teilchen und alternativ halbleitende und/oder isolierende Teilchen hinzugefügt. Diese verschiedenen Teilchentypen werden nachstehend ausführlich erläutert. In dieser Ausführungsform werden die Teilchen einem Flüssiglack, bevor er aushärtet, zugegeben. Der Lack schließt einen oder eine Kombination von Epoxidharzen ein, die aushärtende Harze, ungesättigte Polyesterharze, Polyimidharze, phenolische Harze oder Epoxidharze sein können, die feuersichere Mittel aufweisen. Der Lack, kann angepasst sein, andere Zusätze wie Haftmittel und/oder Aushärtungsmittel zu enthalten. Jede der vorstehend genannten Kombinationen kann weiter mit einem Siloxan-Oligomer vermischt werden.
Das FR-4 umfasst gewöhnlich ein verwebtes oder ein nicht-verwebtes Gewebe ein, das maschig oder perforiert ist. Zur Beschreibung der Erfindung umfasst "maschig" ein Material oder ein Gewebe, das Öffnungen aufweist, die eine quadratische, rechteckige, runde oder jede andere gewünschte Form aufweisen. Das maschige Gewebe schließt jede der folgenden Materialien/Kombinationen ein: verwebtes oder nicht-verwebtes Glas, PTFE und Zufalls-Mikrofaserglas (random microfiber glas), PTFE und Keramik, Wärme aushärtender Kunststoff, Wärme aushärtender Kunststoff und Keramik, Wärme aushärtender Kunststoff, Keramik und Glas.
Die mit erfindungsgemäßen Teilchen beladenen Lacke werden dann auf verschiedene Weisen auf die maschigen Gewebe aufgebracht. In einer Ausführungsform wird das Gewebe zuerst gereinigt, um jede vorher aufgebrachten Chemikalien zu entfernen, wobei das Gewebe mit anderen Chemikalien behandelt werden kann, um eine Verträglichkeit zwischen dem Gewebe und dem Harz sicherzustellen. In einer Ausführungsform werden die Gewebe mechanisch durch mit Lack-gefüllte Gefäße oder Becken bewegt, ein Verfahren, das gewöhnlich als "Harzbad" bezeichnet wird. So kann beispielsweise kann das Material durch zwei sich gegeneinander drehende Messrollen durch ein Bad des Harz- oder Epoxidlacks gezogen werden, wobei die Menge aufgebrachten Lacks sorgfältig gesteuert wird. In anderen Ausführungsformen liefern Sprüheinrichtungen den Flüssiglack zu den Geweben. Das mit Lack beladene Gewebe kann dann erhitzt und getrocknet werden, um den Lack, der die erfindungsgemäßen leitenden, halbleitenden und/oder isolierenden Teilchen aufweist, ausreichend oder teilweise zu härten.
Das so erhaltene FR-4NVM Material ist starr und kann in jede erwünschte Größe und Form geschnitten werden. Das FR-4/VVM kann als Einzelschicht- oder Mehrfachschicht-PCB verwendet werden. D. h., dass das VVM-Substrat zur Verwendung als Einzelsubstrat eines PCB oder als eine Schicht eines Mehrfachschicht-PCB's geeignet ist. Das FR-4/VVM kann zur Abzugs-PCB-Herstellung verwendet werden, da es die Fähigkeit aufweist viele verschiedene Bearbeitungszustände zu erfüllen. Insbesondere bietet ein thermisch stabiles Kupferplattiertes-Epoxidglas-VVM-Substrat hohe mechanische Festigkeit und maschinelle Bearbeitbarkeit, außergewöhnliche elektrische Eigenschaften, beständige Bohreigenschaften, Feuerfestigkeit, Formbeständigkeit, Steuerung und Wiederholbarkeit der dielektrischen Dicke. Das VVM-Substrat ist weiter für einseitige und doppelseitige Platten geeignet. Das VVM-Substrat stellt eine Kombination aus Bearbeitungsflexibilität und Fertigplattenausführung bereit, die für viele SMT-Anwendungen gebraucht wird. Anwendungen für den Endverbrauch umfassen selbstfahrende Steuerungen, handelsübliche und Konsumentenelektronik, Industriesteuerungen und Träger-Leiterplatten für Computer.
Eine andere Ausführungsform für das Bindemittel (anders als FR-4) schließt Einbetten der leitenden Teilchen und alternativ halbleitender und/oder isolierender Teilchen in ein Polyimidmaterial ein. Für Polyimidmaterialien werden spezielle Harze verwendet, um verbesserte mechanische Eigenschaften bereitzustellen. Polyimidmaterialien sind insbesondere für Hochfrequenzanwendungen und für Mehrfachschichtgestaltungen geeignet.
Eine weitere Ausführungsform für das Bindemittel schließt Einbetten der leitenden Teilchen und alternativ halbleitender und/oder isolierender Teilchen in einem flexiblen Leitermaterial ein. Das Heute am meisten verwendete flexible Leitermaterial wird von der Dupont Corporation hergestellt und wird "Kapton" genannt. Kapton^® ist tatsächlich ein auf Polyimidfolie basierendes Material, das hitzebeständig ist, Formfestigkeit und eine niedrige Dielektrizitäts-Konstante von 3,6 aufweist. Es gibt drei Varianten des Kapton^®-Materials, wobei jedes von denen imprägniert werden kann die erfindungsgemäßen VVM-Substrate zu bilden. Ein Kapton^®-Material schließt ein Haftmittel auf Acrylbasis ein, das jedoch nicht feuerfest ist. Ein anderes Kapton^®-Material schließt ein Haftmittel auf Acrylbasis und ist feuerfest. Ein drittes Kapton^®-Material ist nicht haftend.
Die flexiblen Leiter/VVM's (flex-circuit/VVM) sind dünn, weisen hohe Dichte auf, sind leicht, flexibel und haltbar. Sie können ausgelegt sein einen weiten Temperaturbereich und Umgebungsextremen auszuhalten. Die flexiblen Leiter/VVM's arbeiten mit Ausführungen, die Leiterbahnen mit dünner Linienbreite (fine line traces) und Schaltungstechnik mit hoher Dichte aufweisen, und sind mehr für dynamische Anwendungen und Schwingungsbedingungen geeignet als die herkömmlichen FR-4/VVM. Die Flexiblen Leiter/VVM's werden gebaut um gebogen, gefaltet, gedreht und in eng anliegenden Bereichen mehrfach eingewickelt zu werden, was Entwicklern nützt, die Raumbeschränkungen gegenüberstehen. Typische Anwendungen für Flex-Leiter/VVM's schließen Satelliten, Instrumente für die Luft- und Raumfahrt, fortschrittliche Forschungssensoren, flexible Wärmeelemente, Einrichtungen und Sensoren Medizinisches Gerät und Robotertechnik, Sicherheitseinrichtungen und Steuerungen ein.
Eine noch weitere Ausführungsform für das Bindemittel schließt Einbetten der leitenden Teilchen und alternativ halbleitender und/oder isolierender Teilchen in ein starr-flexibles Material ein. Wie sein Name andeutet, ist das starr-flex/VVM ein Composit, das aus zwei verschiedenen Materialien, einem flexiblen (wie Pyralux) und dem anderen starren (FR-4) besteht. Dieser Typ VVM-Substrat ist insbesondere für jede Anwendung nützlich, die eine Verbindung zu sich bewegenden oder biegenden Teilen erfordert und ebenso eine stabile Plattform für Bestandteile benötigt. Beispielhafte Anwendungen schließen Videokameras, Laptops oder Mobil-Telephone ein. Diese Verbraucherprodukte weisen sich biegende oder faltende bewegliche Teile auf, die jedoch immer noch zu einer festen Plattform verbunden sind.
Für jede der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen von Bindemitteln sind die Umschalt-Eigenschaften des VVM durch die Beschaffenheit der leitenden, halbleitenden und isolierenden Teilchen, der Teilchengröße und Größenverteilung und dem Abstand zwischen den Teilchen bestimmt. Der Abstand zwischen den Teilchen ist abhängig von der prozentualen Beladung der leitenden, halbleitenden und isolierenden Teilchen und ihrer Größe und Größenverteilung. In den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen wird der Abstand zwischen den Teilchen im Allgemeinen größer als 1.000 Angström sein. Zusätzlich muss das härtbare oder selbsttragende Bindemittel, um einen hohen Aus-Zustandswiderstand bereitzustellen, einen ausreichenden Abstand zwischen den Teilchen, zwischen den leitenden und halbleitenden Teilchen, bereitstellen und beibehalten. Der erwünschte Aus- Zustandswiderstand wird ebenso durch den spezifischen Widerstand und Durchschlagfestigkeit des erfindungsgemäßen frei-stehenden Bindemittels beeinflusst. Allgemein gesagt sollte das selbsttragende Bindemittel eine Volumenleitfähigkeit von höchstens 10^–6 (Ohm-cm)^–1 aufweisen.
Die leitenden Teilchen in einer Ausführungsform weisen spezifische Leitfähigkeiten auf, die größer als 10 (Ohm-cm)^–1 und insbesondere größer als 100 (Ohm-cm)^–1 sind. Die leitenden Pulver wiesen vorzugsweise ein Maximum durchschnittlicher Teilchengröße von weniger als 30 Mikrometer auf. In einer Ausführungsform weisen 95% der leitenden Teilchen Durchmesser auf, die nicht größer sind als 20 Mikrometer. In einer anderen Ausführungsform weisen 100% der Teilchen einen Durchmesser kleiner als 10 Mikrometer auf. Leitende Teilchen mit durchschnittlichen Teilchengrößen im Submikrometerbereich können verwendet werden. So sind beispielsweise leitende Materialien mit durchschnittlichen Teilchengrößen in dem 1 Mikrometer bis hinunter zum Nanometergrößen-Bereich nützlich. Materialien, die für die erfindungsgemäßen leitenden Teilchen verwendet werden können, schließen Nickel, Kupfer, Aluminium, Ruß, Graphit, Silber, Gold, Zink, Eisen, nichtrostender Stahl, Zinn, Messing und Metalllegierungen ein. Zusätzlich können inhärent leitende Polymerpulver, wie Polypyrrol oder Polyanilin, solange sie stabile elektrische Eigenschaften zeigen verwendet werden.
In einer Ausführungsform sind die leitenden Teilchen aus Nickel, die von beispielsweise Atlantic Equipment Engineering hergestellt und unter dem Markennamen Ni-120 vertrieben werden und eine durchschnittliche Teilchengröße in dem Bereich von 10–30 Mikrometer aufweisen. In einer anderen Ausführungsform umfassen die leitenden Teilchen Aluminium und weisen eine durchschnittliche Teilchengröße in dem Bereich von 1–5 Mikrometer auf.
Die halbleitenden Teilchen in einer Ausführungsform umfassen eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 5 Mikrometer und spezifische Leitfähigkeiten in dem Bereich von 10 bis 10^–6 (Ohm-cm)^–1. Um die Teilchenpackungsdichte zu maximieren und optimale Klemmspannungen und Umschaltungs-Eigenschaften zu erhalten, liegt in einer bevorzugten Ausführungsform die durchschnittliche Teilchengröße der halbleitenden Teilchen in einem Bereich von ungefähr 3 bis ungefähr 5 Mikrometer oder sogar kleiner als 1 Mikrometer. Halbleitende Teilchengrößen bis hinunter zu dem 100 Nanometerbereich und kleiner sind zur erfindungsgemäßen Verwendung ebenso geeignet.
Das halbleitende Material in einer Ausführungsform ist Siliziumcarbid. Das halbleitende Teilchenmaterial kann ebenso Oxide von Wismut, Kupfer, Zink, Kalzium, Vanadium, Eisen, Magnesium, Kalzium und Titan sein; Carbide von Silizium, Aluminium, Chrom, Titan, Molybdän, Beryllium, Bor, Wolfram und Vanadium; Sulfide von Cadmium, Zink, Blei, Molybdän und Silber; Nitride wie Bornitrid, Siliziumnitrid und Aluminiumnitrid, Bariumtitanat und Eisentitanat; Sulfide von Molybdän und Chrom; und Boride von Chrom, Molybdän, Niobium und Wolfram.
In einer Ausführungsform sind die halbleitenden Teilchen aus Siliziumcarbid und beispielsweise von Agsco, #1200 Körnung, hergestellt, das eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 3 Mikrometer aufweist oder aus Siliziumcarbid hergestellt, beispielsweise von Norton, #10.000 Körnung, das eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 0,3 Mikrometer aufweist. In einer anderen Ausführungsform umfassen die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen halbleitende Teilchen, die aus Gemischen von verschiedenen halbleitenden Materialien gebildet werden, beispielsweise Siliziumcarbid und mindestens einem der folgenden Materialien: Bariumtitanat, Magnesiumoxid, Zinkoxid und Bornitrid.
In dem erfindungsgemäßen VVM umfasst das selbstragende isolierende Bindemittel in einer Ausführungsform von ungefähr 20 bis ungefähr 60 Gew.-% und vorzugsweise von ungefähr 25 bis ungefähr 50 Gew.-% der gesamten Zusammensetzung. Die leitenden Teilchen in einer Ausführungsform umfassen von ungefähr 5 bis ungefähr 80 Gew.-% und vorzugsweise von ungefähr 50 bis ungefähr 70 Gew.-% der gesamten Zusammensetzung. Wenn vorhanden, umfassen die halbleitenden Teilchen in einer Ausführungsform von ungefähr 2 bis ungefähr 60 Gew.-% und vorzugsweise von ungefähr 2 bis ungefähr 10 Gew.% der gesamten Zusammensetzung.
Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform schließt das VVM weiter isolierende Teilchen ein, die eine durchschnittliche Teilchengröße in einem Bereich von ungefähr 200 bis ungefähr 1.000 Angström und spezifische Leitfähigkeiten von weniger als 10^–6 (Ohm-cm)^–1 aufweisen. Ein Beispiel für ein geeignetes isolierendes Teilchen ist Titandioxid, das eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 300 bis ungefähr 400 Angström aufweist und von Nanophase Technologies hergestellt wird. Andere Beispiele geeigneter isolierender Teilchen schließen Eisenoxide, Aluminium, Zink, Titan und Kupfer und Tonerde, wie vom Walkton/Montmorillonit-Typ ein, der von Nanocor, Inc. hergestellt und unter dem Markennamen Nanomer vertrieben wird. Wenn in der Zusammensetzung verwendet, sind die isolierenden Teilchen vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 1 bis ungefähr 15 Gew.-% der gesamten Zusammensetzung vorhanden.
Durch die Verwendung eines geeigneten selbsttragenden, isolierenden Bindemittels, leitender Teilchen und in bestimmten Ausführungsformen halbleitender und isolierender Teilchen, die jeweils die bevorzugten Teilchengrößen und Volumenprozentsätze aufweisen, können erfindungsgemäße Zusammensetzungen im Allgemeinen maßgeschneidert werden, um einen Klemmspannungs-Bereich von ungefähr 30 Volt bis über 2000 Volt bereitzustellen. Bestimmte erfindungsgemäße Ausführungsformen für Leiterplatten-Begrenzungsschutz zeigen Klemmspannungen von 100 bis 200 Volt, vorzugsweise weniger als 100 Volt, bevorzugterweise weniger als 50 Volt, und zeigen insbesondere Klemmspannungen in einem Bereich von ungefähr 25 bis ungefähr 50 Volt.
Wie vorstehend aufgeführt, kann das erfindungsgemäße VVM-Substrat in verschiedenen Bindemitteln oder aktiven Laminaten ausgebildet sein, die mehrere elektrische Komponenten unterstützen und sie während ESD-Ereignissen schützen. Unter Bezug auf die Zeichnungen, zeigen 1 bis einschließlich 12 eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer miniaturisierten Einrichtung 10 unter Verwendung des VVM-Substrats 12, wie hier beschrieben. In 1 wird eine fertiggestellte Einrichtung 10 gezeigt, die das aktive VVM-Substrat 12 aufweist. Das VVM-Substrat 12 stellt mit einer ersten Kupferschicht 14 oder Elektrode engen und permanenten Kontakt her. Die erste Kupferschicht 14 kann auf eine oder beide Oberflächen 16 und 18 des VVM-Substrats 12 und auf eine oder mehrere Stellen auf einer oder beiden Oberflächen 16 und 18 eingesetzt werden. Im Allgemeinen, ist es günstig eine symmetrische Einrichtung zu erzeugen, die keine "Ober-" oder "Unter-Seite" aufweist, um damit die Einrichtung 10 beweglich anbringbar zu gestalten.
Eine Lücke 22 wird in das Metall geätzt, um getrennte Elektroden 24 und 26 auszubilden. Erste Nickelschichten 20 werden auf die Kupferschichten 14 galvanisiert. Die Elektroden 24 und 26 beinhalten die Kupferschicht 14 und die Nickelschicht 20, können jedoch alternativ nur eine Leiterschicht irgendeines gewünschten Metalls aufweisen. Es sollte klar sein, das bei einem ESD-Ereignis, das einen Ein-Zustand hervorbringt, Strom seitlich über die Lücke 22 von einer Elektrode zu einer anderen oder durch die Dicke des VVM-Substrats 12 von einer Elektrode zu einer anderen fließen kann. Die Lücke 22 und die Dicke der Einrichtung 10 weisen Abmessungen auf, um den gewünschten Überspannungsschutz zu erreichen.
In alternativen Ausführungsformen können die Elektroden 24 und 26 derart angeordnet sein, dass ESD-Ströme nur seitlich oder alternativ nur durch die Dicke des VVM-Substrats 12 fließen. In einer anderen Ausführungsform werden mehrere Elektroden auf einer der Oberflächen 16 oder 18 angeordnet, so dass Strom seitlich zu mehreren Stellen fließt. In noch einer anderen Ausführungsform werden mehrere Elektroden auf den beiden Oberflächen 16 und 18 derart angeordnet, dass Strom seitlich zu mehreren Stellen und durch die Dicke des VVM 12 zu mehreren Stellen fließt. In noch einer anderen Ausführungsform werden mehrere Elektroden auf einer der Oberflächen angeordnet und eine einzelne Elektrode wird auf der anderen Oberfläche angeordnet.
In der gezeigten Einrichtung 10, werden die Elektroden 24 und 26 mit den Abschlüssen 25 und 27 elektrisch verbunden, die eine zweite Kupferschicht 28, eine zweite Nickelschicht 30 und eine Blei-Zinn-Schicht 32 beinhalten. Die erste Kupferschicht 14 sorgt für gute Leitfähigkeit. Die erste Nickelschicht 20 schützt bei einem ESD-Ereignis, das ein halbes Megawatt unmittelbarer Energie und erhebliche Erwärmung verursachen kann, die erste Kupferschicht 14 vor dem Schmelzen. In einem derartigen Fall können Kupferatome tatsächlich von der Kupferschicht 14 in das VVM-Substrat 12 gezogen werden und möglicherweise einen Kurzschluss verursachen.
Die zweite Kupferschicht 28 wird durch stromlose Ablagerung für nachstehend beschriebene Verwendungszwecke erzeugt. Die zweite Nickelschicht 30 verhindert die Entstehung intermetallischer Legierungen an bestimmten Plätzen zwischen der zweiten Kupferschicht 28 und einer Blei-Zinn-Schicht 32, was ermöglicht, die Einrichtung ohne weiteres an eine PCB zu löten. Die Einrichtung 10 ist eine bevorzugte Einrichtung und andere Ausführungsformen für Einrichtungen sind vorgesehen. So beinhaltet beispielsweise eine andere Ausführungsform nicht die Verwendung von Kupfer und Ausbildung von Nickelelektroden und Abschlüssen aus Blei-Zinn. Andere Metalle, wie Platin, Gold, Silber, etc. können ebenso verwendet werden.
Unter Bezug auf 2 bis 12 wird ein bevorzugtes Verfahren zur Massenherstellung der Einrichtung 10 gezeigt. 2 zeigt einen ersten Schritt, der die Plattierung der ersten Kupferschicht 14 an eine VVM-Substrat Lage 34 beinhaltet, die wesentlich größer als das VVM-Substrat 12 der in 1 gezeigten Einrichtung ist. Das heißt, dass die Lage 34 viele Substrate beinhaltet und viele Einrichtungen 10 erzeugt. Jede bekannte Methode zur Plattierung der Kupferfolie 14 auf die VVM Lage 34 kann verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Kupferschicht 14 Dendriten auf einer Seite aufgrund des Folienbildungsvorgangs auf, wobei die Folie an das VVM-Substrat plattiert ist, so dass die Dendriten inwärts gerichtet sind und in das Epoxid eindringen. In einer alternativen Ausführungsform wird die erste Kupferschicht 14 durch den Vorgang der stromlosen Ablagerung gebildet.
Unter Bezug auf 3, wird eine Lücke in jede der Kupferschichten 14 geätzt, wodurch in den Oberflächen 16 und 18 der VVM-Lage 34 ein Streifen freigelegt wird. Die Lücken 22 können mit jedem bekannten Verfahren geätzt werden, wie durch die Verwendung einer auf Ammoniak-basierenden, erhitzten, alkalischen Ätzlösung. Der pH-Wert, die Temperatur und relative Dichte der Lösung werden überprüft, um ein gleichförmiges Ätzen und minimale Unterätzung der verbleibenden Kupferschichten 14 zu gewährleisten.
Unter Bezug auf 4, wird die erste Nickelschicht 20 auf das Kupfer plattiert. Die VVM Lage 34 ist in einer Ausführungsform, unter Verwendung einer automatischen elektrolytischen Nickelplattierungsmaschine, Nickel plattiert. Die Lage 34 kann zuerst in eine Reinigungslösung getaucht werden, die jedes organische Material oder Oxidiation entfernt, die sich auf der Kupferfolie 14 oder der Lücke 22 der Lage 34 gebildet haben können. Anschließend wird die Lage 34 in einem Nickelplattierungstank, beispielsweise durch Befestigung der Lage 34 auf einer Ablage, untergebracht, woran Strom für den Plattierungsvorgang angelegt wird. Die Plattierung läuft für eine bestimmte und überprüfte Zeitspanne. Anschließend bedeckt die erste Nickelschicht 20 die Kupferfolien 14 auf beiden Oberflächen 16 und 18 der VVM Lage 34. Die Nickel-Plattierung heftet sich nicht an das offenliegende VVM-Substrat der Lücken 22.
Unter Bezug auf 5 werden Paare paralleler Spalten 36 in der VVM-Lage 34 gebildet. Die Spalten 36 definieren eine Dimension der in 1 gezeigten Einrichtung 10. In einer Ausführungsform werden die Spalten 36 aus der Lage 34 unter Verwendung einer Viel-Spindel, CNC gesteuerten Fräsmaschine (multi-spindle, CNC controlled router) geschnitten. Mehrere Lagen 34 können zusammengeheftet und zusammen gefräst werden. Andere Verfahren zur Ausbildung der Spalten 36 beinhalten Laser-Schneiden, Sägen oder Stanzen.
Nach der Ausbildung wird jeder zurückgebliebene Staub von den Lagen 34 geblasen. Jede Lage 34 kann anschließend mit deionisiertem Wasser gespült und getrocknet werden.
Unter Bezug auf 6 wird die zweite Kupferschicht 28 mittels stromloser Ablagerung auf die Lage 34 aufgebracht. Zur Vereinfachung der Darstellung werden nur die Anteile der Lagen 34 zwischen den Spalten 36 gezeigt. Dieser Abschnitt ist im Grunde eine Reihe von Einrichtungen 10 (senkrecht zur Seite), die am Verfahrensende gewürfelt oder geteilt werden. Die Spalten 36 ermöglichen Abschlussränder 38 und 40 der Lage 34, um überplattiert zu werden.
Bei der stromlosen Kupfer-Ablagerung handelt es sich, wie seine Bezeichnung andeutet, um ein chemisches Verfahren, bei dem Kupfer ohne Verwendung elektrischen Stroms auf allen Oberflächen der Lage 34 abgeschieden wird, wobei die Oberflächen 16 und 18 der Lücken 22 und die, durch die Spalten 36 definierten, Ränder 38 und 40 eingeschlossen sind. In einer Ausführungsform beinhaltet der stromlose Vorgang: Reinigung und Behandlung aller Oberflächen der Lage 34; Aktivierung der VVM-Substrat/Harz-Oberflächen der Lücken 22 und der Ränder 38 und 40 für die Katalyse; Mikro-Ätzen der ersten Nickelschicht 20 (optional); Anwendung eines Katalysators auf die VVM-Substrat/Harz Oberflächen der Lücken 22; Anwendung der stromlosen Kupferschicht 28 und Anwendung eines Oxidationinhibitors.
Unter Bezug auf 7 wird ein Plattierungs-Widerstand bzw. Plattierungs-Schutzmasse über die Lücken 22 und jeden Bereich der Lage 34 aufgetragen, die nicht beabsichtigt einen plattierten Abschluß 25 oder 27 (1) aufweist. Bei den Plattierungs-Widerständen handelt es sich um photosensitive Materialien, die die Elektroplattierung von Metallen, wie Kupfer, Nickel oder Blei-Zinn inhibieren oder "widerstehen". Die Plattierungs-Widerstände 42 können unter Verwendung eines Heißrollen-Laminators als Trockenfilm aufgebracht werden. Im Allgemeinen werden Widerstände 42 von 1 Millimeter (mm) Dicke verwende, falls die benötigte Plattierungs-Dicke 1 mm oder weniger beträgt. Dickere Widerstände (1.5 mm oder 2.0 mm) können ebenfalls für größere Plattierungs-Dicken verwendet werden.
Unter Bezug auf 8 und 9 werden die zweite Nickelschicht 30 und die Blei-Zinn Schicht 21 der Abschlüsse 25 und 27 auf nicht-maskierte Bereiche der Lage 34 plattiert, wobei das vorstehend aufgeführte Plattierungsverfahren eingesetzt wird, worin Strom an ein Nickel-Bad und an ein Blei-Zinn-Bad angelegt wird. Die zweite Nickelschicht 30 verhindert die Bildung intermetallischer Legierungen zwischen der zweiten stromlosen Kupferschicht 28 und der Blei-Zinn Schicht 32, falls die Blei-Zinn Schicht 32 der Einrichtung 10 auf eine gedruckte Leiterplatte angelötet wird.
Unter Bezug auf 10 werden die Widerstände 42 von der VVM Lage 34 ausgestrippt, wobei die zweite stromlose Kupferschicht 28 freigelegt wird. Nach Plattierung der Abschlüsse 25 und 27 müssen die Widerstände 42 entfernt werden, die die Plattierung auf der Oberfläche der zweiten Kupferschicht 28 verhinderten. In einer Ausführungsform werden die Lagen 34 in einen automatischen Material-Handhaber eingebracht, der die Folien in eine Widerstands-Ausstripp-Maschine führt. In einer Ausführungsform werden die Widerstände 42 mit einer heißen, alkalischen und organischen Lösung chemisch entfernt: Diese Lösung wird auf beide Oberflächen 16 und 18 der Lage 34 gesprüht. Sobald die Widerstände 42 entfernt sind, werden die VVM Lagen 34 abgespült.
Unter Bezug auf 11 wird eine zweite Kupferschicht 28, mit Ausnahme der Bereiche unter den Abschlüssen 25 und 27, von der Lage 34 geätzt. In einer Ausführungsform wird eine stromlose Kupferschicht 28 mit einer auf Ammoniak-basierenden, erhitzten, alkalischen Ätzlösung weggeätzt. Der pH, die Temperatur und die Dichte der Lösung werden überwacht, um ein gleichförmiges Ätzen und minimale Unterätzung der verbleibenden Kupferschichten 14 zu gewährleisten. Die Ätz-Chemie kann durch ein Fütterungs- und Zapf-System ergänzt werden, das durch die Lösungsdichte in dem Ätzmittel beeinflusst wird. Bei diesem System wird das verbrauchte Ätzmittel aus dem System entfernt und das System wird mit neuer Ätzlösung versorgt.
Unter Bezug auf 12 werden Schutzschichten auf die Bereiche der Lage 34 aufgetragen, wo die Widerstände 42 gelegen waren. Die Überzüge 44 schützen die Lücken 22, um beispielsweise einen zwischen den Elektroden 24 und 26 auftretenden Kurzschluss am Entstehen zu hindern. In einer Ausführungsform handelt es sich bei den Überzügen 44 um standardisierte, in Einklang gebrachte Überzüge, die allgemein für gedruckte Leiterplatten verwendet werden. Falls die Überzüge 44 härten, wird die Lage 44 in die in 1 gezeigten Einrichtungen 10 gewürfelt oder getrennt. Um die Einrichtungen 10 zu trennen, werden eine Reihe von Schnitten in der VVM Lage 34 vorgenommen, wobei die Schnitte im wesentlichen senkrecht zu den parallelen Spalten 36 sind. Wie vorstehend beschrieben, definiert die Beabstandung der Spalten eine Dimension, beispielsweise die Länge der Einrichtung 10. Die Beabstandung zwischen den senkrechten Schnitten definiert eine andere Dimension, beispielsweise die Breite der Einrichtung 10. In einer Ausführungsform wird die Einrichtung in eine standardisierte 0402 Verpackungsgröße aufgeteilt. Die Höhe der Einrichtung 10 wird durch die Dicke des VVM-Substrats 12 (1) und durch die Länge von verschiedenen Überzügen bestimmt. Aus der vorstehenden Enthüllung folgt, dass die Länge und Breite des erfindungsgemäßen VVM-Substrats so klein ausfallen kann, wie die Schneidemaschine das Substrat schneiden kann.
Unter Bezug auf 13 beinhaltet eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform den Einsatz des VVM-Substrats bei einer Verkabelungs-Verwendung. Eine Ausführung von vielen möglichen Ausführungen beinhaltet ein Koaxialkabel 50, das im Allgemeinen für Kabelfernsehen verwendet wird oder um Internetverbindungen bereitzustellen. Das erfindungsgemäße Koaxialkabel beinhaltet das VVM-Substrat 52, ein Metall, beispielsweise Kupfer, einen Leiter 54 und ein Folien-Schild 56 und eine Polymer-Schutzschicht 58. Zusätzlich zu der VVM-Substrat Einrichtung 10, beinhaltet das VVM-Substrat. Kabel 50 beispielsweise zwei Elektroden, den Leiter 54 und das Folien-Schild 56 und einen Bereich des VVM-Substrats 52 zwischen und an den Elektroden festgemacht.
Das Kabel 50 zeigt eine Anwendung, worin das VVM-Substrat keine innere Maschen-Struktur, wie vorstehend erläutert, benötigt. Das heißt, dass das VVM-Substrat 52 mit einem Kupferleiter 54 und ohne interne Maschen hergestellt werden kann, worin das Substrat härtet und seine Form beibehält bis die Schutzschicht 58 aufgetragen wird. Es ist klar, dass das erfindungsgemäße VVM-Kabel 50 die Fähigkeit aufweist, ein ESD-Ereignis aufzulösen bevor das kurzlebige EOS wertvolle und komplizierte Schaltungen erreicht, beispielsweise einer Schalttafel, direkten Kabelfernsehens oder eines PCs.
Es ist klar, dass verschiedene Abänderungen und Modifikationen der hierin beschriebenen vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen für dem Fachmann offensichtlich sind. Derartige Abänderungen und Modifikationen können vorgenommen werden ohne vom Geist und Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen und ohne deren begleitende Vorteile zu verringern.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Spannungs-variables-Material ("VVM") bereit. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte gedruckte Leiterplatte, eine einen verbesserten Schaltkreisschutz aufweisende Einrichtung, ein einen verbesserten Schaltkreisschutz aufweisendes Daten-Kommunikations-Kabel und ein Verfahren zur Massenherstellung von Einrichtungen, bei denen das erfindungsgemäße VVM-Substrat eingesetzt wird, bereit. Das VVM-Substrat beseitigt die Notwendigkeit einer dazwischenliegenden Folge- oder Träger-Platte durch Imprägnieren leitender -Teilchen und eventuell halbleitender und/oder isolierender Teilchen, die mit bekannten- Spannungsvariablen Materialien assoziiert sind, in den Lack oder Epoxydharz, der mit bekannten gedruckten Leiterplatten-Substrate in Verbindung gebracht werden.

Claims

Spannungs-variables Substrat umfassend: ein selbsttragendes, härtbares, isolierendes Bindemittel, das einen anfänglichen nicht-festen Zustand und einen gehärteten festen Zustand aufweist; und leitende, während des nicht-festen Zustands in das Bindemittel imprägnierte Teilchen.
Spannungs-variables Substrat nach Anspruch 1, worin die leitenden Teilchen eine spezifische Leitfähigkeit größer als 10 (Ohm-cm)^–1 aufweisen.
Spannungs-variables Substrat nach Anspruch 1, worin die leitenden Teilchen ein Material beinhalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Ruß, Aluminium, Silber, Gold, Kupfer und Graphit, Zink, Eisen, rostfreier Stahl, Zinn, Messing, und Legierungen davon, und leitende organische Materialien, wie eigenleitende Polymere.
Spannungs-variables Substrat nach Anspruch 1, worin das härtbare Bindemittel eines von einer Epoxydharz- und einer Polyimid-Folie beinhaltet.
Spannungs-variables Substrat nach Anspruch 1, worin das härtbare Bindemittel eine maschige Struktur und ein Epoxydharz beinhaltet, mit dem die maschige Struktur imprägniert ist.
Spannungs-variables Substrat nach Anspruch 5, worin die maschige Struktur Glasfasern beinhaltet.
Spannungs-variables Substrat nach Anspruch 1, das weiter halbleitende Teilchen umfasst, die mit den leitenden Teilchen und dem, noch in seinem nicht-festen Zustand vorliegenden, härtbaren Bindemittel vermischt werden.
Spannungs-variables Substrat nach Anspruch 1, das weiter halbleitende Teilchen und isolierende Teilchen umfasst, die mit den leitenden Teilchen und dem, noch in seinem nichtfesten Zustand vorliegenden, härtbaren Bindemittel vermischt werden.
Spannungs-variables Substrat nach Anspruch 1, das weiter isolierende Teilchen umfasst, die mit den leitenden Teilchen und dem, noch in seinem nicht-festen Zustand vorliegenden, härtbaren Bindemittel vermischt werden.
Spannungs-variables Substrat nach Anspruch 1, das mindestens eine zusätzliche Substrat-Schicht beinhaltet, die an dem härtbaren Bindemittel befestigt ist, um eine vielschichtige bedruckte Leiterplatte auszubilden.
Spannungs-variables Substrat nach Anspruch 10, das mehrere härtbare Bindemittel beinhaltet, die an der mindestens einer zusätzlichen Substrat-Schicht befestigt sind, um die vielschichtige bedruckte Leiterplatte auszubilden.
Spannungs-variable Einrichtung umfassend: ein spannungs-variables-Material ("VVM"), das ein selbsttragendes härtbares, isolierendes Bindemittel, und in das Bindemittel imprägnierte, leitende Teilchen beinhaltet; eine erste Elektrode, die an dem VVM befestigt ist; und eine zweite Elektrode, die an dem VVM befestigt und derart angeordnet ist, nicht die erste Elektrode zu berühren, wobei sich der elektrische Widerstand zwischen den ersten und zweiten Elektroden aufgrund eines elektrostatischen Entladungs-Ereignisses ändert.
Einrichtung nach Anspruch 12, worin die erste und zweite Elektrode an einer einzelnen Oberfläche des VVM befestigt ist.
Einrichtung nach Anspruch 12, worin die erste und zweite Elektrode an verschiedenen Oberflächen des VVM befestigt ist.
Einrichtung nach Anspruch 12, die mehrere kontaktfreie Elektroden beinhaltet, die an einer einzelnen Oberfläche des VVM befestigt sind.
Einrichtung nach Anspruch 12, die mehrere kontaktfreie Elektroden beinhaltet, die an mehreren Oberflächen des VVM befestigt sind.
Einrichtung nach Anspruch 12, worin ein Paar abgewandter Enden des VVM jeweils an einen Abschluß befestigt ist, wobei der Abschluß mit einer der Elektroden elektrisch Daten überträgt.
Einrichtung nach Anspruch 17, worin die Abschlüsse in einer Standard-Oberflächen-Befestigungs-Verpackungsgröße konfiguriert sind.
Einrichtung nach Anspruch 17, worin die Abschlüsse Blei-Zinn galvanisiert sind.
Einrichtung nach Anspruch 10, worin mindestens eine der Elektroden Nickelgalvanisiertes Kupfer beinhaltet.
Spannungs-variables Kabel umfassend: ein Spannungs-variables-Material ("VVM"), das ein selbsttragendes, härtbares, isolierendes Bindemittel und in das Bindemittel imprägnierte leitende Teilchen beinhaltet; ein erster, in dem VVM Material angeordneter Leiter; ein Schild, das mindestens teilweise das VVM Material umhüllt; und eine Polymer-Beschichtung, die das VVM Material und den ersten und zweiten Leiter umschließt.
Spannungs-variables-Kabel nach Anspruch 21, worin das VVM Material über den ersten Leiter gespritzt ist.
Spannungs-variable-Einrichtung umfassend: ein Spannungs-variables-Material ("VVM"), das ein selbsttragendes, härtbares, isolierendes Bindemittel und in das Bindemittel imprägnierte, leitende Teilchen beinhaltet; eine erste Elektrode, die an das VVM befestigt ist; eine zweite Elektrode, die an das VVM befestigt ist; und eine Lücke zwischen der ersten und zweiten Elektrode.
Spannungs-variable-Einrichtung nach Anspruch 23, die weiter eine Schutzschicht aufweist, die die Lücke bedeckt.
Verfahren zur Herstellung spannungs-variabler-Einrichtungen, umfassend die Schritte: Herstellen einer Folie eines spannungs-variablen Materials ("VVM"), das ein selbsttragendes und härtbares, isolierendes Bindemittel und in das Bindemittel imprägnierte leitende Teilchen aufweist; Beschichten der VVM-Lage mit einer leitenden Schicht; Ätzen einer Lücke in die leitende Schicht; Ausbilden eines Spalten-Paars in der VVM Lage, so dass sich die Lücke in einem Bereich zwischen dem Spalten-Paar erstreckt; Maskieren der Lücke in dem Bereich und Belassen unmaskierter Anteile des Gebiets angrenzend zu dem Spalten-Paar; Beschichten der unbeschichteten Anteile mit einem lötbaren Stoff; und Würfeln des Bereichs in mehrere Einrichtungs-Formen.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die VVM-Lage zwei Oberflächen definiert, und umfasst: Beschichten beider Oberflächen der Lage mit einer leitenden Schicht; Ätzen einer Lücke in die leitende Schicht beider Oberflächen; Maskieren beider Lücken, wobei unmaskierte Anteile auf beiden Oberflächen belassen werden; und Galvanisieren der unmaskierten Anteile beider Oberflächen mit einem lötbaren Stoff.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die leitende Schicht eine erste leitende Schicht ist, und umfasst, Beschichten der ersten leitenden Schicht mit einer zweiten leitenden Schicht.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die erste leitende Schicht aus Kupfer und die zweite leitende Schicht aus Nickel besteht.
Verfahren nach Anspruch 25, das den Schritt umfasst, Ablagern einer Kupferschicht durch stromlose Ablagerung auf der Lage vor dem Maskieren der Lücke.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Schritt des Beschichtens der -unmaskierten Anteile mit einem lötbaren Stoff umfasst, Beschichten eines unmaskierten Anteils der stromlosen Kupferschicht mit einer Nickelschicht, gefolgt von einer Blei-Zinn-Schicht.
Verfahren nach Anspruch 29, das den Schritt umfasst, Abstrippen der Maske und chemisches Ätzen der stromlosen Kupferschicht von der VVM-Lage, wodurch die Lücke freigelegt wird, und danach Beschichten der unmaskierten Anteile mit dem lötbaren Stoff.
Verfahren nach Anspruch 31, das den Schritt umfasst, Auftragen einer Schutzschicht auf die Lücke.