專利名稱：嵌入式后備能量存儲(chǔ)單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在分層的電器件上形成能量存儲(chǔ)器件，分層的電器件包括印刷電路板、集成電路芯片和其它在各層上做出的電子器件。本發(fā)明特別涉及包括在上述器件內(nèi)的嵌入式后備能量存儲(chǔ)器件。
一個(gè)典型的例子是現(xiàn)代的數(shù)字鬧鐘。目前，許多鬧鐘通過(guò)家用電流來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)。包括集成電路芯片的印刷電路通常驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的所有功能，包括跟蹤時(shí)間和鬧鐘時(shí)間。當(dāng)?shù)紧[鐘的電流中斷時(shí)，所有信息會(huì)丟失。當(dāng)前，即使在正常電源的極短時(shí)間的中斷，鬧鐘設(shè)置的時(shí)間和許多其它信息也會(huì)丟失。由于在夜晚或凌晨的級(jí)短時(shí)間的停電而使在正常時(shí)間沒(méi)有問(wèn)題的鬧鐘出問(wèn)題，在清晨不能叫醒。
另外，電源的完全斷電，當(dāng)發(fā)生“電壓不足”情況時(shí)，會(huì)發(fā)生這些問(wèn)題。電器的主電源下降到電器能以預(yù)定方式工作的臨界閾值以下。另外，“電壓不足”情況實(shí)際上對(duì)設(shè)備內(nèi)的電子元件是有害的。
必須為這些設(shè)備的主要功能提供一個(gè)備用電源。通過(guò)為負(fù)載提供連續(xù)工作所要求的后備電能，來(lái)保證電器或設(shè)備的工作負(fù)載和電器設(shè)備的預(yù)定的工作。另外，當(dāng)有備用電源時(shí)，可降低對(duì)工作負(fù)載的損壞。
解決這個(gè)問(wèn)題的方案是購(gòu)買專用后備電源。這類電源通常用于包括計(jì)算機(jī)的主要電器設(shè)備。但是，后備電源的尺寸和復(fù)雜程度使得這些設(shè)備對(duì)于如鬧鐘等的普通的消耗較低電能的家用電器來(lái)說(shuō)并不切實(shí)際的。
另一種方案是為電器增加普通的電化學(xué)電池。但是，電化學(xué)后備電池大大增加了電器的空間和體積，通常不值得為此擴(kuò)大空間。所需要的是一種小型、易于制造的能量存儲(chǔ)器件，用于檢測(cè)電源電勢(shì)的下降并在電源電勢(shì)下降時(shí)保持電器設(shè)備的主要功能。
希望能把后備電源包含在或集成到普通的電子設(shè)備中的分層的電子器件內(nèi)。模塊化和制造的簡(jiǎn)易要求后備電源必須小到能夠安裝到任何小電子器件的結(jié)構(gòu)中。這樣，如前所述，許多普通后備電源不能使用。另外，由于各種原因，將后備電源放置在或集成到電路板或芯片內(nèi)而不是將它們作為分立元件連接比較有利。這種后備電源應(yīng)該是在電器件的制造中嵌入的電存儲(chǔ)器件或電能源。
通常，由諸如印刷電路板或集成電路芯片一類的分層電器件或組合件所占有的體積在設(shè)計(jì)電子組合件時(shí)是非常寶貴的。組合件的體積規(guī)定了在其上的元件的數(shù)量、尺寸和布局。另外，隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，主要限制是在實(shí)際的器件的表面上是否有元件的空間的存在。例如，在實(shí)際的器件上的空間的最小化意味著連接到公共總線的印刷電路板的系統(tǒng)所用的體積最小化，由此最大利用空間。
在電路板上安裝的器件占用的表面積是非常寶貴的。因此，減少安裝器件所用的表面積能夠讓設(shè)計(jì)者使用更多的表面積用于其它的功能器件。特別地，如果能夠重新設(shè)計(jì)一個(gè)將所有的內(nèi)的電存儲(chǔ)器件嵌入其內(nèi)的電路板，設(shè)計(jì)者能夠使用更多的表面積用于在電路板上的其它的功能器件?；蛘撸O(shè)計(jì)者能夠減少這個(gè)的組合件尺寸。
同樣地，如果集成電路芯片(IC芯片)能夠在構(gòu)成芯片的各層中嵌入小的、更強(qiáng)大的電存儲(chǔ)器件，芯片的更多的體積能夠用于其它功能目的。
典型地，在印刷電路板中，電路的設(shè)計(jì)要求一些種類的能量存儲(chǔ)器件，例如電容或電池。設(shè)計(jì)者通常選擇分立元件用于電路中的存儲(chǔ)器件。這種分立元件占用電路板的表面積和電路板內(nèi)和電路板內(nèi)和上的一部分體積。
在印刷電路板制造過(guò)程中，放置能量存儲(chǔ)器件的地點(diǎn)留有用于后面的安裝的空地。通常，制造商制造的電路板具有存儲(chǔ)器件的引線能夠插入的孔。然后，把分立電存儲(chǔ)器件，例如電池或電容，放置到電路中并與電路板通過(guò)輔助互連裝置電連接，例如，觸點(diǎn)上的螺絲或焊接頭。通常，電路連線終止于存儲(chǔ)器件引線插入的孔，并且當(dāng)存儲(chǔ)器件引線導(dǎo)入孔中時(shí)，就完成了電路通路。
但是，使用分立電存儲(chǔ)器件元件具有一些缺點(diǎn)。一個(gè)主要的缺點(diǎn)是大多數(shù)電存儲(chǔ)器件元件和將它們連接到電路的必要元件占用了電路板內(nèi)或電路板上的寶貴的表面積和體積。
有關(guān)IC芯片，不能使用大的電存儲(chǔ)器件。首先，IC芯片通常不具有穿過(guò)其表面與分立器件的互連。第二，芯片的小體積不能使用大或中等的電存儲(chǔ)器件。
一般，能量存儲(chǔ)器件特別要求大的面積和體積，并且傾向于高于其它元件立在電路板上。即使在電路板上的較小的能量存儲(chǔ)器件也可能是電路板上的最高的元件。這些器件帶來(lái)了由于布局而引起的設(shè)計(jì)問(wèn)題，并占用了寶貴的電路板的表面積和體積。
公式(k×A)/T定義了能量存儲(chǔ)器件的電容或者它能存儲(chǔ)的電荷量。在公式中，k代表兩個(gè)相反的帶電板間的材料的介電常數(shù)，A是最小的板的面積，T是介電材料的厚度。因此，小體積和面積，而沒(méi)有高的介電常數(shù)，使得電容較小。對(duì)于非常小的體積和面積來(lái)說(shuō)，例如IC芯片，由于空間的限制和大多數(shù)IC芯片不提供與其它分立元件的表面互連，大的存儲(chǔ)器件是不切實(shí)際的。
如果設(shè)計(jì)特別要求大的能量存儲(chǔ)器件，問(wèn)題就更大了。大的存儲(chǔ)器件傾向于要求容納分立元件的大的面積和體積。通常，對(duì)于印刷電路板來(lái)說(shuō)，解決方法是將電容放置在它們從電路板向外延伸的地方。
能量存儲(chǔ)需要的空間的一個(gè)例子能夠從電源的連接關(guān)系上表現(xiàn)出來(lái)，其中功能元件占用了大約30％的板的空間。需要一種包括在分層的電器件的結(jié)構(gòu)中的電能存儲(chǔ)器件。這種后備電存儲(chǔ)器件在分層電器件的電源切斷時(shí)工作以確保在電源的短時(shí)間切斷時(shí)，在短暫的瞬間沒(méi)有信息丟失。對(duì)于普通電器來(lái)說(shuō)，由于空間和成本的限制，不能使用互連到存儲(chǔ)器件的分立元件，例如，現(xiàn)代的數(shù)字鬧鐘。
另外，當(dāng)分立存儲(chǔ)器件必須互連到電路板時(shí)，存在幾個(gè)問(wèn)題。通常，制造商必須將所有的元件焊接到印刷電路板的電路的連線中。這種互連是弱點(diǎn)，是許多印刷電路板封裝中失敗的原因?；ミB也是可發(fā)生制造錯(cuò)誤的點(diǎn)。因此，直接集成到諸如印刷電路板或IC芯片一類的分層電器件的各層中的能量存儲(chǔ)器件非常有價(jià)值。如果能量存儲(chǔ)器件與分層的電器件集成在一起作為分層電器件的一部分，而不在后面的階段加入，會(huì)改善器件的可靠性，因此有利于整個(gè)性能。
在集成電路芯片中，包括的空間小到不能有有效的能量存儲(chǔ)。僅有的用于放置任何能量存儲(chǔ)器件的地方是在包括集成電路芯片的襯底上。因此，有效的能量存儲(chǔ)，例如電池或電容，對(duì)于這些器件來(lái)說(shuō)是不行的。
需要的是一種設(shè)備，在其中能量存儲(chǔ)器件元件不占用分層的電器件上的表面的面積和體積。如果能夠達(dá)到上述目的，就能釋放寶貴的面積用于布置元件，釋放被分立元件占用的體積。另外，形成在IC芯片的襯底上的集成電能量存儲(chǔ)器件能夠大大增強(qiáng)芯片的功能。另外，由于消除了一些焊接連接，在分層的電器件中需要集成能量存儲(chǔ)器件來(lái)增強(qiáng)半導(dǎo)體的性能。另外，能量存儲(chǔ)器件必須提供在正常電源切斷時(shí)，切換到它存儲(chǔ)的電能的功能。
發(fā)明綜述本發(fā)明涉及一種后備能量存儲(chǔ)器件，它設(shè)置在分層電器件的各層中。本發(fā)明涉及一種設(shè)備，在該設(shè)備中能量存儲(chǔ)器件元件不占用諸如IC芯片或印刷電路板之類的分層電器件的表面上的面積或體積。
在優(yōu)選實(shí)施例中，分層電器件制造商將能量存儲(chǔ)器件嵌入到構(gòu)成分層電器件的各層中。高的能量存儲(chǔ)電介質(zhì)夾在兩導(dǎo)電層中間，并且完全包括在分層電器件中。根據(jù)建立能量存儲(chǔ)器件的值所需的參數(shù)，來(lái)腐蝕或形成高存儲(chǔ)電介質(zhì)周圍的至少導(dǎo)電層中的一層。制造商根據(jù)半導(dǎo)體器件工藝中的技術(shù)特征、集成芯片制造技術(shù)或印刷電路板技術(shù)來(lái)腐蝕或形成該層。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，制造商用層或襯底來(lái)構(gòu)成分層的電器件。分層的電器件包括在自己的組合件中，一對(duì)導(dǎo)電層將高能量存儲(chǔ)電容電介質(zhì)夾在中間。形成第一導(dǎo)電層以提供用于諸如電池或電容等電存儲(chǔ)器件的合適的形狀和大小的板。
也可以，第二導(dǎo)電層保持不變。在這里，由兩個(gè)導(dǎo)電層限定的所有的能量存儲(chǔ)器件和電介質(zhì)層在由第二導(dǎo)電層限定的引線上需要相似的電壓電平。
在另一個(gè)實(shí)施例中，第二導(dǎo)電層的區(qū)域與另一個(gè)電隔離。這有助于為由兩個(gè)導(dǎo)電層和電介質(zhì)層限定的每個(gè)能量存儲(chǔ)器件形成獨(dú)立的引線。設(shè)計(jì)者能夠從現(xiàn)在的獨(dú)立引線為每個(gè)能量存儲(chǔ)器件做出到幾個(gè)不同電壓的合適的連接。在另一個(gè)實(shí)施例中，一導(dǎo)電層能夠起到分層電器件熱沉的作用。
本發(fā)明用固態(tài)能量存儲(chǔ)器件代替了普通的電化學(xué)后備能量存儲(chǔ)器件，上述固態(tài)能量存儲(chǔ)器件由導(dǎo)電板和高介電常數(shù)的電介質(zhì)構(gòu)成。電介質(zhì)應(yīng)該具有至少50的介電常數(shù)，優(yōu)選至少100的介電常數(shù)。
因此，設(shè)計(jì)者或制造商可以把高能量存儲(chǔ)電容或電池整體形成在芯片或電路板內(nèi)。這種內(nèi)部制造減少了互連，這些互連是許多制造缺陷的根源。高電容電介質(zhì)還提供在分層電器件內(nèi)的大容量的電容或電池，這樣釋放了寶貴的在分層電器件上的面積和分層電器件內(nèi)的體積。大容量的電介質(zhì)還使能量存儲(chǔ)器件存儲(chǔ)足夠的用作后備存儲(chǔ)器件的能量。
能量供應(yīng)單元包括一能量存儲(chǔ)器件，它按照上述所述的那樣形成在分層電器件的各層。一電壓檢測(cè)器檢測(cè)外部電源的電勢(shì)電平。當(dāng)電壓檢測(cè)器檢測(cè)到電源的電勢(shì)低于第一電壓狀態(tài)時(shí)，表示諸如失效或電壓不足之類的電源中斷，它觸發(fā)切換開關(guān)。
電壓檢測(cè)器通過(guò)用信號(hào)通知電源中斷的出現(xiàn)來(lái)控制切換開關(guān)。切換開關(guān)在電壓檢測(cè)器檢測(cè)到并表示電源中斷時(shí)切斷到工作負(fù)載的電源。切換開關(guān)還將能量存儲(chǔ)器件連接到工作負(fù)載。然后在電源中斷，如失效或電壓不足等時(shí)，能量存儲(chǔ)器件將電能提供到工作負(fù)載。
圖2是集成電路芯片的各層之間的電連接的剖視圖。
圖3是組成集成電路的各層的剖視圖。
圖4是集成電路芯片上的電存儲(chǔ)器件的剖視圖。
圖4a是傳統(tǒng)的電能量存儲(chǔ)器件的剖視圖。
圖4b是并聯(lián)的能量存儲(chǔ)器件的示意圖。
圖5是形成導(dǎo)電板的底面的平面剖視圖。
圖6是在集成電路芯片上的嵌入的能量存儲(chǔ)器件的側(cè)剖視圖。
圖7是在集成電路芯片上另一個(gè)嵌入的能量存儲(chǔ)器件的剖視8是在集成電路芯片上的嵌入的能量存儲(chǔ)器件的剖視9是空白印刷電路板的剖視圖。


圖10是雙面空白印刷電路板的剖視圖。
圖11是顯示印刷電路板的孔和結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖12是由許多層組成的印刷電路板的剖視圖。
圖13是顯示在印刷電路板中嵌入的能量存儲(chǔ)器件的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖13a是制成嵌入的能量存儲(chǔ)器件的印刷電路板的底視圖。
圖13b是制成嵌入的能量存儲(chǔ)器件的印刷電路板的俯視圖。
圖13c是制成嵌入的能量存儲(chǔ)器件的印刷電路板的側(cè)視圖。
圖14是顯示另一個(gè)在具有多引線和電壓的印刷電路板中嵌入的能量存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖15是用于檢測(cè)電源減少并保持關(guān)鍵功能的恒定電源的器件的系統(tǒng)框圖。
圖16是用于保持關(guān)鍵功能的恒定電源的切換電路的示意圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述電壓檢測(cè)器連接到主電源。電壓檢測(cè)器檢測(cè)電源電勢(shì)降低到低于某一電勢(shì)電平時(shí)，指示電源中斷。電壓檢測(cè)器將這種狀態(tài)通知切換開關(guān)。切換開關(guān)連接到電器中的工作負(fù)載、主電源和后備能量存儲(chǔ)器件。切換裝置從電壓檢測(cè)器接收信號(hào)，該信號(hào)表示諸如失效或電壓不足一類的電源中斷。當(dāng)電壓檢測(cè)器檢測(cè)到并用信號(hào)通知存在電源中斷時(shí)，切換開關(guān)將工作負(fù)載由主電源供電切換為由后備能量存儲(chǔ)器件供電。當(dāng)電壓檢測(cè)器檢測(cè)到并用信號(hào)通知電源電勢(shì)返回到正常狀態(tài)時(shí)，切換開關(guān)將工作負(fù)載由后備能量存儲(chǔ)器件供電切換為由主電源供電。
能量存儲(chǔ)器件通過(guò)切換裝置連接到工作負(fù)載。這樣，當(dāng)主電源中斷時(shí)，后備能量存儲(chǔ)器件向工作負(fù)載提供電能。它還可以利用主電源進(jìn)行自身充電用于下一次電源中斷。
本發(fā)明描述了一種設(shè)備，后備能量存儲(chǔ)器件集成在諸如IC芯片或印刷電路板之類的分層的電器件中，而不需要輔助互連。這樣能量存儲(chǔ)器件不必是與分層電器件分離的并且在后面的制造階段加入的分立元件。相反，制造商可以形成作為分層電器件整體一部分的能量存儲(chǔ)器件。此外，能量存儲(chǔ)器件占用分層電器件表面上的最小的面積和體積。
如圖1所示，集成電路芯片90由導(dǎo)電層10、非導(dǎo)電層20和半導(dǎo)電材料30制成。如圖2所示，通過(guò)在襯底上形成被稱作“孔”的溝道200來(lái)形成在芯片內(nèi)的電路?？梢岳脵C(jī)械蝕刻、x-射線光刻或許多其它的本領(lǐng)域熟知的處理方法來(lái)刻出這些溝道。放置電導(dǎo)體210的薄膜，將孔和其它層電連接。另外，為了使所用體積最大化，在層中形成許多分層電器件，并粘結(jié)在一起以形成最終產(chǎn)品。
由于受到材料體積的限制和在芯片中使用的多數(shù)材料的低介電常數(shù)，所有的能量存儲(chǔ)器件，如電池等，不可能具有高能量存儲(chǔ)能力。這樣，由于面積和體積的限制，設(shè)計(jì)一個(gè)具有能夠存儲(chǔ)大量能量的能量存儲(chǔ)器件分層器件是不可能的。另外，在多數(shù)集成電路芯片中，不象印刷電路板那樣具有用于分立元件的外部連接，沒(méi)有能量存儲(chǔ)器件在它上面。這是因?yàn)榧呻娐沸酒ǔ２辉试S芯片表面上的互連。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖3所示，一個(gè)集成電路芯片90包括另外的襯底40、50和60。這些襯底包括夾在兩層導(dǎo)電襯底40和50中間的高存儲(chǔ)能力的介電材料50。
參照?qǐng)D4，為了在分層的組合件中形成諸如電容70一類的能量存儲(chǔ)器件，僅僅需要塑造出所需要的合適的電容。當(dāng)指定具有一已知厚度的介電材料時(shí)，僅僅需要計(jì)算導(dǎo)電襯底40的面積來(lái)限定和形成與所要求的能量存儲(chǔ)器件或電容相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電板100。
圖4a示出了傳統(tǒng)的電容的結(jié)構(gòu)，它包括兩個(gè)導(dǎo)電板460和440，它們中間夾有電介質(zhì)層450。導(dǎo)電層460和440連接到電壓410和460。應(yīng)該注意到圖4中的電容70可以具有這種結(jié)構(gòu)。如果電壓施加到層10上，電壓施加到層60上，就出現(xiàn)了整個(gè)電容的結(jié)構(gòu)。還應(yīng)該注意到，能夠簡(jiǎn)單地將相同的層結(jié)構(gòu)適用于電池的實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)該注意到，如圖4b所示，能夠通過(guò)一組電能量存儲(chǔ)器件的組合來(lái)增加得到的存儲(chǔ)的電能。這在圖4b中通過(guò)并聯(lián)的能量存儲(chǔ)器件70a、70b、70c和70d來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，增加電阻R1是用來(lái)調(diào)節(jié)從存儲(chǔ)器件70a、70b、70c和70d輸出的電能，并且實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)這種特性的存儲(chǔ)器件的優(yōu)選方式。
為了在分層的電器件內(nèi)制造能量存儲(chǔ)器件，如圖4和5所示，設(shè)計(jì)者或制造商決定合適的點(diǎn)用于安放電存儲(chǔ)器件70，導(dǎo)電板100與襯底40的其它部分電絕緣。然后“孔”200將襯底40和襯底10電連接。這就通過(guò)定型和利用襯底40、50和60形成了一個(gè)嵌入到分層的電器件內(nèi)的電容。
圖6和圖7示出了一個(gè)形成能量存儲(chǔ)器件的一種替代方案。襯底40最初在襯底20上形成，并通過(guò)常規(guī)的芯片制造技術(shù)變成合適的尺寸、形狀和位置，準(zhǔn)備好與由介電材料50和導(dǎo)電層60組成的薄層80粘結(jié)。從業(yè)者能夠通過(guò)本領(lǐng)域熟知的方式來(lái)完成。在如圖7所示的嵌入的能量器件的一個(gè)實(shí)施例中，處理襯底60使得襯底60、60a和60b上電隔離的每個(gè)區(qū)域能夠連接到不同的電壓。也可以，如圖6所示，需要改變襯底60。在此可以通過(guò)襯底60將每個(gè)電容或其他能量存儲(chǔ)器件連接到相同的電壓電平。
或者，如圖8所示，能夠作為一個(gè)單元形成襯底40、50和60。然后將襯底40和60改變成合適的尺寸、形狀和位置，然后通過(guò)常規(guī)的集成電路芯片制造技術(shù)將它們粘結(jié)到芯片90。應(yīng)該注意到從電介質(zhì)50上不需要腐蝕掉層40和60。應(yīng)該在電介質(zhì)層50上以合適的形狀、尺寸、位置和面積建立這些層。正如前面所描述的，在將元件300和310粘結(jié)在一起后，制造“孔”200會(huì)形成導(dǎo)電襯底10和40之間的電連接。應(yīng)該注意到孔200可以在粘結(jié)前制出。這會(huì)將電存儲(chǔ)器件連接到其它電路。
介電材料50的介電常數(shù)盡可能地高對(duì)減少電導(dǎo)體需要的面積是至關(guān)重要的。介電材料應(yīng)該具有至少50的介電常數(shù)，并且優(yōu)選至少100或更高的介電常數(shù)。具有這種高存儲(chǔ)能力很重要的原因有以下兩點(diǎn)。首先，能夠在分層電器件內(nèi)使用最小的面積和體積形成小到中等尺寸的能量存儲(chǔ)器件。第二，對(duì)于更高級(jí)的能量存儲(chǔ)器件來(lái)說(shuō)，直到現(xiàn)在也沒(méi)有用集成電路芯片的現(xiàn)有材料實(shí)現(xiàn)，更高的電存儲(chǔ)能力是必要的。利用具有更高介電常數(shù)的組合物能夠輕易的達(dá)到更高的存儲(chǔ)能力。介電常數(shù)越高，用該材料形成的給定的電池就能夠存儲(chǔ)更多的能量存儲(chǔ)。這樣，利用高介電常數(shù)材料50能得到更多的電能。
嵌入的能量存儲(chǔ)器件使用的優(yōu)選的材料包括在1997年8月提交的名稱為“SEMICONDUCTOR SUPERCAPACITOR SYSTEM ANDMETHOD FOR MAKING SAME”的美國(guó)專利申請(qǐng)08/911,716中發(fā)現(xiàn)的那些，在此引用作為參考。特別優(yōu)選的是Ba(a)Ti(b)O(c)配方的薄膜，其中a和b獨(dú)立地在0.75至1.25之間，c在約2.5至約5.0之間。能夠用于嵌入的能量存儲(chǔ)器件的另一種介電材料50是M(d)Ba(a)Ti(b)O(c)配方的薄膜，其中“M”是Au、Cu、Ni(3)Al、Ru或InSn，并且a和b是獨(dú)立地在0.75至1.25之間，c在約2.5至約5.0之間，d在約0.01至0.25之間。
導(dǎo)電襯底40和60可以是電導(dǎo)體，例如銅和銀。由于銅的熱和電的特性，優(yōu)選實(shí)施例選擇銅作為電導(dǎo)體。
幾種薄膜淀積技術(shù)能夠在導(dǎo)電的襯底上淀積上述的電介質(zhì)，例如溶膠-凝膠工藝、濺射、或化學(xué)蒸發(fā)技術(shù)。
在嵌入的能量存儲(chǔ)器件的另一個(gè)實(shí)施例中，在制造印刷電路板中可能使用到相同的技術(shù)。印刷電路板一般與集成電路芯片具有相同的襯底結(jié)構(gòu)，但是各層具有不同的用于不同目的的組合物。如圖9所示，印刷電路板150包括一諸如銅一類的導(dǎo)電材料110的上層，它布置在諸如光纖玻璃一類的非導(dǎo)電層120的上面。為了做出電路圖形，將光致抗蝕劑圖形絲網(wǎng)印刷到導(dǎo)電層110上，酸洗板150。這能去除除了由絲網(wǎng)印刷光致抗蝕劑保護(hù)的部分以外所有的導(dǎo)電材料110。應(yīng)該注意到板150能夠如圖10所示，包括在底部上的一導(dǎo)電材料160的第二層，用于在這種情況下做出電路圖形的工藝也是相同的。
因此，電路板150具有如圖11中所描述的構(gòu)成，導(dǎo)電材料110覆蓋在襯底120的某些地方。在板中鉆孔130用于各種分立電子元件，如集成電路芯片、電阻和電容。然后使孔130與導(dǎo)電材料140排成一行，為印刷電路板做出一“孔”。這確保了放置在板上的孔中的分立元件和在板150的表面上由導(dǎo)電材料110限定的蝕刻電路圖形之間的電接觸。這種技術(shù)也能夠用于連接被非導(dǎo)電層120分開的兩個(gè)導(dǎo)電層110。
能夠?qū)⒍鄬诱辰Y(jié)在一起，做出一層到另一層的電接觸，例如做出穿過(guò)上板到第二板的“孔”。這樣，能夠形成多層電路，如圖12中的多層板240所示，導(dǎo)電層110a、110b和110c，“孔”200a和200b，以及非導(dǎo)電層120a和120b。在嵌入的能量器件處理電路板的實(shí)施例中，為了得到給定介電常數(shù)和電介質(zhì)厚度的具有一定電容量的電容，光致抗蝕劑絲網(wǎng)按形狀、面積和布置放置在板的導(dǎo)電材料110上。
圖13示出了導(dǎo)電層110和非導(dǎo)電層120，通過(guò)孔200將層110連接到層250。蝕刻或形成導(dǎo)電層250以形成電能量存儲(chǔ)器件所需的面積和形狀。包括在導(dǎo)電層180的下面的一層介電材料170的薄片410在成形的導(dǎo)電層250粘結(jié)到晶片400，這樣在所得到的板中形成了一電存儲(chǔ)器件。
回到圖13a，雙面電路組合件490的底部導(dǎo)電層已經(jīng)被蝕刻做出了導(dǎo)電板500和510。非導(dǎo)電電路板層520包圍導(dǎo)電板500和510。雙重圖象530示出了在板490介電材料層與板490的區(qū)域。注意到該區(qū)域包括導(dǎo)電板500和510。
圖13b是圖13a中所描述的相同的雙面電路組合件的俯視圖。雙重圖象500和510描述了在板490的相對(duì)的兩面已形成了導(dǎo)電板500和510的區(qū)域。已經(jīng)形成導(dǎo)電的線550和560，并且通過(guò)非導(dǎo)電層520相互隔離。孔540和570將板500和510分別電連接到線550和560。
圖13c是待粘結(jié)到組合件490的組合件600的橫截面。組合件600包括一導(dǎo)電的散熱器590，其上的一區(qū)域放置有一薄層介電材料580。如圖13a所示，電介質(zhì)層580放置得與板500和510接觸。當(dāng)連接到組合件490時(shí)，導(dǎo)電板500和510同電介質(zhì)體540一起以及銅散熱器550組成一對(duì)電能量存儲(chǔ)器件。為了更精確地調(diào)整流到所連接的電路的其余部分的電能，能夠?qū)⑦@些存儲(chǔ)器件的引出線經(jīng)由一個(gè)電阻。
應(yīng)該注意到導(dǎo)電層180能夠自己形成為如圖14所示的將不同的元件連接到不同的電壓。圖14示出了連接到兩個(gè)可能不同的電壓的導(dǎo)電層180a和導(dǎo)電層180b，它還分別通過(guò)導(dǎo)電層110A和110b連接到兩個(gè)不同的電輸入。或者，如圖13所示，不需要改變導(dǎo)電層180，為在導(dǎo)電層110和電介質(zhì)層170上做出的所有的電存儲(chǔ)元件提供一公共電壓。
適當(dāng)?shù)乩酶呓殡姵?shù)材料構(gòu)成介電材料層170，能夠?qū)⒛芰看鎯?chǔ)器制作在印刷電路板的內(nèi)部。這大大地減少了互連的故障，并節(jié)省了在板表面的寶貴的面積和體積用于更多的諸如芯片和電阻之類的分立元件。根據(jù)本嵌入的能量器件的電存儲(chǔ)器件可以用于減少分層電器件的面積和體積。
在優(yōu)選實(shí)施例中，如圖13所示，所得到的電路板具有也用作散熱器的導(dǎo)電層180。因此，對(duì)于由電介質(zhì)層170和導(dǎo)電層110做成的元件，散熱器和導(dǎo)電層會(huì)變成相似的電壓電平，例如地電壓。這樣利用散熱器執(zhí)行雙重功能，來(lái)增加電路板的空間效率。
圖15示意性地示出了在分層的電器件中如何實(shí)現(xiàn)嵌入的電能量存儲(chǔ)器件，形成本發(fā)明的電存儲(chǔ)單元。切換電路300連接到嵌入的后備電能量存儲(chǔ)器件310。切換電路300也連接到主電源電勢(shì)Vcc。Vcc連接到電壓檢測(cè)電路320。
當(dāng)Vcc下降低于最小電勢(shì)時(shí)，電壓檢測(cè)電路320將這種情況通過(guò)信號(hào)線325用信號(hào)通知切換電路300。響應(yīng)電壓檢測(cè)器320生成的信號(hào)，切換電路300切斷Vcc與負(fù)載的其余部分的連接，將嵌入的電能量存儲(chǔ)器件310連接到負(fù)載。這使得負(fù)載消耗存儲(chǔ)在嵌入的存儲(chǔ)器件310中的電能。這樣，斷電或Vcc的中斷不會(huì)導(dǎo)致負(fù)載工作的丟失。
相應(yīng)地，當(dāng)Vcc升高到正常電平時(shí)，電壓檢測(cè)器320取消到切換電路300的信號(hào)。這樣，當(dāng)Vcc具有高于某以電壓的電勢(shì)表示正常工作時(shí)，切換電路300斷開嵌入的后備電能存儲(chǔ)器件310與負(fù)載的連接，將Vcc連接到負(fù)載330。
應(yīng)該注意到，正如在圖16中詳細(xì)示出的實(shí)施例那樣，嵌入的后備電能存儲(chǔ)器件310能夠連接到Vcc。當(dāng)Vcc跨接在嵌入的后備電能量存儲(chǔ)器件310的節(jié)點(diǎn)時(shí)，它重新充電Vcc。
參見(jiàn)圖16，詳細(xì)示出了切換電路300的一個(gè)例子。切換開關(guān)300包括兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管350和360。這些場(chǎng)效應(yīng)管可以都是N-型晶體管或者都是P-型晶體管。晶體管350和360都是開關(guān)晶體管。
晶體管350的漏極連接到Vcc電源，源極連接到輸出負(fù)載330。晶體管350的柵極連接成通過(guò)“非”門370從電壓檢測(cè)器320接收信號(hào)。晶體管360的漏極連接到嵌入的后備電能存儲(chǔ)器件310，源極連接到負(fù)載330。晶體管360的柵極連接成從電壓檢測(cè)器320接收信號(hào)。
從圖16中可以看出，晶體管350和360通過(guò)來(lái)自電壓檢測(cè)器320的信號(hào)325交替地導(dǎo)通。當(dāng)電壓檢測(cè)器320檢測(cè)到Vcc下降，信號(hào)325導(dǎo)通晶體管360并截止晶體管350。這將后備能量存儲(chǔ)器件310連接到負(fù)載300。也可以，當(dāng)電壓檢測(cè)器320檢測(cè)到Vcc高于最小閾值時(shí)，信號(hào)325導(dǎo)通晶體管350，截止晶體管360。這將負(fù)載連接到Vcc。
在導(dǎo)通晶體管350和截止晶體管360之間可能會(huì)發(fā)生微小的時(shí)間間隔，反之亦然。在切換電路300中的電容380的使用能夠平滑在發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)可能出現(xiàn)的短時(shí)脈沖干擾。
電壓檢測(cè)器320可以是任何種類的已知電壓檢測(cè)器。嵌入的后備電能存儲(chǔ)器310按上面所描述的那樣構(gòu)筑。
在討論中應(yīng)該注意，Vcc是直流電源。大多數(shù)電器使用交流電源，大多數(shù)電器件在主負(fù)載之前將交流電流或電壓轉(zhuǎn)換成直流電流或電壓。當(dāng)家用交流電下降時(shí)，得到的直流電壓也下降。這樣，當(dāng)家用交流電流下降時(shí)，Vcc下降。
在實(shí)施例中應(yīng)該注意到，后備能量存儲(chǔ)器件作為包括在電器的一部分的所得到的分層電器件的整體的一部分存在。在電路板的情況下，最后的分層電器件可以將其外表面的一部分作為電存儲(chǔ)器件的一個(gè)導(dǎo)電層。在這種情況下，存儲(chǔ)器件可以部分地嵌入到分層的電器件中。在其它實(shí)施例中，電存儲(chǔ)器件可以全部嵌入到最后的分層電器件內(nèi)。
可以不背離本發(fā)明的精神和超出后面的權(quán)利要求所限定的范圍，對(duì)這里描述的各元件的特性、組成、操作和布置、步驟和過(guò)程可以做出各種修改。
權(quán)利要求
1．一種用于電器件的能量單元，電器件具有電源和工作負(fù)載，其中電器件還包括分層的電器件，分層的電器件具有上外表面和下外表面，能量單元包括至少一個(gè)能量存儲(chǔ)器件包括介電材料；和第一和第二電存儲(chǔ)導(dǎo)電層，其中介電材料放置于第一和第二電存儲(chǔ)導(dǎo)電層之間；由此，介電材料存在于分層的電器件的上外表面和下外表面之間；電壓檢測(cè)器，用于檢測(cè)電源的電勢(shì)電平，其中電壓檢測(cè)器在電壓檢測(cè)器檢測(cè)到電源的電勢(shì)電平低于第一電壓的狀態(tài)時(shí)檢測(cè)到電源中斷；由電壓檢測(cè)器控制的切換器，用于當(dāng)電壓檢測(cè)器檢測(cè)到電源中斷時(shí)，切斷電源與工作負(fù)載的連接，將能量存儲(chǔ)器件連接到工作負(fù)載，由此，在電源中斷期間，能量存儲(chǔ)器件向工作負(fù)載提供電能。
2．如權(quán)利要求1的能量單元，其中能量存儲(chǔ)器件與分層電器件是集成在一起的。
3．如權(quán)利要求2的能量單元，其中分層的電器件是電路板。
4．如權(quán)利要求3的能量單元，其中電路板還包括至少一個(gè)電連接到一個(gè)電存儲(chǔ)導(dǎo)電層的電路導(dǎo)電層。
5．如權(quán)利要求4的能量單元，其中電路導(dǎo)電層包括至少電路板的上外表面或下外表面的一部分。
6．如權(quán)利要求4的能量單元，其中電路導(dǎo)電層被包含在電路板的上外表面或下外表面內(nèi)。
7．如權(quán)利要求3的能量單元，其中介電材料的介電常數(shù)至少為50。
8．如權(quán)利要求3的能量單元，其中介電材料的配方為Ba(a)Ti(b)O(c)，其中a和b獨(dú)立地在0.75至1.25之間，c在約2.5至約5.0之間。
9．如權(quán)利要求3的能量單元，其中介電材料的配方為M(d)Ba(a)Ti(b)O(c),“M”是Au、Cu Ni(3)Al、Ru或InSn，其中a和b獨(dú)立地在0.75至1.25之間，c在約2.5至約5.0之間。
10．如權(quán)利要求3的能量單元，其中第一或第二電存儲(chǔ)導(dǎo)電層是熱沉。
11．如權(quán)利要求3的能量單元，其中能量存儲(chǔ)器件是電容。
12．如權(quán)利要求3的能量單元，其中能量存儲(chǔ)器件是電池。
13．如權(quán)利要求2的能量單元，其中分層的電器件是集成電路芯片。
14．如權(quán)利要求13的能量單元，其中集成電路芯片還包括至少一個(gè)電連接到一個(gè)電存儲(chǔ)導(dǎo)電層的電路導(dǎo)電層。
15．如權(quán)利要求13的能量單元，其中電路導(dǎo)電層被包含在集成電路芯片的上表面和下表面內(nèi)。
16．如權(quán)利要求13的能量單元，其中介電材料的介電常數(shù)至少為50。
17．如權(quán)利要求13的能量單元，其中介電材料的配方是Ba(a)Ti(b)O(c)，其中a和b獨(dú)立地在0.75至1.25之間，c在約2.5至約5.0之間。
18．如權(quán)利要求13的能量單元，其中介電材料的配方為M(d)Ba(a)Ti(b)O(c),“M”是Au、Cu Ni(3)Al、Ru或InSn，其中a和b獨(dú)立地在在0.75至1.25之間，c在約2.5至約5.0之間。
19．如權(quán)利要求13的能量單元，其中電存儲(chǔ)導(dǎo)電層是熱沉。
20．如權(quán)利要求13的能量單元，其中能量存儲(chǔ)器件是電容。
21．如權(quán)利要求13的能量單元，其中能量存儲(chǔ)器件是電池。
22．如權(quán)利要求1的能量單元，其中切換開關(guān)包括至少一個(gè)晶體管。
23．如權(quán)利要求1的能量單元，其中兩個(gè)或更多個(gè)能量存儲(chǔ)器件是并聯(lián)的。
24．一種電路板，該電路板連接到電源，電路板包括上外表面和下外表面；至少一個(gè)能量存儲(chǔ)器件包括介電材料；第一和第二電存儲(chǔ)導(dǎo)電層，其中介電材料置于第一和第二電存儲(chǔ)導(dǎo)電板之間；由此，能量存儲(chǔ)導(dǎo)器件至少部分地嵌入到電路板的上外表面和下外表面之間；連接到電源的工作負(fù)載；連接到電源的電壓檢測(cè)器，用于檢測(cè)電源的電勢(shì)電平，其中在電壓檢測(cè)器檢測(cè)到電源的電勢(shì)電平低于第一電壓狀態(tài)時(shí)，電壓檢測(cè)器檢測(cè)到電源的中斷；由電壓檢測(cè)器控制的切換開關(guān)，用于當(dāng)電壓檢測(cè)器檢測(cè)到電源中斷時(shí)，切斷電源與工作負(fù)載的連接，將能量存儲(chǔ)器件連接到工作負(fù)載，由此，在電源中斷期間，能量存儲(chǔ)器件向工作負(fù)載提供電能。
25．如權(quán)利要求24的能量存儲(chǔ)單元，其中切換開關(guān)包括至少一個(gè)晶體管。
26．如權(quán)利要求24的能量單元，其中能量存儲(chǔ)器件是與電路板集成在一起的。
27．如權(quán)利要求24的電路板，其中介電材料的介電常數(shù)至少為50。
28．如權(quán)利要求27的電路板，其中介電材料的介電常數(shù)至少為100。
29．如權(quán)利要求24的電路板，其中電路板還包括至少一個(gè)電路導(dǎo)電層，電路導(dǎo)電層位于能量存儲(chǔ)器件的外側(cè)。
30．如權(quán)利要求29的電路板，其中至少一個(gè)導(dǎo)電層電連接到電路導(dǎo)電層。
31．如權(quán)利要求30的電路板，其中電路導(dǎo)電層包括至少一個(gè)外表面的一部分。
32．如權(quán)利要求29的電路板，其中第二電存儲(chǔ)導(dǎo)電層也是熱沉。
33．如權(quán)利要求24的電路板，其中第二導(dǎo)電層是與至少部分嵌入到電路板中的電存儲(chǔ)器件共同的。
34．如權(quán)利要求24的電路板，其中第二導(dǎo)電層由多于一個(gè)的電隔離區(qū)域組成，由此不同的電存儲(chǔ)器件至少部分地嵌入到能夠連接到不同電壓的電路板內(nèi)。
35．如權(quán)利要求24的電路板，其中能量存儲(chǔ)器件是電容。
36．如權(quán)利要求24的電路板，其中能量存儲(chǔ)器件是電池。
37．如權(quán)利要求24的電路板，其中介電材料的配方為Ba(a)Ti(b)O(c)，其中a和b獨(dú)立地在0.75至1.25之間，c在約2.5至約5.0之間。
38．如權(quán)利要求24的能量單元，其中介電材料的配方為M(d)Ba(a)Ti(b)O(c),“M”是Au、Cu Ni(3)Al、Ru或InSn，其中a和b獨(dú)立地在在0.75至1.25之間，c在約2.5至約5.0之間。
39．如權(quán)利要求24的電路板，包括至少兩個(gè)并聯(lián)的電存儲(chǔ)器件。
40．一種集成的芯片，包括連接到電源的集成的芯片，該集成的芯片包括上外表面和下外表面；至少一個(gè)能量存儲(chǔ)器件包括介電材料；和第一和第二電存儲(chǔ)導(dǎo)電層，其中介電材料置于第一和第二電存儲(chǔ)導(dǎo)電層之間；由此，能量存儲(chǔ)器件至少部分地嵌入到電路板的上外表面和下外表面之間；連接到電源的工作負(fù)載；連接到電源的電壓檢測(cè)器，用于檢測(cè)電源的電勢(shì)電平，其中當(dāng)電壓檢測(cè)器檢測(cè)到電源的電勢(shì)電平低于第一電壓狀態(tài)時(shí)，電壓檢測(cè)器檢測(cè)到電源的中斷；由電壓檢測(cè)器控制的切換開關(guān)，用于當(dāng)電壓檢測(cè)器檢測(cè)到電源中斷時(shí)，切斷電源與工作負(fù)載的連接，將能量存儲(chǔ)器件連接到工作負(fù)載，從而由能量存儲(chǔ)器件向工作負(fù)載供電。
41．如權(quán)利要求40的集成的芯片，其中集成電路芯片還包括至少一個(gè)電路導(dǎo)電層，電路導(dǎo)電層存在于能量存儲(chǔ)器件的外部。
42．如權(quán)利要求40的集成的芯片，其中至少導(dǎo)電層中的一層被電連接到電路導(dǎo)電層。
43．如權(quán)利要求40的集成的芯片，其中介電材料的介電常數(shù)至少為50。
44．如權(quán)利要求40的集成的芯片，其中介電材料的介電常數(shù)至少為100。
45．如權(quán)利要求40的集成的芯片，其中介電材料的配方是Ba(a)Ti(b)O(c)，其中a和b獨(dú)立地在0.75至1.25之間，c在約2.5至約5.0之間。
46．如權(quán)利要求40的集成的芯片，其中介電材料的配方是M(d)Ba(a)Ti(b)O(c)，其中“M”是Au、Cu、Ni(3)Al、Ru或InSn,a和b獨(dú)立地在0.75至1.25之間，c在約2.5至約5.0之間。
47．如權(quán)利要求40的集成的芯片，其中第二電存儲(chǔ)導(dǎo)電層也是熱沉。
48．如權(quán)利要求40的集成的芯片，其中第二導(dǎo)電層是與所有嵌入在集成電路芯片內(nèi)的電存儲(chǔ)器件共同的。
49．如權(quán)利要求40的集成的芯片，其中第二導(dǎo)電層由多于一個(gè)的電隔離區(qū)域組成，由此，嵌入在集成電路芯片內(nèi)的不同的電存儲(chǔ)器件能夠連接到不同的電壓。
50．如權(quán)利要求40的集成的芯片，其中能量存儲(chǔ)器件是電容。
51．如權(quán)利要求40的集成的芯片，其中能量存儲(chǔ)器件是電池。
52．如權(quán)利要求40的集成的芯片，其中切換開關(guān)包括至少一個(gè)晶體管。
53．如權(quán)利要求40的集成的芯片，其中能量存儲(chǔ)器件是與集成的芯片集成在一起的。
54．如權(quán)利要求40的集成的芯片，包括至少兩個(gè)并聯(lián)的電存儲(chǔ)器件。
55．一種用于向具有工作負(fù)載和分層的電器件的電器件提供后備電源的方法，該方法包括a)檢測(cè)向工作負(fù)載供電的電源的電勢(shì)電平；b)如果電勢(shì)電平下降到低于第一電壓狀態(tài)，切換至少一個(gè)電能量存儲(chǔ)器件，以向工作負(fù)載供電，由此，電能量存儲(chǔ)器件包括介電材料；和第一和第二電存儲(chǔ)導(dǎo)電板，其中介電材料置于第一和第二電存儲(chǔ)導(dǎo)電層之間；由此，能量存儲(chǔ)器件至少部分地嵌入在分層電器件的上外表面和下外表面之間。
全文摘要
一種電器的后備能量單元,該電器件具有電源和工作負(fù)載并包括分層的具有上外表面和下外表面的諸如集成電路芯片和分層的電路板一類的電器件。這種能量單元由至少一個(gè)能量存儲(chǔ)單元組成。這種能量存儲(chǔ)器件由介電材料以及第一和第二電存儲(chǔ)導(dǎo)電層組成。介電材料放置在第一和第二電存儲(chǔ)導(dǎo)電層之間。另外,介電材料在分層的電器件的上外表面和下外表面之間。能量單元還包括檢測(cè)電源電平的電壓檢測(cè)器。當(dāng)電壓檢測(cè)器檢測(cè)到電源中斷時(shí),也就是,電源的電平低于第一電壓狀態(tài)時(shí),它控制切換開關(guān)。上述切換開關(guān)在電壓檢測(cè)器檢測(cè)到電源中斷時(shí),切斷從工作負(fù)載到電源的連接,將能量存儲(chǔ)器件連接到工作負(fù)載。這樣,當(dāng)電源中斷時(shí),能量存儲(chǔ)器件向工作負(fù)載供電。
文檔編號(hào)H05K1/00GK1301426SQ99806213
公開日2001年6月27日 申請(qǐng)日期1999年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月15日
發(fā)明者唐納德·T·斯塔菲爾 申請(qǐng)人:艾納爾杰紐斯公司