專利名稱：具有內置型電磁材料的電子裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種抑制電磁干擾的電子裝置，具體地說，使用內置型磁性材料減少 電磁信號干擾的技術領域。
背景技術：
隨著移動電子產品的日益普及和電子產品的頻率(如手機)的不斷增加，電磁串 /干擾(英文縮寫為EMI)成為一個日益嚴重的問題。解決電磁串擾的最普通的方法是用 導體對電子裝置進行屏蔽。然而，在很多時候這種金屬屏蔽方式只能反射電磁波，將電磁波 反射到電子裝置的其他部件或部位，造成意想不到的不良后果。如果使用鐵氧體的環，那么 通常是把導線通過環心在環上纏繞。還有一種方法是把鐵氧體做成夾子，這樣就避免了繞 線。然而，在印刷電路板(PCB)上，集成電路的集成度越來越高，不可能用尺寸很大的傳統 鐵氧體材料來解決電磁串擾的問題。可見，上述解決方案存在著很大的局限性，并且從實踐 來看，效果也不理想。
發明內容
本發明提供了一種具有內置型電磁材料的電子裝置，它可以解決現有技術存在的 解決電磁干擾的技術方案具有很大局限性，以及技術效果不佳等問題。本發明是關于在PCB板中使用內置型磁性材料減少電磁信號干擾(EMI)的技術方 案及該技術方案的應用。為了達到解決上述技術問題的目的，本發明的技術方案是，一種內置于印刷電路 板的電子裝置，其特征在于，結構上包括一層介電層夾在兩層導電層中間，所述導電層是格 局過的或者非格局的，所述介電層中含有抑制EMI的磁性材料。所述抑制EMI的磁性材料包括下列至少一種元素的單質Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni， Cu, Zn, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu，或者一種或幾種包含以上 的單質的化合物，或者一種或幾種包含以上的單質的合金。所述抑制EMI的磁性材料是一種鐵氧體材料；或者，所述抑制EMI的磁性材料是一 種磁性石榴石結構的材料。所述抑制EMI的磁性材料是不同的磁性材料的組合，用以吸收一定波段的電磁輻射。所述介電層是將所述抑制EMI的磁性材料和介電樹脂混合形成復合材料，所述復 合材料作為PCB的介電層，所述介電樹脂包括以下一種或幾種環氧樹脂，聚氰酸酯，聚酯，聚亞酰胺，聚四氟
乙烯，聚二氟乙烯，聚苯醚。除所述抑制EMI的磁性材料之外在結構上還包括有一層導電層、或者一層導電 片，或者導電的填充物為所述電子裝置提供電磁兼容性。所述介電層除了所述抑制EMI的磁性材料以外，還包括至少一種組分以實現下列一種或幾種被動器件的功能電容，電感，過電壓保護裝置，電阻，過電流保護裝置，其它被 動濾波裝置。所述提供其它被動器件功能的組分包括以下一種或幾種鈦酸鹽陶瓷粉末，表面 有修飾或無修飾的導電粉末，具有導電區域的粉末，varistor粉末，電壓開關復合材料，碳 納米管，碳黑，金屬氧化物。一種內置型多層電子裝置，所述裝置包括(1) 一個內置于PCB板上的復合材料介電層，所述復合材料介電層包含至少一種 對電路刻蝕液有反應性組分；(2)至少一層導電層；(3)而且裝置里至少用一層保護層分隔所述復合材料介電層和導電層，所述保護 層防止介電層中的反應性組分和電路刻蝕液起化學反應；所述裝置提供以下功能的一種或幾種抑制EMI裝置，電容，被動濾波裝置，電阻， 被動過電壓保護，被動過電流保護。所述反應性組分從以下物質中選出金屬，包括以下一種或幾種鋁，鎂，鐵；還有 金屬氧化物，包括以下一種或幾種參雜的或不參雜的氧化鋅，氧化鎂，氧化鋁，氧化鐵，氧 化亞鐵；還有陶瓷材料，包括以下一種或幾種鐵磁體，石榴石。因此，解決電磁串擾的最佳方案是把造成干擾的高頻電磁波在其產生的源頭把它 吸收掉。抑制電磁干擾的膠帶，小球，小圓柱已證實能夠解決外部的電磁干擾的線路，電纜 等。用的最多的吸收材料是鐵氧體材料制成的小球。通過這些小球的繞線會對高頻率產生 阻抗，從而減少高頻電磁串擾和噪音。被吸收的電磁波的能量會轉化為熱能，并被鐵氧體傳 遞到周圍環境中。可見，優選的設計構思就是把電磁串擾的抑制裝置內置于PCB內部，直接把電磁 串擾信號在它產生的源頭就地吸收，而不是等導線釋放出電磁干擾以后在距離源頭一定的 距離上吸收。據本申請人所知，還沒有關于在PCB的介電層里加入內置的磁性材料(如鐵氧體) 對EMI進行抑制或吸收的報導。本發明的主要設計構思是在PCB上加入抑制EMI磁性材料。為達到這一目的，最 優化的方法是把這種抑制EMI磁性材料做到PCB的內部，即參入兩層銅膜中間的介電層里。 一個制成的PCB可以含有一層或者多層的抑制EMI磁性材料。為了方便制造，抑制EMI磁 性材料遍布于整個PCB的XY平面上，但是，本發明不排除只把抑制EMI磁性材料用在PCB 的部分面積上(即不完全覆蓋XY平面)。在本發明中凡是PCB兩層銅膜之間的非導電夾層 都屬于介電層范疇。
圖1 在PCB上導線刻蝕形成的工藝描述；圖2 在PCB的介電層里使用反應活性填充物的危害；圖3 在PCB上加上一層化學保護層，從而避免了在導線的刻蝕形成工藝對反應性 填充物的腐蝕。
圖4 在PCB上刻蝕形成的電路，包含有功能填充物和化學保護層。1和2是銅箔層；3是含有填充材料4 (如抑制EMI粉末)的介電層；5，6是銅線路；7是由于填充材料的腐蝕所形成的空洞；8和9是位于銅箔層和含有功能材料的介電層之間的化學保護-絕緣層。
具體實施例方式一種內置于印刷電路板的電子裝置，結構上包括一層介電層夾在兩層導電層中 間，所述導電層是格局過的或者非格局的，所述介電層中含有抑制EMI的磁性材料。所述抑制EMI的磁性材料包括下列至少一種元素的單質Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni， Cu, Zn, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu，或者一種或幾種包含以上 的單質的化合物，或者一種或幾種包含以上的單質的合金。所述抑制EMI的磁性材料是一種鐵氧體材料；或者，所述抑制EMI的磁性材料是一 種磁性石榴石結構的材料。所述抑制EMI的磁性材料是不同的磁性材料的組合，用以吸收一定波段的電磁輻射。所述介電層是將所述抑制EMI的磁性材料和介電樹脂混合形成復合材料，所述復 合材料作為PCB的介電層，所述介電樹脂包括以下一種或幾種環氧樹脂，聚氰酸酯，聚酯，聚亞酰胺，聚四氟
乙烯，聚二氟乙烯，聚苯醚。除所述抑制EMI的磁性材料之外在結構上還包括有一層導電層、或者一層導電 片，或者導電的填充物為所述電子裝置提供電磁兼容性。所述介電層除了所述抑制EMI的磁性材料以外，還包括至少一種組分以實現下列 一種或幾種被動器件的功能電容，電感，過電壓保護裝置，電阻，過電流保護裝置，其它被 動濾波裝置。所述提供其它被動器件功能的組分包括以下一種或幾種鈦酸鹽陶瓷粉末，表面 有修飾或無修飾的導電粉末，具有導電區域的粉末，varistor粉末，電壓開關復合材料，碳 納米管，碳黑，金屬氧化物。一種內置型多層電子裝置，所述裝置包括(1) 一個內置于PCB板上的復合材料介電層，所述復合材料介電層包含至少一種 對電路刻蝕液有反應性組分；(2)至少一層導電層；(3)而且裝置里至少用一層保護層分隔所述復合材料介電層和導電層，所述保護 層防止介電層中的反應性組分和電路刻蝕液起化學反應；所述裝置提供以下功能的一種或幾種抑制EMI裝置，電容，被動濾波裝置，電阻， 被動過電壓保護，被動過電流保護。所述反應性組分從以下物質中選出金屬，包括以下一種或幾種鋁，鎂，鐵；還有 金屬氧化物，包括以下一種或幾種參雜的或不參雜的氧化鋅，氧化鎂，氧化鋁，氧化鐵，氧化亞鐵；還有陶瓷材料，包括以下一種或幾種鐵磁體，石榴石。最傾向使用的材料工藝是把抑制EMI磁性粉末和介電樹脂如環氧樹脂，丙烯酸樹 脂等混合起來，形成復合材料。這種復合材料可以作為PCB的介電層。 還有一種方法就是把純的抑制EMI磁性材料，或基于抑制EMI磁性材料的復合物， 制成和一層或兩層銅膜相接的EMI抑制層。例如，可以先制成由鐵氧體材料構成的EMI抑 制層，然后在它上面用壓膜的方法壓上介電高分子層，然后把這種多層結構作為PCB的介 電層。又如，可以在介電膜或者導電膜上用涂布或者物理氣相層積的方法沉積一層抑制EMI 磁性材料，然后和銅膜壓合在一起。最常用的抑制EMI磁性材料是鐵氧體。鐵氧體的種類很多，不同的鐵氧體可以用 于針對不同波段的電磁信號噪音。除了鐵氧體之外，磁性金屬或金屬合金，例如鎳，鎳合金， 鐵，鐵合金都是抑制EMI磁性材料。在復合材料的選擇上，把不同的抑制EMI磁性材料按照 不同的組分混合起來，可以抑制不同波段或不同類別的EMI。還有一種常見的抑制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層介電層里，為這層介電層提供EMI抑制功能。它也 可以添加到其它內置元器件里提供EMI抑制功能。例如，它可以添加到內置型電容里(內 置型電容是指電容埋置于PCB的介電層里)，用以吸收一定波段的EMI輻射。它也可以加到 過內置型電壓保護層里(即過電壓保護功能內置于PCB介電層里)，在提供過電壓保護的基 礎上提供EMI吸收功能。所以，抑制EMI磁性材料可以是PCB里多功能層里的一個組分。抑制EMI磁性材料，尤其是基于鐵氧體的氧化物或陶瓷材料，可以是以下形狀的 粉末球形，針狀，片狀，無規則狀，或任意形狀。抑制EMI磁性材料的顆粒大小必須小到可以適合高分子-抑制EMI磁性復合材料 制造工藝和PCB制造工藝，如壓膜，打孔等。不同的復合材料的厚度要求不同的顆粒大小。 基本規則是D90指標必須小于復合材料的厚度。盡管本發明傾向于使用含有抑制EMI磁性材料的復合材料實現EMI的抑制，使用 一層或多層的單純的抑制EMI磁性材料(不含樹脂和高分子)作為PCB內部的介電層也應 屬于本發明范疇。有機樹脂結合劑可以是一種或幾種有機材料，必須具有下列性質固化或交聯成 具有機械強度的結構，這個交聯后的結構可以把其它組分牢固的結合成一個穩定的固體混 和物。它可以從以下材料中選出環氧樹脂，聚氰酸酯，聚酯，聚亞酰胺，聚四氟乙烯，聚二氟 乙烯，聚苯醚，和其他在PCB工藝里穩定的高分子。在結合劑的配方里，可以用其他添加劑。例如，交聯劑，熟化劑，交聯加速劑，保證 填充物穩定分散的分散劑，減少泡沫的消泡劑，調節黏度的流變控制劑，修飾樹脂的塑化劑 或交聯劑可以使交聯后的樹脂更強或更柔韌，使樹脂在高溫下穩定的熱穩定劑，使復合材 料層和導電層結合力增強的粘合增強劑。導電層通常由銅箔構成，導電層可以用但不限于用以下材料招，鎳，銀，導電高分 子，導電高分子復合體，導電糊，基于碳纖維的導電復合材料。銅箔表面可以先用其他材料處理，例如金屬元素，金屬氧化物，硅烷，粘合劑等，用以增加銅箔和EMI復合材料層的粘合 力，或者提高這一結構的電容。用來做銅箔表面處理的元素包括鎳，鉻，鈦，鎢，錫，磷，硫， 或者它們的氧化物，可以用單一組分，或者不同組分的混合。金屬箔表面可以經過機械或 電化學打磨，或者經過刻蝕來增加表面的粗糙度。導電復合材料，例如碳納米管復合材料， 可以用光刻蝕或者絲網印刷的工藝對EMI-復合材料表面進行電路圖案的鋪設(circuit patterning)0為了增加多層結構的強度和調整熱膨脹系數，一張塑料膜或者纖維狀材料可以添 加到含有EMI-材料的介電層里。纖維狀材料可以從以下材料中選擇(但不限于以下材 料)ARAMID纖維，無紡型或紡織型ARAMID纖維布，玻璃纖維，無紡型或紡織型玻璃纖維布， NOMEX纖維，無紡型或紡織型NOMEX纖維布。這些增強材料可層壓到EMI抑制復合層用來做 自支撐復合介電壓合膜，然后再在上面層壓上一層銅箔做成覆銅板。或者，可以把增強材料 直接用卷法(roll-to-roll)鋪設到多層結構的一層高分子層里。這樣制造的銅箔-多層介電材料-銅箔的電子裝置可以通過普通的微電子工藝 處理，在(含有抑制EMI磁性材料)介電層上產生規則的導電連接線路。這普通工藝一般 包含多個步驟層間連接(via process)，電鍍，光造影刻蝕，層壓。這些具體工藝細節可以 在教科書中找到，例如 Print Circuit BoardHandbook, Sixth edition, Edited by Clyde F. Coombs0這種多層介電材料的高電容性能使之在實現EMI抑制功能之外還可以作為微電 子裝置的內置電容。在PCB制造工藝里的線路形成工藝里經常會用到銅刻蝕和鍍銅技術。圖1顯示了 制造工藝里的刻蝕過程。1和2是銅箔層，3是含有填充材料4(如EMI抑制粉末)的介電 層。通過普通光刻蝕工藝的過程光刻膠涂布，曝光，顯影，刻蝕，沖洗，銅線路5，6就在介電 層上面形成了。PCB通常有多層線路和多層介電層。有些鐵氧體會和PCB制造工藝里的化學藥品起反應。銅刻蝕液和鍍銅液都是具有 強烈腐蝕的強酸。銅刻蝕溶液還有強氧化性。如果溶液和介電層中的填充物反應，就會導 致很多產品缺陷，例如針孔，根切，剝落。這種情況在高填充物比例的情況下，尤其在接近逾 滲閥值(percolation threshold)的情況會更加惡化。這種情況顯示在圖2中，當一個組 分和銅的刻蝕液反應是，這個組分可以被腐蝕掉，導致空洞7的形成。空洞可以滯留很多腐 蝕性或者導電性的溶液，導致層間剝落和根切。為了防止這個問題的發生，可以在銅箔或者介電層上加上一層保護層。這樣的結 構在圖3中表示，層8和層9位于導銅箔電層和含有功能材料的介電層之間。它避免了反 應活性功能材料和銅腐蝕液的反應。這種方法不僅僅局限于內置型EMI抑制裝置里，它可 以用在其它領域例如內置型電容。這樣在內置型電容里，可以使用活波金屬作為填充材料， 例如鋁等。在內置型過電壓保護裝置里，就可以使用有反應活性的氧化物。圖4顯示了最 后刻蝕好的銅線路，保護層，和含有反應活性的介電層。這種多層結構可以等效于一個介電 層，作為銅層中間的分隔層。本發明中，這樣的多層結構(不包括銅)和其它類似結構都叫 做介電層。這樣的化學保護-絕緣層可以涂布到銅箔上，或者介電層上。但是直接涂到銅箔 表面是較為直接簡捷的途徑。這樣的保護層在厚度傾向于小于10微米，最好小于5微米， 甚至1微米。最薄可以到多少取決于相關的刻蝕和鍍膜條件，保護膜的化學性質，填充物的化學反應活性。實施例1EMI-抑制復合材料和銅導線直接接觸下的EMI抑制性能一根長13厘米，直徑150微米的銅導線，埋置于兩層70微米厚，含有40%的鐵氧 體填充物的環氧樹脂里。測試用的儀器是HP 4195A network/spectrum分析儀。在0. 001 到500兆赫茲頻率范圍內對導線進行阻抗測試。與空白基線相比，即同樣尺寸的銅導線埋 在不含有鐵氧體填充物的環氧樹脂里，有鐵氧體的銅導線阻抗在350到500兆赫范圍里減 弱了 5個分貝。可見，該實施例證明了 PCB電子線路中導線和含有抑制EMI磁性復合材料 直接接觸情況下的EMI抑制效果。實施例2介電層中鐵氧體造成的能量損失，在這個實施例里，制成兩個產品產品一一個35微米厚的含有5%鐵氧體體積含量的復合環氧樹脂，其中還有一 層13微米厚的玻璃纖維布。這樣的結構夾在兩層銅膜之間。產品二 一個40微米厚的含有40%鐵氧體體積含量的復合環氧樹脂，其中還有一 層13微米厚的玻璃纖維布。這樣的結構夾在兩層銅膜之間。產品兩側的銅片連接到網絡分析儀上對能量損失在一千到一兆赫茲頻率上進行 分析。結果表明，5%體積含量的鐵氧體復合材料產生0. 03-0. 06分貝的損耗，40%體積含 量的鐵氧體的復合材料產生0. 12-0.對的損耗。相比較之下，一個35微米厚度的含48%鋁 粉的環氧樹脂，其中也包含來一層13微米厚度的玻璃纖維布，在相同條件測試下的結果是 0. 02，遠遠低于含鐵氧體的復合材料。在這里，損耗的定義是指介電常數的虛部和實部的比 例。由于鐵氧體有很高的磁感應強度，在交流電下其誘導產生的電場會對產生較大的能量 損耗。這些試驗表明內置于PCB里的EMI抑制材料可以有效地抑制電磁輻射。抑制EMI 磁性材料可以用在PCB中的一層或者多層介電層里，例如連接到電源層，地線層，或者連接 到連有高頻芯片的電路層里。抑制EMI磁性材料的種類很多，不同的鐵氧體材料可以針對 不同電磁波的頻率。比如，可以用許多種不同EMI抑制材料的組合來吸收一個特定的頻率 范圍。另一方面，也可以在一個PCB的不同介電層里使用不同的鐵氧體材料來調控不同的 電路。EMI的抑制層還可以和其它電磁屏蔽層一起使用，用以優化電路的電磁兼容性(elec tromagneticcompatibilities)。把EMI抑制和EMI屏蔽組合起來可以增強整個裝置或同一 裝置不同部位的EMC性能。在設計上可以有很大的靈活性，例如選擇具有不同吸收特性的 抑制EMI磁性材料，控制復合材料層的厚度，導電片的大小，和EMI控制層向接到的電子線 路布局設計等等。在空間上，“內置”這個詞在本發明中是指在PCB里的用復合材料制成的介電層，可 以使在PCB的多層里的內層，或者是外層。這是為了和接在PCB表面的傳統電子元器件相 區別。一般這樣的內置層覆蓋了整個PCB的XY平面，但是也不排除只覆蓋PCB平面的一部 分。在本說明中，介電層可以使一層介電材料，或者是多層介電材料，可以是均一的或 者非均一的材料(復合材料是非均一的)。最后總的效果是等效于一層介電材料，夾在兩層 導電層中間。如果是多層結構的形式，那么可以包括絕緣層，化學保護層，纖維增強層等。
在說明中，格局是從英文(pattern)意譯而來，指的是把導電層進行腐蝕(如光刻 蝕)處理后做出PCB板上的規整的連接線路。非格局即未經刻蝕處理的平整表面。上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非是對本發明作其它形式的限制，任何 熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效 實施例。但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作 的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發明技術方案的保護范圍。
權利要求
1.一種內置于印刷電路板的電子裝置，其特征在于，結構上包括一層介電層夾在兩層 導電層中間，所述導電層是格局過的或者非格局的，所述介電層中含有抑制EMI的磁性材 料。
2.根據權利要求1所述的裝置，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，或者一種或幾種包含以上的單質的化合物，或者一種或幾種包含以上的單質 的合金。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述抑制EMI的磁性材料是一種鐵氧體材 料；或者，所述抑制EMI的磁性材料是一種磁性石榴石結構的材料。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述抑制EMI的磁性材料是不同的磁性材 料的組合，用以吸收一定波段的電磁輻射。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述介電層是將所述抑制EMI的磁性材料 和介電樹脂混合形成復合材料，所述復合材料作為PCB的介電層，所述介電樹脂包括以下一種或幾種環氧樹脂，聚氰酸酯，聚酯，聚亞酰胺，聚四氟乙 烯，聚二氟乙烯，聚苯醚。
6.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，除所述抑制EMI的磁性材料之外在結構上 還包括有一層導電層、或者一層導電片，或者導電的填充物為所述的電子裝置提供電磁兼 容性。
7.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述介電層除了所述抑制EMI的磁性材料 以外，還包括至少一種組分以實現下列一種或幾種被動器件的功能電容，電感，過電壓保 護裝置，電阻，過電流保護裝置，其它被動濾波裝置。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述提供其它被動器件功能的組分包括 以下一種或幾種鈦酸鹽陶瓷粉末，表面有修飾或無修飾的導電粉末，具有導電區域的粉 末，varistor粉末，電壓開關復合材料，碳納米管，碳黑，金屬氧化物。
9.一種內置型多層電子裝置，其特征在于，所述裝置包括(1)一個內置于PCB板上的復合材料介電層，所述復合材料介電層包含至少一種對電 路刻蝕液有反應性組分；(2)至少一層導電層；(3)而且裝置里至少用一層保護層分隔所述復合材料介電層和導電層，所述保護層防 止介電層中的反應性組分和電路刻蝕液起化學反應；所述裝置提供以下功能的一種或幾種抑制EMI裝置，電容，被動濾波裝置，電阻，被動 過電壓保護，被動過電流保護。
10.根據權利要求9中所述的內置型多層電子裝置，其特征在于，所述反應性組分從以 下物質中選出金屬，包括以下一種或幾種鋁，鎂，鐵；還有金屬氧化物，包括以下一種或 幾種參雜的或不參雜的氧化鋅，氧化鎂，氧化鋁，氧化鐵，氧化亞鐵；還有陶瓷材料，包括以下一種或幾種鐵磁體，石榴石。
全文摘要
本發明提供了一種具有內置型電磁材料的電子裝置，它可以解決現有技術存在的解決電磁干擾的技術方案具有局限性，以及技術效果不佳等問題。本發明的技術方案是，一種內置于印刷電路板的電子裝置，結構上包括一層介電層夾在兩層導電層中間，所述導電層可以是格局過的或者非格局的，所述介電層中含有抑制EMI的磁性材料。本發明能夠解決在PCB板中使用內置型磁性材料減少電磁信號干擾的問題。
文檔編號H05K9/00GK102088821SQ201010506270
公開日2011年6月8日 申請日期2010年10月14日 優先權日2009年11月11日
發明者崔驥, 羅臬 申請人:崔驥, 羅臬