嵌入式后备能量存储单元 本发明涉及在分层的电器件上形成能量存储器件，分层的电器件包括印刷电路板、集成电路芯片和其它在各层上做出的电子器件。本发明特别涉及包括在上述器件内的嵌入式后备能量存储器件。发明背景
许多电器目前通过利用分层的电子存储器件来运行，例如，集成电路芯片和印刷电路板等。但是，当这些器件的外部电源中断时，这些器件的操作就停止。不用多说，通常不利于操作器件的整个目的。
一个典型的例子是现代的数字闹钟。目前，许多闹钟通过家用电流来运转。包括集成电路芯片的印刷电路通常驱动时钟的所有功能，包括跟踪时间和闹钟时间。当到闹钟的电流中断时，所有信息会丢失。当前，即使在正常电源的极短时间的中断，闹钟设置的时间和许多其它信息也会丢失。由于在夜晚或凌晨的级短时间的停电而使在正常时间没有问题的闹钟出问题，在清晨不能叫醒。
另外，电源地完全断电，当发生“电压不足”情况时，会发生这些问题。电器的主电源下降到电器能以预定方式工作的临界阈值以下。另外，“电压不足”情况实际上对设备内的电子元件是有害的。
必须为这些设备的主要功能提供一个备用电源。通过为负载提供连续工作所要求的后备电能，来保证电器或设备的工作负载和电器设备的预定的工作。另外，当有备用电源时，可降低对工作负载的损坏。
解决这个问题的方案是购买专用后备电源。这类电源通常用于包括计算机的主要电器设备。但是，后备电源的尺寸和复杂程度使得这些设备对于如闹钟等的普通的消耗较低电能的家用电器来说并不切实际的。
另一种方案是为电器增加普通的电化学电池。但是，电化学后备电池大大增加了电器的空间和体积，通常不值得为此扩大空间。所需要的是一种小型、易于制造的能量存储器件，用于检测电源电势的下降并在电源电势下降时保持电器设备的主要功能。
希望能把后备电源包含在或集成到普通的电子设备中的分层的电子器件内。模块化和制造的简易要求后备电源必须小到能够安装到任何小电子器件的结构中。这样，如前所述，许多普通后备电源不能使用。另外，由于各种原因，将后备电源放置在或集成到电路板或芯片内而不是将它们作为分立元件连接比较有利。这种后备电源应该是在电器件的制造中嵌入的电存储器件或电能源。
通常，由诸如印刷电路板或集成电路芯片一类的分层电器件或组合件所占有的体积在设计电子组合件时是非常宝贵的。组合件的体积规定了在其上的元件的数量、尺寸和布局。另外，随着个人计算机的出现，主要限制是在实际的器件的表面上是否有元件的空间的存在。例如，在实际的器件上的空间的最小化意味着连接到公共总线的印刷电路板的系统所用的体积最小化，由此最大利用空间。
在电路板上安装的器件占用的表面积是非常宝贵的。因此，减少安装器件所用的表面积能够让设计者使用更多的表面积用于其它的功能器件。特别地，如果能够重新设计一个将所有的内的电存储器件嵌入其内的电路板，设计者能够使用更多的表面积用于在电路板上的其它的功能器件。或者，设计者能够减少这个的组合件尺寸。
同样地，如果集成电路芯片(IC芯片)能够在构成芯片的各层中嵌入小的、更强大的电存储器件，芯片的更多的体积能够用于其它功能目的。
典型地，在印刷电路板中，电路的设计要求一些种类的能量存储器件，例如电容或电池。设计者通常选择分立元件用于电路中的存储器件。这种分立元件占用电路板的表面积和电路板内和电路板内和上的一部分体积。
在印刷电路板制造过程中，放置能量存储器件的地点留有用于后面的安装的空地。通常，制造商制造的电路板具有存储器件的引线能够插入的孔。然后，把分立电存储器件，例如电池或电容，放置到电路中并与电路板通过辅助互连装置电连接，例如，触点上的螺丝或焊接头。通常，电路连线终止于存储器件引线插入的孔，并且当存储器件引线导入孔中时，就完成了电路通路。
但是，使用分立电存储器件元件具有一些缺点。一个主要的缺点是大多数电存储器件元件和将它们连接到电路的必要元件占用了电路板内或电路板上的宝贵的表面积和体积。
有关IC芯片，不能使用大的电存储器件。首先，IC芯片通常不具有穿过其表面与分立器件的互连。第二，芯片的小体积不能使用大或中等的电存储器件。
一般，能量存储器件特别要求大的面积和体积，并且倾向于高于其它元件立在电路板上。即使在电路板上的较小的能量存储器件也可能是电路板上的最高的元件。这些器件带来了由于布局而引起的设计问题，并占用了宝贵的电路板的表面积和体积。
公式(k×A)/T定义了能量存储器件的电容或者它能存储的电荷量。在公式中，k代表两个相反的带电板间的材料的介电常数，A是最小的板的面积，T是介电材料的厚度。因此，小体积和面积，而没有高的介电常数，使得电容较小。对于非常小的体积和面积来说，例如IC芯片，由于空间的限制和大多数IC芯片不提供与其它分立元件的表面互连，大的存储器件是不切实际的。
如果设计特别要求大的能量存储器件，问题就更大了。大的存储器件倾向于要求容纳分立元件的大的面积和体积。通常，对于印刷电路板来说，解决方法是将电容放置在它们从电路板向外延伸的地方。
能量存储需要的空间的一个例子能够从电源的连接关系上表现出来，其中功能元件占用了大约30％的板的空间。需要一种包括在分层的电器件的结构中的电能存储器件。这种后备电存储器件在分层电器件的电源切断时工作以确保在电源的短时间切断时，在短暂的瞬间没有信息丢失。对于普通电器来说，由于空间和成本的限制，不能使用互连到存储器件的分立元件，例如，现代的数字闹钟。
另外，当分立存储器件必须互连到电路板时，存在几个问题。通常，制造商必须将所有的元件焊接到印刷电路板的电路的连线中。这种互连是弱点，是许多印刷电路板封装中失败的原因。互连也是可发生制造错误的点。因此，直接集成到诸如印刷电路板或IC芯片一类的分层电器件的各层中的能量存储器件非常有价值。如果能量存储器件与分层的电器件集成在一起作为分层电器件的一部分，而不在后面的阶段加入，会改善器件的可靠性，因此有利于整个性能。
在集成电路芯片中，包括的空间小到不能有有效的能量存储。仅有的用于放置任何能量存储器件的地方是在包括集成电路芯片的衬底上。因此，有效的能量存储，例如电池或电容，对于这些器件来说是不行的。
需要的是一种设备，在其中能量存储器件元件不占用分层的电器件上的表面的面积和体积。如果能够达到上述目的，就能释放宝贵的面积用于布置元件，释放被分立元件占用的体积。另外，形成在IC芯片的衬底上的集成电能量存储器件能够大大增强芯片的功能。另外，由于消除了一些焊接连接，在分层的电器件中需要集成能量存储器件来增强半导体的性能。另外，能量存储器件必须提供在正常电源切断时，切换到它存储的电能的功能。发明综述
本发明涉及一种后备能量存储器件，它设置在分层电器件的各层中。本发明涉及一种设备，在该设备中能量存储器件元件不占用诸如IC芯片或印刷电路板之类的分层电器件的表面上的面积或体积。
在优选实施例中，分层电器件制造商将能量存储器件嵌入到构成分层电器件的各层中。高的能量存储电介质夹在两导电层中间，并且完全包括在分层电器件中。根据建立能量存储器件的值所需的参数，来腐蚀或形成高存储电介质周围的至少导电层中的一层。制造商根据半导体器件工艺中的技术特征、集成芯片制造技术或印刷电路板技术来腐蚀或形成该层。
在一个优选实施例中，制造商用层或衬底来构成分层的电器件。分层的电器件包括在自己的组合件中，一对导电层将高能量存储电容电介质夹在中间。形成第一导电层以提供用于诸如电池或电容等电存储器件的合适的形状和大小的板。
也可以，第二导电层保持不变。在这里，由两个导电层限定的所有的能量存储器件和电介质层在由第二导电层限定的引线上需要相似的电压电平。
在另一个实施例中，第二导电层的区域与另一个电隔离。这有助于为由两个导电层和电介质层限定的每个能量存储器件形成独立的引线。设计者能够从现在的独立引线为每个能量存储器件做出到几个不同电压的合适的连接。在另一个实施例中，一导电层能够起到分层电器件热沉的作用。
本发明用固态能量存储器件代替了普通的电化学后备能量存储器件，上述固态能量存储器件由导电板和高介电常数的电介质构成。电介质应该具有至少50的介电常数，优选至少100的介电常数。
因此，设计者或制造商可以把高能量存储电容或电池整体形成在芯片或电路板内。这种内部制造减少了互连，这些互连是许多制造缺陷的根源。高电容电介质还提供在分层电器件内的大容量的电容或电池，这样释放了宝贵的在分层电器件上的面积和分层电器件内的体积。大容量的电介质还使能量存储器件存储足够的用作后备存储器件的能量。
能量供应单元包括一能量存储器件，它按照上述所述的那样形成在分层电器件的各层。一电压检测器检测外部电源的电势电平。当电压检测器检测到电源的电势低于第一电压状态时，表示诸如失效或电压不足之类的电源中断，它触发切换开关。
电压检测器通过用信号通知电源中断的出现来控制切换开关。切换开关在电压检测器检测到并表示电源中断时切断到工作负载的电源。切换开关还将能量存储器件连接到工作负载。然后在电源中断，如失效或电压不足等时，能量存储器件将电能提供到工作负载。附图的简要说明
图1是集成电路芯片剖视图。
图2是集成电路芯片的各层之间的电连接的剖视图。
图3是组成集成电路的各层的剖视图。
图4是集成电路芯片上的电存储器件的剖视图。
图4a是传统的电能量存储器件的剖视图。
图4b是并联的能量存储器件的示意图。
图5是形成导电板的底面的平面剖视图。
图6是在集成电路芯片上的嵌入的能量存储器件的侧剖视图。
图7是在集成电路芯片上另一个嵌入的能量存储器件的剖视图
图8是在集成电路芯片上的嵌入的能量存储器件的剖视图
图9是空白印刷电路板的剖视图。
图10是双面空白印刷电路板的剖视图。
图11是显示印刷电路板的孔和结构的剖视图。
图12是由许多层组成的印刷电路板的剖视图。
图13是显示在印刷电路板中嵌入的能量存储器件的结构的剖视图。
图13a是制成嵌入的能量存储器件的印刷电路板的底视图。
图13b是制成嵌入的能量存储器件的印刷电路板的俯视图。
图13c是制成嵌入的能量存储器件的印刷电路板的侧视图。
图14是显示另一个在具有多引线和电压的印刷电路板中嵌入的能量存储器件结构的剖视图。
图15是用于检测电源减少并保持关键功能的恒定电源的器件的系统框图。
图16是用于保持关键功能的恒定电源的切换电路的示意图。本发明的详细描述
电压检测器连接到主电源。电压检测器检测电源电势降低到低于某一电势电平时，指示电源中断。电压检测器将这种状态通知切换开关。切换开关连接到电器中的工作负载、主电源和后备能量存储器件。切换装置从电压检测器接收信号，该信号表示诸如失效或电压不足一类的电源中断。当电压检测器检测到并用信号通知存在电源中断时，切换开关将工作负载由主电源供电切换为由后备能量存储器件供电。当电压检测器检测到并用信号通知电源电势返回到正常状态时，切换开关将工作负载由后备能量存储器件供电切换为由主电源供电。
能量存储器件通过切换装置连接到工作负载。这样，当主电源中断时，后备能量存储器件向工作负载提供电能。它还可以利用主电源进行自身充电用于下一次电源中断。
本发明描述了一种设备，后备能量存储器件集成在诸如IC芯片或印刷电路板之类的分层的电器件中，而不需要辅助互连。这样能量存储器件不必是与分层电器件分离的并且在后面的制造阶段加入的分立元件。相反，制造商可以形成作为分层电器件整体一部分的能量存储器件。此外，能量存储器件占用分层电器件表面上的最小的面积和体积。
如图1所示，集成电路芯片90由导电层10、非导电层20和半导电材料30制成。如图2所示，通过在衬底上形成被称作“孔”的沟道200来形成在芯片内的电路。可以利用机械蚀刻、x-射线光刻或许多其它的本领域熟知的处理方法来刻出这些沟道。放置电导体210的薄膜，将孔和其它层电连接。另外，为了使所用体积最大化，在层中形成许多分层电器件，并粘结在一起以形成最终产品。
由于受到材料体积的限制和在芯片中使用的多数材料的低介电常数，所有的能量存储器件，如电池等，不可能具有高能量存储能力。这样，由于面积和体积的限制，设计一个具有能够存储大量能量的能量存储器件分层器件是不可能的。另外，在多数集成电路芯片中，不象印刷电路板那样具有用于分立元件的外部连接，没有能量存储器件在它上面。这是因为集成电路芯片通常不允许芯片表面上的互连。
在本发明的一个实施例中，如图3所示，一个集成电路芯片90包括另外的衬底40、50和60。这些衬底包括夹在两层导电衬底40和50中间的高存储能力的介电材料50。
参照图4，为了在分层的组合件中形成诸如电容70一类的能量存储器件，仅仅需要塑造出所需要的合适的电容。当指定具有一已知厚度的介电材料时，仅仅需要计算导电衬底40的面积来限定和形成与所要求的能量存储器件或电容相对应的导电板100。
图4a示出了传统的电容的结构，它包括两个导电板460和440，它们中间夹有电介质层450。导电层460和440连接到电压410和460。应该注意到图4中的电容70可以具有这种结构。如果电压施加到层10上，电压施加到层60上，就出现了整个电容的结构。还应该注意到，能够简单地将相同的层结构适用于电池的实现。
应该注意到，如图4b所示，能够通过一组电能量存储器件的组合来增加得到的存储的电能。这在图4b中通过并联的能量存储器件70a、70b、70c和70d来实现。另外，增加电阻R1是用来调节从存储器件70a、70b、70c和70d输出的电能，并且实际上是实现这种特性的存储器件的优选方式。
为了在分层的电器件内制造能量存储器件，如图4和5所示，设计者或制造商决定合适的点用于安放电存储器件70，导电板100与衬底40的其它部分电绝缘。然后“孔”200将衬底40和衬底10电连接。这就通过定型和利用衬底40、50和60形成了一个嵌入到分层的电器件内的电容。
图6和图7示出了一个形成能量存储器件的一种替代方案。衬底40最初在衬底20上形成，并通过常规的芯片制造技术变成合适的尺寸、形状和位置，准备好与由介电材料50和导电层60组成的薄层80粘结。从业者能够通过本领域熟知的方式来完成。在如图7所示的嵌入的能量器件的一个实施例中，处理衬底60使得衬底60、60a和60b上电隔离的每个区域能够连接到不同的电压。也可以，如图6所示，需要改变衬底60。在此可以通过衬底60将每个电容或其他能量存储器件连接到相同的电压电平。
或者，如图8所示，能够作为一个单元形成衬底40、50和60。然后将衬底40和60改变成合适的尺寸、形状和位置，然后通过常规的集成电路芯片制造技术将它们粘结到芯片90。应该注意到从电介质50上不需要腐蚀掉层40和60。应该在电介质层50上以合适的形状、尺寸、位置和面积建立这些层。正如前面所描述的，在将元件300和310粘结在一起后，制造“孔”200会形成导电衬底10和40之间的电连接。应该注意到孔200可以在粘结前制出。这会将电存储器件连接到其它电路。
介电材料50的介电常数尽可能地高对减少电导体需要的面积是至关重要的。介电材料应该具有至少50的介电常数，并且优选至少100或更高的介电常数。具有这种高存储能力很重要的原因有以下两点。首先，能够在分层电器件内使用最小的面积和体积形成小到中等尺寸的能量存储器件。第二，对于更高级的能量存储器件来说，直到现在也没有用集成电路芯片的现有材料实现，更高的电存储能力是必要的。利用具有更高介电常数的组合物能够轻易的达到更高的存储能力。介电常数越高，用该材料形成的给定的电池就能够存储更多的能量存储。这样，利用高介电常数材料50能得到更多的电能。
嵌入的能量存储器件使用的优选的材料包括在1997年8月提交的名称为“SEMICONDUCTOR SUPERCAPACITOR SYSTEM ANDMETHOD FOR MAKING SAME”的美国专利申请08/911,716中发现的那些，在此引用作为参考。特别优选的是Ba(a)Ti(b)O(c)配方的薄膜，其中a和b独立地在0.75至1.25之间，c在约2.5至约5.0之间。能够用于嵌入的能量存储器件的另一种介电材料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是独立地在0.75至1.25之间，c在约2.5至约5.0之间，d在约0.01至0.25之间。
导电衬底40和60可以是电导体，例如铜和银。由于铜的热和电的特性，优选实施例选择铜作为电导体。
几种薄膜淀积技术能够在导电的衬底上淀积上述的电介质，例如溶胶-凝胶工艺、溅射、或化学蒸发技术。
在嵌入的能量存储器件的另一个实施例中，在制造印刷电路板中可能使用到相同的技术。印刷电路板一般与集成电路芯片具有相同的衬底结构，但是各层具有不同的用于不同目的的组合物。如图9所示，印刷电路板150包括一诸如铜一类的导电材料110的上层，它布置在诸如光纤玻璃一类的非导电层120的上面。为了做出电路图形，将光致抗蚀剂图形丝网印刷到导电层110上，酸洗板150。这能去除除了由丝网印刷光致抗蚀剂保护的部分以外所有的导电材料110。应该注意到板150能够如图10所示，包括在底部上的一导电材料160的第二层，用于在这种情况下做出电路图形的工艺也是相同的。
因此，电路板150具有如图11中所描述的构成，导电材料110覆盖在衬底120的某些地方。在板中钻孔130用于各种分立电子元件，如集成电路芯片、电阻和电容。然后使孔130与导电材料140排成一行，为印刷电路板做出一“孔”。这确保了放置在板上的孔中的分立元件和在板150的表面上由导电材料110限定的蚀刻电路图形之间的电接触。这种技术也能够用于连接被非导电层120分开的两个导电层110。
能够将多层粘结在一起，做出一层到另一层的电接触，例如做出穿过上板到第二板的“孔”。这样，能够形成多层电路，如图12中的多层板240所示，导电层110a、110b和110c，“孔”200a和200b，以及非导电层120a和120b。在嵌入的能量器件处理电路板的实施例中，为了得到给定介电常数和电介质厚度的具有一定电容量的电容，光致抗蚀剂丝网按形状、面积和布置放置在板的导电材料110上。
图13示出了导电层110和非导电层120，通过孔200将层110连接到层250。蚀刻或形成导电层250以形成电能量存储器件所需的面积和形状。包括在导电层180的下面的一层介电材料170的薄片410在成形的导电层250粘结到晶片400，这样在所得到的板中形成了一电存储器件。
回到图13a，双面电路组合件490的底部导电层已经被蚀刻做出了导电板500和510。非导电电路板层520包围导电板500和510。双重图象530示出了在板490介电材料层与板490的区域。注意到该区域包括导电板500和510。
图13b是图13a中所描述的相同的双面电路组合件的俯视图。双重图象500和510描述了在板490的相对的两面已形成了导电板500和510的区域。已经形成导电的线550和560，并且通过非导电层520相互隔离。孔540和570将板500和510分别电连接到线550和560。
图13c是待粘结到组合件490的组合件600的横截面。组合件600包括一导电的散热器590，其上的一区域放置有一薄层介电材料580。如图13a所示，电介质层580放置得与板500和510接触。当连接到组合件490时，导电板500和510同电介质体540一起以及铜散热器550组成一对电能量存储器件。为了更精确地调整流到所连接的电路的其余部分的电能，能够将这些存储器件的引出线经由一个电阻。
应该注意到导电层180能够自己形成为如图14所示的将不同的元件连接到不同的电压。图14示出了连接到两个可能不同的电压的导电层180a和导电层180b，它还分别通过导电层110A和110b连接到两个不同的电输入。或者，如图13所示，不需要改变导电层180，为在导电层110和电介质层170上做出的所有的电存储元件提供一公共电压。
适当地利用高介电常数材料构成介电材料层170，能够将能量存储器制作在印刷电路板的内部。这大大地减少了互连的故障，并节省了在板表面的宝贵的面积和体积用于更多的诸如芯片和电阻之类的分立元件。根据本嵌入的能量器件的电存储器件可以用于减少分层电器件的面积和体积。
在优选实施例中，如图13所示，所得到的电路板具有也用作散热器的导电层180。因此，对于由电介质层170和导电层110做成的元件，散热器和导电层会变成相似的电压电平，例如地电压。这样利用散热器执行双重功能，来增加电路板的空间效率。
图15示意性地示出了在分层的电器件中如何实现嵌入的电能量存储器件，形成本发明的电存储单元。切换电路300连接到嵌入的后备电能量存储器件310。切换电路300也连接到主电源电势Vcc。Vcc连接到电压检测电路320。
当Vcc下降低于最小电势时，电压检测电路320将这种情况通过信号线325用信号通知切换电路300。响应电压检测器320生成的信号，切换电路300切断Vcc与负载的其余部分的连接，将嵌入的电能量存储器件310连接到负载。这使得负载消耗存储在嵌入的存储器件310中的电能。这样，断电或Vcc的中断不会导致负载工作的丢失。
相应地，当Vcc升高到正常电平时，电压检测器320取消到切换电路300的信号。这样，当Vcc具有高于某以电压的电势表示正常工作时，切换电路300断开嵌入的后备电能存储器件310与负载的连接，将Vcc连接到负载330。
应该注意到，正如在图16中详细示出的实施例那样，嵌入的后备电能存储器件310能够连接到Vcc。当Vcc跨接在嵌入的后备电能量存储器件310的节点时，它重新充电Vcc。
参见图16，详细示出了切换电路300的一个例子。切换开关300包括两个场效应管350和360。这些场效应管可以都是N-型晶体管或者都是P-型晶体管。晶体管350和360都是开关晶体管。
晶体管350的漏极连接到Vcc电源，源极连接到输出负载330。晶体管350的栅极连接成通过“非”门370从电压检测器320接收信号。晶体管360的漏极连接到嵌入的后备电能存储器件310，源极连接到负载330。晶体管360的栅极连接成从电压检测器320接收信号。
从图16中可以看出，晶体管350和360通过来自电压检测器320的信号325交替地导通。当电压检测器320检测到Vcc下降，信号325导通晶体管360并截止晶体管350。这将后备能量存储器件310连接到负载300。也可以，当电压检测器320检测到Vcc高于最小阈值时，信号325导通晶体管350，截止晶体管360。这将负载连接到Vcc。
在导通晶体管350和截止晶体管360之间可能会发生微小的时间间隔，反之亦然。在切换电路300中的电容380的使用能够平滑在发生转变时可能出现的短时脉冲干扰。
电压检测器320可以是任何种类的已知电压检测器。嵌入的后备电能存储器310按上面所描述的那样构筑。
在讨论中应该注意，Vcc是直流电源。大多数电器使用交流电源，大多数电器件在主负载之前将交流电流或电压转换成直流电流或电压。当家用交流电下降时，得到的直流电压也下降。这样，当家用交流电流下降时，Vcc下降。
在实施例中应该注意到，后备能量存储器件作为包括在电器的一部分的所得到的分层电器件的整体的一部分存在。在电路板的情况下，最后的分层电器件可以将其外表面的一部分作为电存储器件的一个导电层。在这种情况下，存储器件可以部分地嵌入到分层的电器件中。在其它实施例中，电存储器件可以全部嵌入到最后的分层电器件内。
可以不背离本发明的精神和超出后面的权利要求所限定的范围，对这里描述的各元件的特性、组成、操作和布置、步骤和过程可以做出各种修改。