ПЛЕНОЧНЫЙ КОНДЕНСАТОР Российский патент 1995 года по МПК H01G4/06 

Изобретение относится к производству конденсаторов и может быть использовано в микроэлектронике в составе гибридных интегральных схем (ГИС), работающих в СВЧ-диапазоне в качестве разделительных и контурных элементов.

Требования к разделительным конденсаторам являются частью требований к контурным конденсаторам.

Основные требования к контурным конденсаторам для широкополосных цепей СВЧ-диапазона следующие: конденсатор должен быть технологичным при изготовлении и монтаже в ГИС; номиналы емкостей должны находиться в диапазоне 10-0,01 пФ; точность номинала емкости должна быть не менее +/-10% конденсатор должен иметь высокую добротность (эквивалентное сопротивление потерь не более 0,5 Ом); паразитная индуктивность токовыводов не должна превышать 0,1-0,2 нГн.

Перечисленные выше требования должны быть реализованы в единой конструкции конденсатора. Однако в известных конструкциях конденсаторов такое сочетание характеристик отсутствует.

Известен МОП СВЧ-кремниевый конденсатор К26-4 ОЖО.464.240 ТУ. Указанный аналог заявляемого конденсатора содержит диэлектрик в виде пленки окиси кремния, расположенный на кремниевой подложке, а также первую и вторую обкладки в виде металлических пленок. Конденсатор устанавливается в схему методом пайки. К металлической пленке, нанесенной на диэлектрик, приваривается проволочный токовывод. Номиналы конденсаторов К26-4 лежат в диапазоне 1-100 пФ. Точность номинала емкости имеет значение от +/-50% до +/-20% для номиналов 1-100 пФ соответственно.

Недостатки указанного аналога состоят в следующем: невозможность повышения точности воспроизводимости малых номиналов, так как технология МОП СВЧ не обеспечивает требуемый разброс толщины диэлектрической пленки SiO₂ при термическом окислении кремния; невозможность снижения индуктивности проволочных токовыводов до величины 0,2 нГн; невозможность снижения эквивалентного сопротивления потерь до величины 0,5 Ом из-за кремниевой подложки, используемой в качестве электрода.

Известно использование полиимидной пленки в качестве диэлектрика микрополосковых плат СВЧ-диапазона.

Известно также, что микрополосковая плата СВЧ-диапазона может быть представлена соединением цепочки сосредоточенных конденсаторов и индуктивностей.

Недостатком конденсаторов, построенных на базе указанной выше микрополосковой линии, является невозможность повышения точности воспроизводимости малых (менее 1 пФ) номиналов емкостей из-за большого разброса по толщине пленочных диэлектрических слоев на основе полимерной композиции, включающей полиимид. Конструкция такого конденсатора не обеспечивает снижения паразитной индуктивности выводов до 0,1-0,2 нГн и повышения добротности из-за высокого значения тангенса угла диэлектрических потерь слоев из полимерной композиции.

Цель изобретения упрощение технологии изготовления пленочных конденсаторов и расширение области применения за счет повышения точности воспроизводимости малых номиналов емкости, снижения индуктивности и повышения добротности, улучшения адгезии металлических пленок.

Сущность изобретения заключается в том, что в пленочном конденсаторе, содержащем первую и вторую обкладки, выполненные в виде металлических пленок, включающих слои Cr-Cu, с расположенным между ними диэлектриком в виде полиимидной пленки, и размещенные на противоположных сторонах диэлектрика токовыводы, соотношение толщин металлических пленок и пленки полиимида выбрано в диапазоне от 1:1 до 1:2, а токовыводы выполнены в виде части металлических пленок, выступающих над торцовыми противоположными сторонами полиимидной пленки соответственно, а на слой Cr, напыленный на диэлектрик, нанесен слой Ti.

На чертеже представлена конструкция предлагаемого пленочного конденсатора.

Пленочный конденсатор содержит обкладки 1 и 2 пленочной металлизации, включающей слои металлов: Cr-Ti-напыления, Cu-гальваническая, Cu-химическое Sn, полиимидную пленку в качестве диэлектрика 3 и токовыводы 4 и 5, являющиеся продолжением обкладок 1 и 2 конденсатора, выступающие над торцовыми противоположными сторонами диэлектрика 3.

Емкость пленочного конденсатора определяется как сумма величин, определяемых по формулам для расчета емкости плоского конденсатора, краевых и частичных емкостей, величина которых зависит от толщины металлизлации обкладки.

При изготовлении заявляемого конденсатора на полиимидную пленку с двух сторон наносят вакуумным напылением металлизацию, состоящую из слоев Cr-Ti-Cu-Cr, выполняют печать рисунка по тонкому слою напыленной Cu, гальванически осаждают толстый слой Cu по фоторезистивной маске, выполняют травление полиимидной пленки для формирования металлических токовыводов. Конечным этапом изготовления конденсатора является химическое осаждение слоя Sn, служащего одновременно защитным и гарантирующим пайку во внешнюю схему, покрытием.

Описанная выше упрощенная технология изготовления заявляемого конденсатора позволяет производить его групповым методом.

Технологичность конденсатора при изготовлении и монтаже в ГИС обеспечивается, кроме указанных выше операций, введением между слоями Cr и Cu слоя Ti, который служит для защиты от подтравливания адгезионного слоя Cr при травлении слоя тонкой напыленной Cu.

Требуемый диапазон номиналов емкостей 10-0,01 пФ обеспечивается в заявляемой конструкции выбором толщины полиимидной пленки с ε 3,6 в диапазоне величин от 20 до 50 мкм. При таком подборе параметров конструкции величина площади обкладок лежит в диапазоне от 5 до 0,05 мм², что легко реализуется на стандартном оборудовании и соответствует достижению цели изобретения в части упрощения технологии.

На точность воспроизведения малых номиналов емкости наиболее сильно влияет разброс абсолютного значения толщины полиимидной пленки, контролируемой на этапе предварительного травления полиимида.

Технологически трудно обеспечить травление и контроль до значений разброса толщины меньше 1 мкм. Однако, если толщина полиимидной пленки составляет 20-50 мкм, требования по точности номиналов заявляемого конденсатора выполняются достаточно легко.

Толщина слоя металлизации выбирается в диапазоне 20-25 мкм. Указанный диапазон ограничен как снизу, так и сверху.

Ограничение снизу связано с толщиной скин-слоя 2-5 мкм. Известно, что для уменьшения потерь в металлизации толщина слоя должна быть не менее тройной толщины скин-слоя. Кроме того, ограничение снизу связано с требованием к технологичности при монтаже: при толщине металлических токовыводов менее 10 мкм прочность их падает, возможны разрушения при пайке.

Ограничение сверху связано также с требованием технологичности при монтаже: конденсатор с толщиной слоя металлизации боле 25 мкм теряет гибкость, необходимую для сборки в схемах с параллельным включением емкости. В указанном случае монтаж осуществляется на разные по высоте контактные площадки, так как трудно совместить плоскость платы и шайбы, используемой для уменьшения паразитной индуктивности. Кроме того, ограничение сверху связано со снижением точности номинала емкости за счет вклада краевых и частичных емкостей обкладок при толщине слоя металлизации более 25 мкм.

Указанные выше ограничения и позволяют установить оптимальные соотношения толщин металлических пленок обкладок и токовыводов и пленки полиимида в диапазоне от 1:1 до 1:2.

Высокая добротность конденсатора (эквивалентное сопротивление 0,5 Ом) обеспечивается малым тангенсом угла диэлектрических потерь полиимида (tg δ 5х10^-4 на частоте 9 ГГц) на СВЧ. Паразитная индуктивность токовыводов заявляемого конденсатора не превышает 0,1-0,2 нГн. Данный параметр определяется конструкцией токовыводов, являющихся продолжением обкладок в виде части металлических пленок шириной 0,8 мм и длиной 0,5 мм при толщине 20 мкм. В гибких токовыводах исключаются механические напряжения в области контактных узлов, что повышает надежность изделия и сварных соединений. Эквивалентное сопротивление потерь и паразитная индуктивность проверялись двумя методами: по частоте резонанса в колебательном контуре, в коаксиальном резонаторе.

Измерения проводились с использованием измерителя коэффициента затухания КСВН Р2-108. Например, для конденсаторов с номиналами 0,47 пФ, 1 пФ, 6,8 пФ от 0,3 до 0,5 Ом, а паразитная индуктивность от 0,1 до 0,16 нГн соответственно. Измерялись также точность номиналов емкостей и пробивное напряжение.

Выполненные измерения показали, что заявляемые конденсаторы на плате в количестве 400 шт. изготовленные групповым способом, имели разброс номиналов от +/-2% до +/-10% а пробой имел место при напряжении 1000 В. Таким образом, рабочее напряжение 200 В гарантировано.

Использование заявляемого изобретения позволяет реализовать в единой конструкции одновременно требования к электрическим характеристикам контурных конденсаторов для широкополосных цепей СВЧ-диапазона и обеспечить разработку СВЧ ГИС с малым объемом регулировки, повысить технологичность и надежность схем, снизить их себестоимость.

Таким образом, использование данного изобретения расширяет область применения и упрощает технологию изготовления пленочных конденсаторов.

Использование: в области производства пленочных конденсаторов. Сущность изобретения: позволяет упростить технологию изготовления и расширить область применения за счет повышения точности воспроизводимости малых номиналов емкости, снизить индуктивность и повысить добротность за счет того, что в пленочном конденсаторе, содержащем первую и вторую обкладки, выполненные в виде маталлических пленок, включающие слои Cu Cr и диэлектрик, расположенный между обкладками в виде полиимидной пленки, и токовыводы, размещенные на противоположных сторонах диэлектрика, соотношение толщин металлических пленок и пленки полиимида выбраны в диапазоне от 1 1 до 1 2, а первый и второй токовыводы выполнены в виде части металлических пленок, выступающих над торцовыми противоположными сторонами полиимидной пленки соответственно, причем на слой хрома, напыленный на диэлектрик, нанесен слой титана. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ПЛЕНОЧНЫЙ КОНДЕНСАТОР, содержащий первую и вторую обкладки, выполненные в виде металлических пленок, включающих слои C_r C_u, расположенный между обкладками диэлектрик в виде полиимидной пленки и размещенные на противоположных сторонах диэлектрика токовыводы, отличающийся тем, что соотношение толщин металлических пленок и пленки полиимида выбрано в диапазоне от 1 1 до 1 2, а токовыводы выполнены в виде части металлических пленок, выступающих над торцевыми противоположными сторонами полиимидной пленки соответственно. 2. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что на слой хрома, напыленный на диэлектрике, нанесен слой титана.