СЕГНЕТОКЕРАМИЧЕСКИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЧИП-КОНДЕНСАТОР Российский патент 1995 года по МПК H01G4/12 

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано в производстве конденсаторов постоянной емкости на основе полупроводниковой сегнетокерамики с поверхностным реоксидированным слоем (тип 3).

Конденсаторы реоксидированного типа представляют собой полупроводниковую пластину, на поверхности которой методом восстановления-окисления сформирован тонкий диэлектрический слой и нанесены металлические электроды, образующие блокирующий электрический контакт с реоксидированной сегнетокерамикой. Выпускаемые в настоящее время полупроводниковые керамические конденсаторы имеют форму диска, покрытого герметизирующим компаундом, и радиальные проволочные выводы (ТУ 11-84 ОЖО. 460.045 ТУ "Конденсаторы керамические К10У-5"). Аналогичную конструкцию имеют конденсаторы 3 типа, выпускаемые в США (ULTRA-CAP DISC Capacitors каталог N 4677, 1988 г. фирма Centralab) Японии (фирма Nichicon, Electronic Parts Catalog 1986, р.169(18)) и др. странах. Недостатком указанной конструкции конденсаторов является невозможность их применения для автоматизированного поверхностного монтажа не печатные платы и в гибридных микросхемах. Кроме того, наличие защитного эпоксидного или фенольного покрытия увеличивает размеры конденсаторов и снижает их удельную объемную емкость в сравнении с ЧИП-конденсаторами.

Известен бескорпусной полупроводниковый конденсатор, пригодный для поверхностного монтажа, с электродами, нанесенными в виде узких параллельных полосок или спиралей на поверхности цилиндрического стержня, выполненного из керамики на основе титаната бария [1] Недостатками данной конструкции конденсаторов являются невысокая удельная объемная емкость и большие электрические потери (0,03 ≅ tgδ ≅0,37).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой является конструкция блока сегнетокерамических полупроводниковых конденсаторов К10-39 [2]
На фиг.1 и 2 представлены блоки полупроводников конденсатора; на фиг.3, 4 ЧИП-конденсатор.

Блок конденсаторов имеет форму параллелепипеда, внутренний объем которого полупроводник 1 с большой проводимостью, образованный в результате обжига сегнетокерамики в среде водорода. Наружная поверхность всех граней тонкий слой диэлектрика 2 с высокой диэлектрической проницаемостью, сформированный в процессе реокислительного обжига. На поверхности всех граней блока за исключением узкого пояска 3 нанесены металлические электроды 4 с контактами 5. Паз 6 является межэлектродным промежутком, разделяющим конденсаторы блока. Единичные конденсаторы получаются при разделении блока на равные части в направлении паза 6.

Недостатками конструкции прототипа являются невысокая удельная объемная емкость и большие электрические потери в радиочастотном диапазоне из-за сопротивления полупроводникового объема керамики, включенного последовательно между емкостями внешних реоксидированных слоев. Кроме того, расположение контактов 5 на одной боковой грани параллелепипеда не позволяет производить автоматизированный поверхностный монтаж блоков конденсаторов, поскольку при установке блока на печатную плату возможна ориентация контактов выступами вверх или вниз и в 50 случаев пайка блоков не будет осуществлена.

Целью изобретения является повышение удельной объемной емкости и уменьшение тангенса угла потерь конденсаторов в радиочастотном диапазоне при одновременном обеспечении их автоматизированного монтажа.

Достигается это тем, что сегнетокерамический полупроводниковый конденсатор выполнен ввиде прямоугольного параллелепипеда с отношением длины L, ширины W и толщины Н (L > W > H) в пределах 1,3 ≅ L/W ≅ 3,0 и 1,7 ≅ L/H ≅ 10,0, при этом 1,5 мм ≅L ≅8,0 мм, каждый из двух металлических электродов расположен только на двух смежных гранях параллелепипеда со сторонами L, W и W, H с центральной симметрией относительно друг друга, контакты выполнены в виде луженых площадок и расположены на гранях со сторонами W,H, разделительный поясок расположен вдоль граней со сторонами L, H и поперек граней со сторонами L, W и переходит с грани на грань вблизи контактов.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый конденсатор отличается тем, что:
контакты расположены на противоположных гранях параллелепипеда, площадь которых наименьшая;
отношения сторон параллелепипеда находятся в пределах:
1,3≅L/W≅3,0 и 1,7≅L/H≅10; при 1,5 мм≅L≅8,0 мм;
разделительный поясок расположен вышеуказанным образом так, что электроды имеют центральную симметрию. Это доказывает соответствие заявляемого конструкции критерию изобретения "новизна".

Выполнение контактов в виде луженых площадок, расположенных на противоположных гранях параллелепипеда, известно для многослойных керамических ЧИП-конденсаторов монолитного типа. Однако для сегнетокерамических полупроводниковых конденсаторов такое расположение контактов в сочетании с другими признаками неизвестно. Так, прямоугольность граней параллелепипеда и центрально-симметричное расположение электродов обеспечивает работоспособность конденсатора при автоматизированном монтаже при установке на любую из двух наибольших граней чипа.

Отношения сторон параллелепипеда должны быть обеспечены в указанных пределах, поскольку:
при автоматизированном монтаже ЧИП ориентируется по направлению максимальной стороны L, причем для исключения ошибок установки необходимо, чтобы L/W≥1,3;
если ЧИП слишком узкий, т.е. ширина W много меньше длины L, то возможен изгиб в плоскости L, W при обжиге сырой заготовки, поэтому выбирается отношение L/W≅3;
поскольку ЧИП-конденсатор имеет металлические электроды только на поверхности параллелепипеда, то с повышением толщины Н удельная объемная емкость уменьшается, а удельная материалоемкость возрастает, поэтому выбирается отношение L/H≥1,7;
Если ЧИП слишком тонкий, т.е. длина L намного превышает толщину Н, то возможно коробление при обжиге сырой заготовки или излом при автоматизированном монтаже, поэтому выбирается отношение L/H≅10;
расположение разделительного пояска вдоль граней со сторонами L, H и поперек граней со сторонами L, W и переход с грани на грань вблизи контактов обеспечивает направление движения токов высокой частоты по направлению самой короткой стороны Н, при этом эквивалентное последовательное сопротивление полупроводникового объема ЧИПа оказывается минимальным и, следовательно, значения тангенса угла потерь в радиочастотном диапазоне также минимальны.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них указанные отличительные признаки.

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

Конденсатор (фиг. 3, 4) содержит пластину из полупроводниковой сегнетокерамики 7, вся поверхность которой покрыта реоксидированным диэлектрическим слоем 8 заданной толщины, на который за исключением узкого замкнутого пояска 9 нанесены электроды 10, например, методом вжигания серебряной пасты или напыления меди. На торцах пластины поверх электродов 10 нанесены методом лужения контактные площадки 11.

Конденсатор работает следующим образом. При приложении электрического напряжения к его контактам 11 реализуется электрическая емкость между каждым из двух металлических электродов 4 и отделенным от них диэлектрическим слоем 8 полупроводниковым слоем керамики 7, который выполняет роль внутреннего электрода так, что эти две емкости оказываются включенными последовательно через сопротивление полупроводникового слоя 7. Хотя конденсатор с электродами, выполненными из различных материалов (металла и полупроводниковой сегнетокерамики) является полярным, но два таких конденсатора включены встречно, поэтому конструкция ЧИП-конденсатора как единого целого является неполярной. Электрическая емкость конденсатора задается диэлектрической проницаемостью ε, толщиной d₁ реоксидированного слоя и суммарной площадью металлического электрода на гранях со сторонами L, W и W, H. Расположение пояска 9 на гранях L, W вблизи контактов 11 обеспечивает движение переменного электрического тока через полупроводниковый слой 7 в поперечном направлении (параллельно наименьшей стороне Н), что уменьшает до минимума последовательное сопротивление этого слоя и снижает тангенс угла потерь в радиочастотном диапазоне.

Примеры реализации конденсаторов с оптимальными габаритами, значения их номинальной емкости С_н и удельной объемной емкости С_удприведены в табл.1.

Доказательство достижения цели изобретения при выполнении конденсатора с соотношением сторон в указанных пределах проведено с учетом допустимой максимальной и минимальной длины ЧИП-конденсатора (1,5 мм≅ L≅ 8,0 мм) при автоматизированном поверхностном монтаже в соответствии с требованиями ТУ 11-84 "Конденсаторы керамические К10-17. Технические условия ОЖО.460.172 ТУ", а также с использованием трех критериев:
С_уд > 0,63 мкФ/см³ (удельная емкость прототипа);
С_о ≥ 95% (выход годных заготовок после обжига);
С_м ≥ 99,9% (правильность ориентации и установки чипа при автоматизированном монтаже).

Критерии по G_o и G_м установлены на основании следующих документов соответственно:
карта плановых процентов по ЕСТД 73201.00001 (пооперационный выход годных изделий з-да Кулон (ЛНПО Позитрон) на 1990, утв. 28.09.89) для многослойного керамического конденсатора К10-17;
Ч. -Г. Мэнгин, С.Макклелланд. Технология поверхностного монтажа. Будущее технологии сборки в электронике. М. Мир, 1990, с.17, 183, 184.

В табл.2 приведены значения параметров, соответствующие примерам реализации конденсаторов
Как видно из данных, представленных в табл.2, поставленная цель достигается при соблюдении указанных пределов отношения L/W и L/H (примеры 6-10, 14-19 и 21-27) и не достигается, если оба или хотя бы один из пределов нарушается, т. к. при этом либо существенно уменьшается удельная объемная емкость (пример 29), либо снижается процент выхода годных заготовок после обжига G_o ниже 95% (примеры 12, 13, 28), либо нарушается правильность установки ЧИПа при автоматизированном монтаже (G_м< <99,9%) примеры 1,2,3,4,5,11,13,20.

Тангенс угла потерь ЧИП-конденсатора в радиочастотном диапазоне существенным образом зависит от конфигурации электродов, которые образуются при различных способах расположения разделительного пояска. Минимальные потери получаются у предлагаемой конструкции, что подтверждается данными табл. 3.

Предлагаемая конструкция ЧИП-конденсатора позволяет повысить удельную емкость более чем в 3 раза (с 0,63 мкФ/см³ для прототипа до 2,20 мкФ/см³ для заявляемого конденсатора) при сопоставимых типо-номиналах и типо-размерах конденсаторов, а также уменьшить тангенс угла потерь tgδ в радиочастотном диапазоне:
с 0,63 до 0,21 при частоте f 10⁶ Гц и
с 1,17 до 0,87 при частоте f 10⁷ Гц (для L x W x H 2х1,6х1,1 мм и С_н 2,2 нФ прототип и для L x W x H 1,5 х 1,15 х 0,88 мм и С_н= 3,3 нФ заявляемый конденсатор).

При этом заявляемое техническое решение позволяет реализовать автоматизированный поверхностный монтаж на печатные платы и в гибридных микросхемах.

По сравнению с известными типовыми конструкциями конденсаторов (например, с монолитным керамическим конденсатором К10-17) заявляемый ЧИП-конденсатор обеспечивает, с одной стороны, сокращение расхода драгоценных металлов, а, с другой стороны, упрощение технологии его изготовления и снижение трудоемкости технологического процесса.

Использование: изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано при изготовлении конденсаторов постоянной емкости на основе полупроводниковой сегнетокерамики с поверхностным реоксидированным слоем. Цель изобретения повышение удельной объемной емкости и снижение тангенса угла потерь, достигается тем, что сегнетокерамический полупроводниковый ЧИП-конденсатор выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда на пластине из полупроводниковой сегнетокерамики, поверхность которой покрыта реоксидированным диэлектрическим слоем заданной толщины. Поверхность параллелепипеда имеет замкнутый деметаллизированный поясок, металлические электроды и контактные площадки. Параллелепипед выполнен с определенным соотношением размеров его длины, ширины и высоты. Металлические электроды выполнены методом вжигания серебряной пасты или напыления и расположены центрально-симметрично один относительно другого на наибольших по площади гранях параллелепипеда, а замкнутый деметаллизированный поясок расположен поперек каждой из наибольших по площади граней вблизи контактных площадок и примыкает к деметаллизированным боковым граням параллелепипеда. 4 ил. 2 табл.

СЕГНЕТОКЕРАМИЧЕСКИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЧИП-КОНДЕНСАТОР, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, на поверхности граней которого расположен диэлектрический реоксидированный слой, металлические электроды, изолированные один от другого замкнутым деметаллизированным пояском и контактные площадки, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной емкости и снижения тангенса угла диэлектрических потерь, параллелепипед выполнен с соотношением длины, ширины и высоты в пределах


где L, W, H длина, ширина и высота соответственно,
при этом длина выбрана в диапазоне 1,5-8,0 мм, металлические электроды расположены центрально-симметрично один относительно другого на противоположных основаниях и смежных с ними наименьших по площади гранях параллелепипеда, при этом контактные площадки расположены на металлических электродах на боковых гранях параллелепипеда, замкнутый деметаллизированный поясок расположен поперек каждого из оснований диагонально симметрично и примыкает к боковым граням параллелепипеда со сплошным диэлектрическим слоем и контактными площадками соответственно.