ПЛЕНОЧНЫЙ ПЛАНАРНЫЙ ВАРИКОНД Российский патент 2013 года по МПК H01C7/02 

Настоящее изобретение относится к пленочным планарным варикондам и может быть использовано в радиоэлектронной промышленности в качестве управляемого напряжением емкостного элемента в устройствах СВЧ (например, в фазовращателях).

Пленочный планарный вариконд (фиг.1, «Сегнетоэлектрики в технике СВЧ» под ред. О.Г.Вендика, М.: Советское радио, 1979, с.101) обычно представляет собой диэлектрическую подложку, на поверхности которой имеется слой сегнетоэлектрического (СЭ) материала, являющегося рабочим диэлектриком вариконда. Диэлектрическая проницаемость такого материала зависит от величины приложенного к нему электрического поля, что и обеспечивает возможность управления емкостью вариконда. На поверхности СЭ материала имеются рабочие электроды, выполненные из металла с высокой электрической проводимостью (что способствует уменьшению потерь энергии в вариконде), и контактные площадки, выполненные из материалов, обеспечивающих возможность контактирования варикондов.

Рабочие электроды совместно с прилегающими областями СЭ материала, (так называемая рабочая зона вариконда) служат для образования емкости вариконда и для приложения электрического поля к СЭ материалу и, соответственно, для управления величиной емкости вариконда.

Контактные площадки образуют зону контактирования вариконда. Контактирование - это создание электрического соединения вариконда с другими элементами радиоэлектронного устройства (с помощью, например, пайки или сварки) или подключение вариконда к измерительным устройствам с целью контроля электрических параметров.

Емкость вариконда определяется, главным образом, диэлектрической проницаемостью материалов СЭ слоя и подложки, размерами электродов и величиной зазора между ними в рабочей зоне.

Эффект управления емкостью обеспечивается приложением к СЭ материалу достаточно большой напряженности электрического поля. Таким образом, чем меньше зазор между электродами, тем меньше может быть приложенное к вариконду напряжение.

Работа при высокой напряженности поля создает одну из основных проблем варикондов - проблему долговременной стабильности (надежности), так как при высокой напряженности поля в СЭ материале могут происходить различные деструктивные процессы, приводящие к отказу вариконда.

Для реализации рабочих электродов и контактных площадок обычно применяют различные металлы или сложные металлические структуры, содержащие кроме основного металлического слоя с высокой электропроводностью дополнительные слои для обеспечения адгезии к подложке и для защиты его внешней поверхности. Эта металлическая структура формируется методами тонкопленочной технологии.

Для обеспечения возможности контактирования варикондов в радиоэлектронном устройстве используются поверхностные покрытия, например золото или припои на основе олова.

Известен сегнетоэлектрический планарный конденсатор, заявленный в патенте РФ на изобретение №2271046 (заявл. 08.08.2004, опубл. 27.02.2010, кл. Н01С 7/02).

Согласно изобретению сегнетоэлектрический конденсатор содержит диэлектрическую подложку из СЭ материала и сформированные на ней электроды, а диэлектрическая подложка изготовлена из полярного молекулярного сегнетоэлектрического кристалла, содержащего биполярные анизотропно-мобильные молекулы.

Данное техническое решение позволяет создать миниатюрные конденсаторы в планарном исполнении без дополнительного подэлектродного слоя.

Известны также аналогичные по конструкции вариконды (фиг.2), разработанные фирмой Paratec Microwave, Inc. (www.paratec.com) на основе запатентованных СЭ материалов PARASCAN™ Composites на основе бария-стронция титаната.

Наиболее близким к заявляемому изобретению техническим решением, взятым в качестве прототипа, является разработанный в ОАО «НИИ «Гириконд» вариконд КН1-8 (АДПК.673553.00 ТУ).

Конструкция вариконда-прототипа представлена на фиг.3 (эскиз многослойной структуры) и фиг.4 (эскиз рабочей зоны).

Конструкция вариконда КН1-8 (фиг.3) содержит:

- диэлектрическую подложку из ситалла СТ50-1 толщиной 0,6 мм;

- слой СЭ материала БСТО толщиной 0,8 мкм, нанесенный вакуумным радиочастотным распылением;

- адгезионный подслой хрома толщиной 0,08 мкм, нанесенный магнетронным распылением и обеспечивающий адгезию к слою рабочего диэлектрика наносимого далее слоя меди;

- слой меди толщиной 0,6 мкм, нанесенный магнетронным распылением;

- защитный слой хрома толщиной 0,08 мкм, нанесенный магнетронным распылением (для защиты поверхности нанесенного в вакууме медного слоя в процессе технологических воздействий);

- гальванически выращенные слои меди толщиной 6 мкм и сплава олово-висмут толщиной 15 мкм (только на контактных площадках).

Рабочие электроды и контактные площадки выполняются фотолитографическими методами, при этом рабочие электроды выполнены в виде гребенчатой структуры в слоях хром-медь-хром, а контактные площадки прямоугольной формы дополнительно содержат гальванически выращенные слои меди и сплава олово-висмут. Защитный слой хрома удаляется для осуществления процесса гальванического наращивания меди.

Минимальный зазор между электродами в рабочей зоне равен 5 мкм, что при номинальном напряжении 200В соответствует среднему значению рабочей напряженности электрического поля 40В/мкм (для сравнения: в монолитных керамических конденсаторах на основе СЭ материалов величина напряженности электрического поля составляет 2÷4 В/мкм). Высокая напряженность поля способствует деструкции (старению) СЭ материала, что приводит к возникновению отказа вариконда.

Основной недостаток конструкции-прототипа - это неудовлетворительная долговременная стабильность варикондов вследствие деструкции СЭ материала, причиной которой является, в первую очередь, миграция в процессе длительной эксплуатации кислородных вакансий в рабочем диэлектрике. Кислородные вакансии образуются вследствие взаимодействия ионов кислорода, входящего в состав окислов, образующих СЭ материал, с металлами, образующими электроды вариконда. Наиболее склонны к взаимодействию с ионами кислорода металлы, обычно используемые в качестве адгезионного подслоя, в первую очередь такие, как титан, ванадий, хром.

Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение долговременной стабильности (надежности) варикондов при сохранении достигнутых параметров варикондов по сравнению с прототипом.

Указанный технический результат достигается за счет применения для рабочих электродов, непосредственно соприкасающихся с рабочим диэлектриком (СЭ материалом), слоя металла, в минимальной степени взаимодействующего (образующего кислородные вакансии в кристаллической структуре СЭ материала) с окислами, входящими в состав СЭ материала. К таким металлам относятся благородные металлы и медь, а также, в известной мере, и алюминий.

Однако нанесение благородных металлов, а также меди без адгезионного подслоя практически невозможно в связи с крайне низкой адгезией к подложке, а наличие адгезионного слоя, как упоминалось выше, является основной причиной возникновения кислородных вакансий.

Нанесение же слоя алюминия (без адгезионного подслоя) на окислосодержащий слой рабочего диэлектрика обеспечивает приемлемую адгезию, а минимальное взаимодействие с окислами, характерное для алюминия, приводит к незначительной деструкции рабочего диэлектрика и, соответственно, к уменьшению числа отказов.

Заявляемый отличительный признак является новым для пленочных варикондов, а заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».

На фиг.5 показана многослойная структура заявляемого вариконда.

Конструкция заявляемого вариконда содержит:

- диэлектрическую подложку из ситалла СТ50-1 толщиной 0,6 мм (соответствует прототипу);

- слой СЭ материала БСТО толщиной 0,8 мкм, нанесенный вакуумным радиочастотным распылением (соответствует прототипу);

- слой алюминия толщиной 0,8 мкм, нанесенный магнетронным распылением;

- адгезионный подслой хрома толщиной 0,08 мкм (только на контактных площадках);

- слой меди толщиной 0,6 мкм, нанесенный магнетронным распылением (только на контактных площадках);

- гальванически выращенные слои меди толщиной 6 мкм и сплава олово-висмут толщиной 15 мкм (только на контактных площадках, соответствует прототипу).

На фиг.6 представлен общий вид (эскиз) заявляемого пленочного планарного вариконда, который, так же как и вариконд-прототип, имеет рабочие электроды, выполненные в виде гребенчатой структуры, где:

1 - диэлектрическая подложка;

2 - слой сегнетоэлектрического материала;

3 - рабочие электроды;

4 - зазор между рабочими электродами;

5 - контактные площадки.

Рабочие электроды и контактные площадки выполняются фотолитографическими методами, при этом рабочие электроды выполнены в виде гребенчатой структуры в слое алюминия, а контактные площадки прямоугольной формы дополнительно содержат адгезионный слой хрома, слой вакуумной меди, а также гальванически выращенные слои меди и сплава олово-висмут.

Главное отличие заявляемого технического решения вариконда от прототипа - это то, что находящиеся в рабочей зоне вариконда рабочие электроды выполнены в слое (пленке) алюминия, являющегося единственным металлическим покрытием, соприкасающимся с поверхностью СЭ материала. Алюминий (без адгезионного слоя) является достаточно пассивным металлом в отношении образования кислородных вакансий в кристаллической структуре СЭ материала рабочего диэлектрика.

Заявленный отличительный признак обеспечивает «изобретательский уровень».

Заявленная конструкция вариконда реализуется путем последовательного проведения следующих основных операций:

- нанесение слоя СЭ материала на подложку (вакуумное);

- нанесение многослойной тонкопленочной металлической структуры, состоящей из слоев алюминия, меди и хрома (вакуумное);

- локальное травление слоев хрома и меди в рабочей зоне, исключающее возможность попадания частиц хрома и меди на поверхность слоя СЭ материала при последующем формировании рисунка электродов (фотолитография);

- формирование рисунка электродов, включая зазор между электродами в слое алюминия в рабочей зоне (фотолитография);

- нанесение защитного покрытия и формирование рисунка в защитном слое (фотолитография);

- формирование контактных узлов (гальваническое наращивание слоя меди и слоя сплава олово-висмут) в зоне контактирования.

В качестве доказательства промышленной применимости заявленного решения в табл.1 представлены результаты сравнительных испытаний варикондов-прототипов и варикондов заявленной конструкции на длительную наработку в предельных условиях эксплуатации (номинальное напряжение постоянного тока 200 В и повышенная температура +55°С).

Таблица 1 Количество отказов при сравнительных испытаниях варикондов-прототипов и варикондов заявленной конструкции на длительную наработку Временной интервал проведения испытаний, ч Вариконды-прототипы (80 шт.) Вариконды заявленной конструкции (80 шт.) 0…100 2 0 100…500 3 0 500…1000 5 0 1000…2000 8 0 2000…5000 25 0 ВСЕГО ОТКАЗОВ: 43 0

Как видно из приведенных данных, заявленное решение существенно превосходит по стабильности вариконды-прототипы.

Имеющаяся в ОАО «НИИ «Гириконд» научная и технологическая база в области керамических конденсаторов и материалов обеспечивает высокий технический уровень заявляемых варикондов.

Пленочный планарный вариконд

Фиг.1 - Эскиз пленочного планарного вариконда.

Фиг.2 - Пленочный планарный вариконд фирмы Paratec Microwave, Inc.

Фиг.3 - Пленочный планарный вариконд KH1-8 - прототип (разрез структуры).

Фиг.4 - Пленочный планарный вариконд KH1-8 - прототип (эскиз рабочей зоны).

Фиг.5 - Пленочный планарный вариконд заявляемой конструкции (разрез структуры).

Фиг.6 - Пленочный планарный вариконд заявляемой конструкции (эскиз).

Настоящее изобретение относится к пленочным планарным варикондам и может быть использовано в радиоэлектронной промышленности в качестве управляемого напряжением емкостного элемента в устройствах СВЧ (например, в фазовращателях). Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение долговременной стабильности (надежности) варикондов. Пленочный планарный вариконд содержит диэлектрическую подложку, на поверхности которой находится слой сегнетоэлектрического материала, рабочие электроды и контактные площадки, выполненные на основе многослойных металлических структур из напыленных и гальванически выращенных слоев металлов, рабочие электроды вариконда выполнены в напыленном слое алюминия, нанесенном на слой сегнетоэлектрического материала. 6 ил., 1 табл.

Пленочный планарный вариконд, содержащий диэлектрическую подложку, находящийся на ее поверхности слой сегнетоэлектрического материала, рабочие электроды и контактные площадки, выполненные на основе многослойных металлических структур из напыленных и гальванически выращенных слоев металлов, отличающийся тем, что рабочие электроды вариконда выполнены в напыленном слое алюминия, нанесенном на слой сегнетоэлектрического материала.