Brevet FR2523952A1 — publié le 19830930

Procédé de formation d'une électrode sur une pièce de céramique diéLectrique pour des applications en haute fréquence La présente invention concerne un procédé de formation d'une électrode sur une pièce de céramique d-LéLectrique pour son utiLisation en haute fréquence et plus particulièrement, un perfectionnement au pro céd de formation d'une électrode sur une pièce de cc- ramique didlectrique par placage chimique de cuivre. L'électrode formée peut être utilisée dans un dispositif à haute fréquence, tel ou'un résonateur diélectri- que, une plaque de circuits à haute fréquence ou un circuit intégré pour hyperfréquence. Des résonateurs à cavite ont e' été largement utilisés comme des filtres pour des circuits à hyperfréquences. Etant donné que Les dimensions de la cavité sont généralement déterminées par la longueur d'onde de la fréquence de résonance, il estthéoriquement impossible de réduire les dimensions du résonateur~ à cavité. Pour obtenir un résonateur compact , des rd- sonateurs diélectriques ont été proposés. Un tdsona- teur diélectrique, ayant seulement ta moitié ou le tiers des dimensions d'un résonateur à cavité, est considéré comme un filtre particulièrement efficace dans la bande des GHz, en raison de ses hautes performances et de sa fiabilité. Par conséquent, des résonateurs diélectri- ques ont été utilisés dans des applications teltes que les téléphones de véhicuLes automobiles et les satelLites de tétdcommunications. La Fig. 1 est une vue en perspective d'un ré- sonateur diélectrique courant, à titre d'exemple des dispositifs à haute fréquence auxquels la présente invention peut s'appliquer. te résonateur peut avoir des con- figurations autres que celles de la Fig. 1, par exemple en forme de barreau de section transversale carrée ou circulairs. liais la configuration cylindrique circulaire de la Fig. 1 est largement répandue en raison de ses caracteristiques superieures. Le résonateur de ta Figure 1 est réalisé en formant respectivement des électrodes continues 2, 3 et 4 sur une surface periphérique intérieure, une surface périphérique extérieure et une surface d'extrémité de la pièce de céramique diéLectrique 1 en forme de cygindre. Aucune électrode n'est formée sur l'autre surface d'extrémité 5 de la pièce de céramique 1. Dans un résonateur diélectrique, comme celui de la Fig. 1, le facteur de qualité Q du résonateur est déterminé par le facteur Q de la pince de céramique diélectrique 1 et le facteur Q des électrodes 2, 3 et 4 ce qui peut se représenter de la manière suivante: 1/Qo - d i/Qd t 1/Qe où Qo est le facteur Q du résonateur, Qd est le facteur Q de la pièce diélectrique et Qe est te facteur Q des électrodes. Dans l'équation ci-dessus, Qd et Qe sont gé- néralement de l'ordre de 20 000 et 1000 respectivement. Par conséquent, le facteur Qe est relativement grand et a une influence considérable sur le facteur Qo. Il est connu que le facteur Qe des électrodes est à son tour déterminé principalement par la conductivité électrique du métal formant les électrodes. Par conséquent, de l'argent qui est relativement motteux a été utilisé générazement comme matière d' électrode en raison de sa haute conductibilité électri- que. L'argent est utilisé sous forme de poudre pour des raisons économiques et les électrodes sont fonnées par une technique de cuisson. Plus particulèrement, une pite d'un mélange de poudre d'argent, de verre fritté, de liant organique et de solvant est déposée, par exemple par peinture, sur les surfaces voulues de la pièce de céramique diélectrique. La pièce de céramique diélec- trique portant la couche de pâte est traitée à chaud de sorte que le verre fritté dans le mélange est fondu et que le verre fritté et la poudre d'argent adhèrent sur les surfaces de la pièce de ceramique diélectrique. Hais dans la mise en oeuvre de ce procédé, il est relativement difficile de déposer uniformément la pite sur la pièce diélectrique. En outre, en raison du fait que le verre fritté qui est additionné pour faciliter l'adhérence de la poudre d'argent sur la pièce de céramique, la conductivité électrique de lél-ectrode d'argent est réduite .Plus particulièrement, bien que la conductibilité de l'argent soit 6,06 x 105 (1/ Q cm), la conductibilité de ltélectrode résultante n'est qu'en viront 80 pour cent et elle est inférieure à la conductibilité du cuivre 5,81 x 105 (1/J2cm). Par conséquent, le facteur Qo est réduit et la valeur dutilisation de l'argent est perdu. Le verre fritté est utilisé pour améliorer adhérence de la poudre d'argent sur la pièce diélec- trique. En clair, il est souhaitable de réduire autant que possible la quantité de verre fritté pour réduire ainsi au minimum la diminution de conductibilitd électrique de lgélectrode d'argent. Mais étant donné que la force d'adhérence de Lgelectrode sur la pièce de céramique, même lorsqu'elle est améliorée par la présence de ver re fritte n'est que de l'ordre de o,38 kg/mm2, qui est une valeur minimale pour obtenir une bonne adhérence, il n'est pas commode de reduire la quantité de verre fritte. Il a également été proposé d'utiliser du cuivre, qui est relativement peu motteux comparativement avec lirgent pourla matière d'électrode. Mais les électrodes de cuivre sont généralement formées par un placage chimique et, lorsqu'elles sont ainsi formées, elles présentent une plus faible conductibilité électrique et un facteur Qe plus réduit qu'une électrode d'argent. En outre, lorsqu'elle est utilisée à haute tempdrature et/ou en atmosphère humide, les caractéristiques électriques d'une électrode de cuivre sont con siderablement dégradées. De plus, Ltadhérence d'une électrode de cuivre sur une matière ceramique diélec- trique est généralement mauvaise et sa fréquence de résonance est considérablement modifiée après un essai de cycle thermique. Un essai de cycle thermique courant implique dix cycles successifs dans chacun desquels la matière diélectrique plaquée avec une électrode de cuivre est maintenue à 400C pendant deux heures, puis chauffée et maintenue à 80 O pendant deux heures. Le changement considéraTole observé dans la fréquence de résonance du résonateur résultant apyres le cycle thermique semble apparattre en raison du fait que ltadhérence del'élec- trode de cuivre sur la matière céramique dielectrique est considérablement dégradée. Des électrodes de nickel déposées par placage chimique ont étalement été considérées. La conductibilité électrique du nickel est faible; par conséquent, le facteur Qe est également bas. Ainsi, le facteur Qo d'un résonateur rdsultant est aussi reduit que la moitié de celui d'un résonateur équipé avec une électrode d'argent. Cette faibLe valeur est inacceptable en pratique. L'invention a donc pour but de proposer un procédé de formation d'une électrode de cuivre sur une pièce de céramique diélectrique pour son application en haute fréquence, sans dégradation ultérieure de l'adhérence de I'électrode sur la pièce de céramique, comme cela est inhérent avec les-électrodes de cuivre déposées chimiquement de la manière classique. Selon l'invention, ce résultat est obtenu par un traitement thermique, entre 3000C et 9:00 C dans un environnement de gas inerte, par exemple :azote ou d'argon, d'une électrode de cuivre déposés sur une pièce de céramique diélectrique pour son application en haute fréquence en utilisant la technique courante de placage chimique de cuivre. Après ce traitement, les caractéris- tiques de structure de la pellicule de cuivre déposée chimiquement sont similaires à celles du cuivre métallique pur L'adhérence de t'électrode de cuivre sur la matière céramique diélectrique est considérablement améliorée, ce dont il résulte une amélioration du facteur Qe de l'électrode.Par conséquent, le facteur Qo d'un dispositif à haute fréquence résultant comme un résonateur diélectrique, est amélioré. Il a été également observé que la variation du facteur Qe de l'élec- trode formée selon l'invention est très faible, meme après une longue période d'utilisation. Un résultat particulièrement bon est obtenu lorsque le traitement thermique est effectué pendant environ trente minutes à une température dans la plage de 5000C à 7000C. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation en se référant aux dessins annexés sur lesquels Ta Figure 1 est une vue en perspective d'un résonateur diélectrique courant, à titre d'exemple d'un dispositif à haute fréquence, la Figure 2 est une courbe montrant la relation entre la température du traitement thermique et le facteur Qo du résonateur , et la Figure 3 est une oeurbe representant la relation du facteur Qo avec la durée à haute température et forte humidité, pour un résonateur préparé selon l'invention (A) et un résonateur préparé selon la technique antérieure (B). Comme céramique diélectrique, une matière est choisie dans le groupe Hg TiO3 - CaTiOj Z. rio3-96 mol %, CaTio3-4 mol e,) ayant une constante diélectrique 20 à 30 (le coefficient de température de la constante diélectrique est nul). La matière est préparée et formée en une pièce cylindrique 1 comme le montre la Figure 1. Pour former les électrodes 2, 3 et 4, un ptacage chimique de cuivre est effectué. Plus particulière ment, la pièce cylindrique 1 de céramique électrique est traitée pour éliminer les graisses et ensuite attaquée avec de 11 acide fluoroborique pour en rendre les surfaces rugueuses. Ces surfaces sont sensibilisées en utilisant du chlorure de zinc (II) et sont activées en utilisant du chlorure de palladium. La piece cylindrique 1 est plongée dans une solution de placage contenant du sulfate de cuivre de formule EDTA et du MaOH, et elle est soumise à un placage chimique pour former une couche d'électrode de cuivre sur la pièce. Quand le placage chimique est terminé, la piè- ce cylindrique est lavée et séchée. La pièce cylindrique est soumise à un traitement thermique pendant environ 30 minutes dans un environnement d'azote, selon ltinvention. Pour clarifier l'effet de l'invention1 le traitement thermique a été effectué à diverses tempdra- tures, dont deux se situent à l'extérieur du cadre de l'invention. Les résultats sont indiqués sur la Fig. 2. La Figure 2 est donc un graphe montrant la relation entre la température du traitement thermique et le facteur Qe du résonnateur résultant, un échantillon qui n'a pas été traité à chaud ayant un facteur Qe de 761 à 250C. Un traitement thermique à 10000C ne produit qu'un facteur Qo de 700. Par ailleurs, des résonateurs qui sont traités thermiquement à une température dans la plage de 3000C à 9000C présentent des valeurs beaucoup plus élevées du facteur Qo. A partir de ces données, il est clair qu'avec un résonateur traité thermiquement à une température inférieure à 3000cl l'adhérence du cuivre sur la pièce de céramique résultant du placage chimique est insuffisante. En outre, avec un résonateur traite thermiquement à une température supérieure à 9000C, le cuivre diffuse dansla pièce de céramique et il y est oxydé. La température maximale du traitement thermique pour laquelle un facteur supérieur Qo est obtenu est entre 5000C et 7000C. Après le traitelnent thermique, la pièce cylin drique 1 est accordée par polissage de la surface 5 comme le montre la Figure 1 et ensuite, le resonateur est assemblé pour fonctionner comme un filtre à haute fréquence. il s'est avéré que l'adhérence de l'électrode de cuivre sur la pièce de céramique est 1,25 kg/mm, considérablement supérieure à l'adhérence de 0,5 kg/mra2 d'une électrode de cuivre obtenue sans traitement ther mique. L' écart standard de variations du facteur Qo du résonateur préparé selon l'invention est 2,1 pour cent, très inférieur à l'écart standard de 10,0 pour cent d'un résonateur électrique comportant des électrodes d'argent courantes. I1 est apparu que l'épaisseur de l'électrode de cuivre est de préférence de 1 à 10 pm, mesurée à partir d'une quantité de cuivre pur de l'électrode sur une surface prédéterminée. Si l'épaisseur est inférieure à 1 pm, la résistance électrique de l'électrode est anorsalement élevée et, si elle est supérieure à 10 tlm, le facteur Qo est réduit, de sorte que l'électrode est indésirable economiquement. L'invention offre des avantages importants. En utilisant un placage chimique, il est possible (i) de former uniformément la pellicule de cuivre sur les surfaces voulues, y compris la surface intérieure de la pièce de céramique cylindrique, et (2) de traiter un grand noefbre de pièces de céramique dans la phase de formation d'électrode. En plus, le cuivre utilisé comme matière d'électrode est relativement peu motteux comparativement à l'argent. Ainsi, l'invention apporte une solution nettement moins chère. En outre, le facteur Qo de l'électrode de cuivre olJtenueseLon 11 invention est supérieur à celui de l'électrode d'arpent courante préparée par adhérence à chaud. Deux résonateurs, l'un préparé selon l'imren- tion et l'autre préparé sans traitement thermique ont été essayés à 600C pendant 1000 heures dans un environnement d'humidité relative de 95 pour cent. La Figure 3 illustre les mesures du facteur Qo en fonction du tempos. il est clair que les variations du facteur Qo du résonateur avec des électrodes traitées thermiquement sont trbs réduites. Au contraire, le facteur Qo du résonateur comportant une électrode formée sans traitement thermique est réduite d'environ lO pour cent à la fin de l'essai. Comme le montrent les résultats de la Fig. 3, le résonateur diélectrique comportant une électrode de cuivre traité selon liinvention, offre une excellente durabilité en température et en humidité. Bien entendu, de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et illustré à titre exemple nullement limitatif sans-sortir du cadre de l'invention. REVEETDICATIONS 1 - Procédé de formation d'une électrode de cuivre sur une pièce de céramique diélectrique, pour des applications en haute fréquence, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentielement à déposer une électrode de cuivre (2, 3, 4) sur ladite pièce de céramique diélectrique (1) par placage chimique de cuivre et à traiter thermiquement ladite éLectrode de cuivre à une température allant de 3O00C à 9000C dans un environnement de gaz inerte. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit traitement thermique est effectué pendant environ trente minutes. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche d'électrode de cuivre est de 1 à 10 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit traitement thermique est effectué à une température allant de 5000C à 7000C. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche d'électrode de cuivre est de l à 10 Iwu. 6 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit traitement thermique est effectué pendant environ 30 minutes. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche d'électrode de cuivre est de 1 à 10 pm.