ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ КОНДЕНСАТОР ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА В НЕСИММЕТРИЧНЫЕ ПОЛОСКОВЫЕ ЛИНИИ
THIN-FILM CAPACITOR FOR SURFACE MOUNTING INTO ASYMMETRICAL STRIP LINES

Изобретение относится к конденсаторам постоянной емкости и может быть использовано в высокочастотных и сверхвысокочастотных радиоэлектронных устройствах.
2
2
2
2
Известен тонкопленочный конденсатор К26-4 системы металл (нижний электрод) - высоколегированный полупроводник (Si) - диэлектрик (SiO) - металл (верхний электрод), выполненный в виде двухступенчатого прямоугольного пьедестала, нижнюю ступеньку которого образуют нижний слой металла, слой высоколегированного полупроводника и пленка диэлектрика, а верхнюю ступеньку - верхний слой металла [1]. К верхнему электроду конденсатора присоединяют сваркой вывод из золотой проволоки диаметром 0,03 или 0,04 мм. Допускается применение золотого ленточного вывода. Конденсаторы выпускаются трех типоразмеров: 0,48×0,48 мм, 1,20×0,48 мм и 1,6×1,6 мм. Конденсатор К26-4 используется в качестве разделительного и блокировочного элемента.
Недостатками конденсатора К26-4 являются наличие двух операций соединения нижнего и верхнего электродов с проводниками радиоэлектронной схемы, в которой он используется, относительно высокая индуктивность проволочного вывода, сопротивление которого на частоте 18 ГГц достигает несколько десятков Ом.
i
2
2
5
+
Наиболее близким к заявляемому объекту является тонкопленочный конденсатор для поверхностного монтажа в полосковые линии передачи, содержащий последовательно соединенные изолирующую подложку, изготовленную из полуизолирующего полупроводника электронного типа проводимости (GaAs n-типа), проводящий слой, выполненный из эпитаксиального высоколегированного полупроводника электронного типа проводимости (GaAs n-типа), изолирующий слой, выполненный из SiO или из TaO, и две металлические контактные площадки (электроды) прямоугольной формы, разделенные между собой зазором [2]. Конденсатор-прототип имеет форму прямоугольного параллелепипеда с прямоугольной выемкой - зазором между электродами. Толщина подложки составляет около 200 мкм, толщина проводящего эпитаксиального слоя - около 15 мкм, толщина изолирующего слоя - около 0,5 мкм и толщина металлических контактных площадок - около 7 мкм. Проводящий слой формируется на изолирующей подложке в виде эпитаксиального слоя. На проводящем слое методом осаждения диэлектрика из газовой фазы формируется изолирующий слой. На изолирующем слое с помощью фотолитографии и метода вакуумного напыления формируются контактные площадки с набором слоев Va-Au (толщиной 0,05 и 0,20 мкм соответственно) и последующего гальванического наращивания Au (толщиной 5-6 мкм). Разделение несущей пластины на отдельные чип-конденсаторы осуществляется после завершения формирования топологий конденсаторов при помощи алмазных дисков. Монтаж конденсатора-прототипа при использовании его в качестве разделительного осуществляется в разрыв полоскового проводника (на концы полосковых проводников). Ширина зазора между концами полосковых проводников делается равной ширине зазора между контактными площадками конденсатора. Гальваническое соединение контактных площадок конденсатора с концами полоскового проводника осуществляется термокомпрессией - ультразвуковой сваркой при температуре свариваемых участков около 420°С при избыточном давлении на подложку.
Недостатками конденсатора-прототипа являются возникновение микротрещин в отдельных конденсаторах при разрезе несущей пластины на отдельные элементы, разброс размеров отдельных конденсаторов (что приводит к разбросу значения емкостей отдельных конденсаторов), разброс значений емкостей одинаковых конденсаторов при неточном совмещении краев щелей полосковых проводников с внутренними краями контактных площадок (в конденсаторе-прототипе ширина щели между контактными площадками выполняется равной ширине щели между концами полосковых проводников), возможность замыкания проводящего слоя конденсатора через очень тонкий изолирующий слой (толщиной около 0,5 мкм), особенно при пайке контактных площадок к концам полоскового проводника припоем ПОС-61 или при использовании токопроводящего клея.
Задачи, на достижение которых направлено предлагаемое решение, - уменьшение разброса параметров отдельных конденсаторов при их изготовлении и предотвращение замыкания проводящего эпитаксиального слоя с контактными площадками при монтаже конденсаторов в полосковые линии передачи.
Решение поставленных задач достигается тем, что тонкопленочный конденсатор для поверхностного монтажа в полосковые линии передачи, содержащий последовательно соединенные подложку, изготовленную из полуизолирующего полупроводника электронного типа проводимости, нижняя и средняя части которой имеют одинаковое прямоугольное сечение, проводящий слой, изготовленный из эпитаксиального высоколегированного полупроводника электронного типа проводимости, изолирующий слой и две металлические контактные площадки прямоугольной формы, разделенные между собой зазором, выполнен в виде двухступенчатого пьедестала, нижняя прямоугольная ступень которого содержит нижнюю и среднюю части подложки, а вторая ступень, выполненная в виде четырехугольной усеченной пирамиды, содержит верхнюю часть подложки, проводящий слой, изолирующий слой, нанесенный на всю внешнюю поверхность пирамиды, и две металлические контактные площадки, верхняя, плоская, часть первой ступени пьедестала также покрыта изолирующим слоем, являющимся продолжением изолирующего слоя пирамиды, нанесенным одновременно с нанесением изолирующего слоя на пирамиду, и со стороны нижней поверхности подложки дополнительно нанесен защитно-упрочняющий слой металла.
В частном случае ширину зазора между двумя контактными площадками конденсатора выбирают в пределах 0,3-0,6 ширины зазора между концами полосковых проводников, с которыми гальванически соединяют эти контактные площадки.
i
+
В частном случае подложка выполнена из GaAs n-типа, а проводящий слой - из GaAs n-типа.
В частном случае толщины проводящего слоя, изолирующего слоя, металлических контактных площадок и защитно-упрочняющего слоя выбирают в пределах 12-20; 0,3-0,7; 3-7 и 3-5 мкм соответственно.
2
2
5
В частном случае изолирующий слой выполнен из SiO или ТаО.
На фиг.1 приведена структура предлагаемого конденсатора (продольный разрез), а на фиг.2 - способ монтажа такого конденсатора в полосковую линию (все элементы конденсатора выполнены в произвольном масштабе).
На фиг.1 и 2 обозначено:
1 - подложка из полуизолирующего полупроводника электронного типа проводимости;
2 - проводящий слой из эпитаксиального высоколегированного полупроводника электронного типа проводимости;
3 и 4 - первая и вторая металлические контактные площадки (первый и второй электроды) конденсатора;
5 - часть изолирующего слоя, расположенная между проводящим слоем и первой, и второй контактными площадками;
6 - часть изолирующего слоя, нанесенная на боковые поверхности прямоугольной пирамиды и выполняющая роль защитно-изолирующего покрытия;
7 - защитно-упрочняющий слой металла;
8 - зазор между металлическими контактными площадками;
9 - диэлектрическая пластина полосковой линии;
10 - слой металла, нанесенный на нижнюю поверхность диэлектрической пластины (экранный проводник полосковой линии передачи);
13 и 14 - соединительные слои (например, припой);
15 - зазор между концами полосковых проводников.
2
2
5
Подложка 1 выполняет роль несущего основания всей структуры конденсатора и изготавливается из полуизолирующего полупроводника электронного типа проводимости, в частности арсенида галлия, ориентированного по плоскости (100). Является частью пластины, на которой одновременно выращиваются несколько конденсаторов в количестве от нескольких десятков до нескольких тысяч штук. Конденсатор выполнен в виде двухступенчатого пьедестала, нижняя прямоугольная ступень которого содержит защитно-упрочняющий слой металла 7, нижнюю и среднюю части подложки 1, а вторая ступень, изготовленная в виде четырехугольной усеченной пирамиды, содержит верхнюю часть подложки 2, проводящий слой 2, изолирующий слой, нанесенный на всю внешнюю поверхность пирамиды (состоит из двух частей 5 и 6), и две металлические контактные площадки 3 и 4. Верхняя, плоская, часть первой ступени пьедестала также покрыта изолирующим слоем, являющимся продолжением изолирующего слоя пирамиды (технологический слой, нанесенный одновременно с изолирующим слоем на пирамиду). Проводящий эпитаксиальный слой 2 (высоколегированный слой полупроводниковой подложки 1) выполняет роль общей обкладки конденсатора. Основание усеченной пирамиды расположено ниже границы раздела подложки 1 и проводящего слоя 2. Первая и вторая металлические контактные площадки 3 и 4 имеют одинаковые размеры. Они отделены от проводящего слоя 2 тонким изолирующим слоем 5, выполняемым, в частности, из SiO или TaO. Для лучшей адгезии контактных площадок 3 и 4 (которые обычно изготавливаются из золота) с изолирующим слоем 5, на последний может наноситься путем напыления тонкий подслой из VaAu толщиной 0,05-0,20 мкм. С нижней стороны подложки 1 нанесен путем напыления защитно-упрочняющий слой металла 7, в качестве которого может использоваться золото. Слой металла 7 предохраняет конденсатор от появления в нем микротрещин при его выделении (вырезании) из общей пластины. Зазор 8 между контактными площадками 3 и 4 расположен симметрично относительно поперечной плоскости конденсатора.
Линия передачи (фиг.2), в которую последовательно включают предлагаемый конденсатор, содержит диэлектрическую пластину 9, с нижней стороны (поверхности) которой нанесен слой металла 10, являющийся экранным проводником. Концы первого 11 и второго 12 полосковых проводников отделены друг от друга зазором 15, ширина которого превышает ширину зазора 8 между контактными площадками 3 и 4 конденсатора. Контактные площадки конденсатора гальванически соединены с концами полосковых проводников 11 и 12 через проводящие слои 13 и 14, в качестве которых, в частности, может использоваться золотая фольга. Сварка обкладок конденсатора, фольги с концами полосковых проводников осуществляется термокомпрессией. После завершения термокомпрессии между контактными площадками 3 и 4, проводящими слоями 13 и 14 и концами полосковых проводников 11 и 12 (между двумя парами из трех гальванически соединенных проводников) образуется ступенчатый зазор.
Уменьшение разброса параметров предлагаемого конденсатора при его изготовлении, включая выделение (вырезание) из общей пластины, по отношению к конденсатору-прототипу достигается за счет двух приемов.
Во-первых, за счет выполнения проводящего слоя 2 и расположенной под ним верхней части подложки 1 в виде четырехугольной усеченной пирамиды, основание которой расположено ниже границы раздела подложки и проводящего слоя и отделено от боковых поверхностей средней части подложки, выполняющей роль охранного кольца верхней поверхностью базовой (нижней) прямоугольной ступени. Конденсатор-прототип вырезают из общей пластины, в которой четырехугольный разрез проходит через подложку 1, проводящий слой 2, изолирующий слой 5 и контактные площадки 3 и 4, и точность вырезания конденсатора определяет величину отклонения емкости от номинального значения. В предлагаемом конденсаторе отделение (отрезание) конденсатора от общей пластины производят по верхней поверхности базовой прямоугольной ступени (охранному кольцу), при этом отсекаются только часть технологического диэлектрического слоя и части подложки 1 и защитно-упрочняющего слоя металла 7, что не затрагивает проводящий слой 2, часть изолирующего слоя 5, расположенного между проводящим слоем и первой 3 и второй 4 контактными площадками, образующими в совокупности конденсатор.
Во-вторых, за счет нанесения на нижнюю поверхность подложки защитно-упрочняющего слоя металла, препятствующего появлению микротрещин в конденсаторе при его вырезке из общей пластины (микротрещины увеличивают разброс емкости конденсаторов относительно ее номинального значения).
Уменьшение разброса параметров емкостей при гальваническом соединении контактных площадок предлагаемого конденсатора с концами полосковых линий передачи по отношению к конденсатору-прототипу достигается также за счет двух приемов.
Во-первых, за счет нанесения на боковые грани вышеупомянутой пирамиды защитно-изолирующего покрытия, что препятствует закорачиванию слоя 2 (общей обкладки конденсатора) с контактными площадками 3 и 4 при гальваническом соединении контактных площадок 3 и 4 с концами полосковых проводников 11 и 12 при пайке, использовании токопроводящего клея и при других способах гальванического соединения проводников.
Во-вторых, выполнение у предлагаемого конденсатора зазора между контактными площадками 3 и 4 меньшей ширины, чем ширина зазора между концами полосковых проводников, уменьшает разброс емкостей конденсаторов, включенных в полосковую линию, так как в этом случае относительное смещение зазоров будет изменять проходную емкость конденсатора, включенного в полосковую линию, в меньшей степени, чем в случае включения в полосковую линию конденсатора-прототипа, у которого ширина зазора между контактными площадками равна ширине зазора между концами полосковых проводников (основную роль в этом случае будет играть более узкая щель между контактными площадками конденсатора).
8
19
-3
2
r
2
5
r
Нами были изготовлены два варианта конденсатора-прототипа и два варианта предлагаемого конденсатора. Оба варианта конденсатора-прототипа имели форму прямоугольного параллелепипеда, длина которого была равна 500 мкм, а ширина - 400 мкм. Ширина зазора между контактными площадками составляла 200 мкм. В обоих вариантах предлагаемого конденсатора габаритные размеры внешних поверхностей обеих контактных площадок были равны габаритным размерам внешних поверхностей обеих контактных площадок конденсатора-прототипа. Ширина зазора между контактными площадками у предлагаемого конденсатора составляла 100 мкм. Материалом подложки во всех вариантах служил арсенид галлия (100), изготовленный по ТУ 48-4-276-92, имеющий удельное сопротивление 10 Ом·см, а эпитаксиальная высоколегированная структура проводящего слоя была выполнена из арсенида галлия согласно ТУ 11-2008 ФЫ 0.945.069 и имела концентрацию носителей заряда, превышающую 10 Ом·см. Толщина подложки составляла 200 мкм, толщина проводящего слоя - около 15 мкм. Изолирующие слои у первых вариантов конденсатора-прототипа и предлагаемого конденсатора были изготовлены из оксида SiO, имевшего ε=4,0-4,2, а изолирующие слои у вторых вариантов конденсатора-прототипа и предлагаемого конденсатора были изготовлены из оксида TaO, имевшего ε=30-32. Толщина изолирующих слоев составляла около 0,5 мкм. Контактные площадки у двух вариантов конденсатора-прототипа и у двух вариантов предлагаемого конденсатора и защитно-упрочняющие слои у обоих вариантов предлагаемого конденсатора были изготовлены из золота. Их толщина составляла 3-5 мкм. Гальваническое соединение контактных площадок конденсаторов с концами полосковых проводников осуществлялось при помощи пайки припоем ПОС-61 при температуре около 260°С. Отделение отдельных чип-конденсаторов из общей пластины осуществлялось при помощи алмазных дисков.
Было изготовлено по 100 шт. каждого варианта сравниваемых конденсаторов (всего 400 шт.). Появление микротрещин после вырезания конденсаторов из пластин было зафиксировано у 16 конденсаторов-прототипов из 200 и у трех предлагаемых конденсаторов (также из 200). Процент брака из-за закорачивания изолирующего слоя конденсаторов при их пайке составил 7% для конденсаторов-прототипов и 0% при пайке предлагаемых конденсаторов. Отклонение емкости конденсаторов-прототипов от расчетного номинала доходило до 27%, отклонение емкости предлагаемых конденсаторов - до 11%.
Источники информации
1. Конденсаторы. Сборник справочных листов РД 11 0285.1 - 2002. Издание официальное. Кн. 1. Конденсаторы К26-4. С.209-215.
2
2
5
2. Ю.Н.Вольхин, В.А.Глущенко, А.А.Дубровская, В.В.Малиновский, А.А.Серебренников, Ю.В.Янковская. Опыт разработки и применения малогабаритных прецизионных термостабильных конденсаторов СВЧ с изолирующими слоями из SiO и ТаО для сверхширокополосных устройств. Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем. Сб. докладов научно-технической конференции. Омск. 2008. С.37-45. Рис.11 и 12 - прототип.