ПЛЕНОЧНЫЙ ПЛАНАРНЫЙ ВАРИКОНД

Заявляемая полезная модель относится к пленочным планарным варикондам и может быть использована 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 заявляемой полезной модели 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 200 В соответствует среднему значению рабочей напряженности электрического поля 40 В/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 заявляемой полезной модели 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 в качестве полезной модели 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 заявляемой полезной модели 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).
Количество отказов при сравнительных испытаниях варикондов-прототипов и варикондов заявленной конструкции на длительную наработку
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 в качестве полезной модели варикондов.
Фиг.1 - Эскиз пленочного планарного вариконда.
Фиг.2 - Пленочный пленарный вариконд фирмы Paratec Microwave, Inc.
Фиг.3 - Пленочный планарный вариконд КН1-8 - прототип (разрез структуры).
Фиг.4 - Пленочный планарный вариконд КН1-8 - прототип (эскиз рабочей зоны).
Фиг.5 - Пленочный планарный вариконд заявляемой конструкции (разрез структуры).
Фиг.6 - Пленочный планарный вариконд заявляемой конструкции (эскиз).