用(yòng)于微波電(diàn)路的單層片式晶界層電(diàn)容器

摘要：研究了施主摻雜還原氣氛燒結的SrTiO3基半導體(tǐ)瓷的組成與性能(néng)關系。通過等效電(diàn)路分(fēn)析，XRD、SEM 顯微結構觀察，探讨晶界效應及其特性對瓷料性能(néng)作(zuò)用(yòng)的機理(lǐ)，從而制成介電(diàn)系數可(kě)調（ 10000～50000），電(diàn)容量變化率低（≤±4.7% ～≤±22％），使用(yòng)溫域寬（﹣55℃～+125℃）的單層片式晶界層電(diàn)容器瓷片。通過在瓷片上濺射和電(diàn)鍍方法制作(zuò)電(diàn)極，并以光刻腐蝕，精(jīng)密加工(gōng)成通用(yòng)型，表面貼裝(zhuāng)型，多(duō)電(diàn)極型和陣列型的單層片 式電(diàn)容器，用(yòng)于微波電(diàn)路。

關鍵字：單層片式電(diàn)容器，晶界層，介電(diàn)系數，溫度特性，系列産(chǎn)品

随着現代電(diàn)子技(jì )術的迅速發展，微波在高端民(mín)用(yòng)領域均得到廣泛應用(yòng)，如雷達、導彈遙控， 衛星通訊、定位，電(diàn)視衛星接收器，無線(xiàn)局域等系統。微波電(diàn)路中(zhōng)微波集成（MIC），隔直RF旁路，射頻旁路，源旁路介，匹配網絡，解耦電(diàn)路等，都需求高精(jīng)度的電(diàn)容器。單層片式晶界層電(diàn)容器（SLBC）具(jù)有(yǒu)尺寸微小(xiǎo)、電(diàn)容量大、應用(yòng)溫域寬（﹣55℃～125℃）、電(diàn)容變化率小(xiǎo)（≤±4.7%～≤±22％）、頻率特性好等優點，是一類适用(yòng)于微組裝(zhuāng)工(gōng)藝和微波電(diàn)路的新(xīn)型電(diàn)容器品種。研發的單層片式晶界層電(diàn)容器，采用(yòng)SrTiO3系陶瓷材料，還原氣氛燒結制造半導體(tǐ)瓷，經氧化熱處理(lǐ)，濺射和電(diàn)鍍電(diàn)極，光刻腐蝕，高精(jīng)度切割等先進工(gōng)藝技(jì )術，獲得不同的産(chǎn)品規格：通用(yòng)型， 表面貼裝(zhuāng)型，多(duō)電(diàn)極型和陣列型。産(chǎn)品尺寸從0.254× 0.254×  0.127mm～2.29× 2.29×0.254mm系列化，該産(chǎn)品已批量生産(chǎn)，投放市場。

1. 工(gōng)藝技(jì )術與檢測方法

以SrTiO3為(wèi)基添加施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)配成晶界層電(diàn)容器瓷料，用(yòng)流延或軋膜成型制備膜片，在 N₂+H₂ 還原氣氛中(zhōng)燒結成半導體(tǐ)瓷片。瓷體(tǐ)電(diàn)阻率用(yòng)2182A NaNoVol   METER 6221 DC AND AC CURRENT SOURCE儀測量。經氧化熱處理(lǐ)後半導體(tǐ)瓷片成為(wèi)具(jù)有(yǒu)高介電(diàn)系數的晶界層電(diàn)容器瓷片。在瓷片上濺射TiW，Ni和Au電(diàn)極，電(diàn)鍍加厚Au電(diàn)極，然後切割成各種規格的電(diàn)容器。用(yòng)HP4278A電(diàn)容測量儀測量電(diàn)容量和介質(zhì)損耗；4210A Test Chamber 電(diàn)容溫度系數測量儀測量電(diàn)容溫度系數；HP4339A高阻測試儀測量絕緣電(diàn)阻；34A諧振管測量系統測量等效串聯電(diàn)阻；HP8722C矢量網絡分(fēn)析儀分(fēn)析介質(zhì)微波特性；JELJSM 掃描電(diàn)鏡觀察半導體(tǐ)瓷的斷面形貌；Rigaku D/MAX-B全自動X射線(xiàn)衍射儀進行物(wù)相分(fēn)析。

2. 組分(fēn)、結構、工(gōng)藝對晶界層電(diàn)容器性能(néng)的影響

2.1 使半導體(tǐ)瓷片的晶粒具(jù)有(yǒu)盡可(kě)能(néng)低的電(diàn)阻率，是保證SrTiO3晶界層電(diàn)容器具(jù)有(yǒu)高介電(diàn)系數和低介質(zhì)損耗優良性能(néng)的重要條件之一。SrTiO3的半導體(tǐ)化，是以施主摻雜加還原氣氛（N₂+H₂）燒結的方式進行。在以SrTiO3為(wèi)基的主料中(zhōng)，用(yòng)三價離子(La³⁺、Y³⁺ 、Y^b3+、Sm³⁺中(zhōng)的一種或幾種)作(zuò)A位取代，或/和五價離子(Nb⁵⁺、Ta⁵⁺中(zhōng)的一種)作(zuò)B位取代的方式進行施主摻雜，生成 La_Sr³⁺+ 或/和 Nb_Ti⁵⁺施主，一方面提供了導電(diàn)電(diàn)子，另一方面施主摻雜使晶格發生畸變，有(yǒu)助于氧脫離晶格點，此時在還原氣氛的同時作(zuò)用(yòng)下， 氧較易于擴散遷移離開晶格，導緻一、二價電(diàn)離氧空位V₀ ^×· 、V₀ ^×·· 缺陷的生成，也提供了導電(diàn)電(diàn)子，從而使參與導電(diàn)的電(diàn)子數量大大增加；由于SrTiO3中(zhōng)的Ti 為(wèi)易變價元素，上述的導電(diàn)電(diàn)子易于被鄰近的Ti⁴⁺變價為(wèi)Ti³⁺(相當于T i⁴⁺+e＇)，此弱束博電(diàn)子以跳躍(hopping)方式參與導電(diàn)，從而具(jù)有(yǒu)較高的電(diàn)子遷移率；因兩者的同時作(zuò)用(yòng)而得到良好的n型半導體(tǐ)化晶粒^[1-4]。試驗表明，施主摻雜物(wù)的添加量與電(diàn)阻率成U形曲線(xiàn)關系，通過優選施主摻雜量，用(yòng)四探針法測得半導體(tǐ)瓷片的電(diàn)阻率可(kě)低至0.2～0.5Ω·cm。

對已半導化的半導體(tǐ)瓷片進行X射線(xiàn)衍射分(fēn)析，其譜線(xiàn)圖如圖1；已知未摻雜的SrTiO3晶體(tǐ)為(wèi)立方結構，而瓷片也呈現為(wèi)立方結構，隻是晶格參數略有(yǒu)變化，這是施主雜質(zhì)進入晶格取代的結果。

2.2 使瓷片具(jù)有(yǒu)适合的晶界層結構，則是保證SrTiO3晶界層電(diàn)容器具(jù)有(yǒu)高介電(diàn)系數、低介質(zhì)損耗和小(xiǎo)的電(diàn)容溫度變化率的另一重要條件。在瓷料中(zhōng)添加的受主摻雜物(wù)和後續工(gōng)藝中(zhōng)的塗覆物(wù)，經燒結和氧化熱處理(lǐ)後形成所需的晶界層。晶界層包括由塗覆物(wù)形成的第二相絕緣層，以及由氧擴散進入晶粒表層形成的擴散層。絕緣層和擴散層的厚度對視在靜态介電(diàn)系數和電(diàn)容溫度變化率影響極大，薄的晶界層能(néng)得到高的介電(diàn)系數，但低的電(diàn)容變化率隻有(yǒu)在絕緣層與擴散層厚度之間有(yǒu)一合适的比例時才能(néng)得到^[5、6]；因此，一般是通過調整塗覆物(wù)含量以及優化熱處理(lǐ)工(gōng)藝，加意控制兩層之間的比例，使介電(diàn)系數和電(diàn)容溫度系數兩者的綜合性能(néng)能(néng)滿足應用(yòng)要求為(wèi)度。研發的兩種不同電(diàn)容器用(yòng)瓷片的介電(diàn)系數及其溫度特性如圖2。

2.3 通過晶粒與晶界層尺寸的不同組合，可(kě)調整晶界層電(diàn)容器的視在靜态介電(diàn)系數 Keff 值。圖3為(wèi)晶界層電(diàn)容器的等效電(diàn)路圖,絕緣層、擴散層和晶粒的參數分(fēn)别用(yòng)下标i、d和g表示。

在角頻率x ® 0 的低頻情況下，由簡化的等效電(diàn)路，得到 Keff 的計算式(1)，其中(zhōng) s g 為(wèi)SrTiO₃ 晶粒的本征介電(diàn)系數^[7]：

由式（ 1）可(kě)見，晶界層電(diàn)容器瓷片的晶粒徑增大或晶界層厚度減小(xiǎo)，都可(kě)使d_g/（d_d+d_i）比值增大，得到較大的視在介電(diàn)系數；反之相反。因此，可(kě)通過調整瓷料配方組成和工(gōng)藝技(jì )術，使瓷片晶粒大小(xiǎo)不同或/和晶界層厚薄不同，以得到不同的介電(diàn)系數值。當然，這時還必需兼顧到電(diàn)容溫度變化率的要求，為(wèi)此晶界層内的絕緣層與擴散層之間還必須如2.1中(zhōng)所述，做到合理(lǐ)的組合，以保證介電(diàn)系數和電(diàn)容溫度變化率兩個參數，都能(néng)滿足應用(yòng)的要求。

圖 中(zhōng)（a ）晶粒徑約40～60微米，對應的介電(diàn)系數50000～60000，（b）晶粒徑約5～20微米，對應的介電(diàn)系數8000～12000，此規律與等效電(diàn)路的分(fēn)析相符。

2.4 應用(yòng)于微波頻率下的晶界層電(diàn)容器，僅僅介質(zhì)損耗低是不夠的，還要求電(diàn)容器的電(diàn)極和終端金屬材料的損耗要小(xiǎo)，介質(zhì)損耗和金屬損耗之和用(yòng)一個等效串聯電(diàn)阻(ESR)的參數表示，即 ESR要小(xiǎo)；由于在微波頻段，金屬的趨膚效應随頻率的增加将愈來愈嚴重， 故降低金屬部分(fēn)的損耗顯得尤為(wèi)重要。采用(yòng)在瓷片上濺射T i-W ，Ni和Au電(diàn)極，并輔以電(diàn)鍍加厚Au電(diàn)極，用(yòng)光刻技(jì )術使電(diàn)極的結構和布置更為(wèi)合理(lǐ)等工(gōng)藝，可(kě)使1GHz頻率下的ESR值降低至100mΩ以下，不僅具(jù)有(yǒu)較小(xiǎo)的ESR值，而且其頻率特性也比較優良。圖 5是用(yòng)34A諧振管測量系統測得的ESR頻率特性。小(xiǎo)的ESR值能(néng)顯著提高微波電(diàn)路的有(yǒu)效增益，降低插入損耗，延長(cháng)便攜式裝(zhuāng)置的電(diàn)池壽命等。

2.5 晶界層電(diàn)容器在微波頻率下工(gōng)作(zuò)時，作(zuò)為(wèi)電(diàn)抗元件的寄生參數對微波網絡特性的作(zuò)用(yòng)和影響，其中(zhōng)特别是應具(jù)有(yǒu)盡可(kě)能(néng)高的自諧振頻率這一要求，是元件研發人員需要關注和了解的問題。用(yòng)HP8722C矢量網絡分(fēn)析儀測量晶界層電(diàn)容器産(chǎn)品的散射參數S₂₁ 值，其頻率響應曲線(xiàn)如圖6，S₂₁幅值響應出現下凹最低處的頻率為(wèi)元件的并聯諧振頻率，對圖示參數的産(chǎn)品為(wèi)31.350GHz，是一個相當好的性能(néng)指标。電(diàn)容量大的産(chǎn)品(尺寸相應大)，諧振頻率低。如電(diàn)容器在工(gōng)作(zuò)頻帶附近發生并聯諧振，它将衰減微波能(néng)量，以緻元件起不到所希望的作(zuò)用(yòng)。因此，電(diàn)容量選擇的上限應保證自諧振頻率高于最高使用(yòng)頻率。單層片式晶界層電(diàn)容器在具(jù)有(yǒu)較大電(diàn)容量的情況下，能(néng)有(yǒu)較高的自諧振頻率，這與它的視在介電(diàn)系數高，隻需微小(xiǎo)尺寸就能(néng)獲得所需的大電(diàn)容量，以緻寄生串聯電(diàn)感、寄生并聯電(diàn)容數值都大大減小(xiǎo)有(yǒu)關。

3. 單層片式晶界層電(diàn)容器系列

       單層片式晶界層電(diàn)容器系列包括通用(yòng)型産(chǎn)品，表面貼裝(zhuāng)型産(chǎn)品，多(duō)電(diàn)極型産(chǎn)品和陣列型産(chǎn)品。各種産(chǎn)品示意圖如圖7所示。

通用(yòng)型産(chǎn)品采用(yòng)微電(diàn)子組裝(zhuāng)工(gōng)藝安(ān)裝(zhuāng)于電(diàn)路中(zhōng)，其中(zhōng)有(yǒu)留邊的産(chǎn)品可(kě)以有(yǒu)效避免高溫下焊料揮發所導緻的短路問題；表面貼裝(zhuāng)型産(chǎn)品則可(kě)适應目前廣泛使用(yòng)的表面貼裝(zhuāng)工(gōng)藝，在微波集成電(diàn)路中(zhōng)取代多(duō)層陶瓷電(diàn)容器；多(duō)電(diàn)極型産(chǎn)品可(kě)實現微波環境下的精(jīng)确調容，主要應用(yòng)于匹配網絡、并聯諧振回路、介質(zhì)諧振器的調諧或耦合；陣列型産(chǎn)品具(jù)有(yǒu)集中(zhōng)性高、空間利用(yòng)率高、組裝(zhuāng)成本低的優勢，應用(yòng)于解耦電(diàn)路、射頻旁路、砷化镓IC隔直流電(diàn)路中(zhōng)。

4 結論

4.1 三價或/和五價施主摻雜還原氣氛下燒成，經适合的氧化物(wù)塗覆及熱處理(lǐ)，研制成的SrTiO3晶界層電(diàn)容器用(yòng)瓷片，具(jù)有(yǒu)介電(diàn)系數高、介質(zhì)損耗低、電(diàn)容溫度變化率小(xiǎo)等優良性能(néng)，可(kě)用(yòng)于制備小(xiǎo)體(tǐ)積、大容量而且溫度、頻率穩定性要求又(yòu)較高的晶界層電(diàn)容器。

4.2用(yòng)濺射、電(diàn)鍍、光刻、精(jīng)密切割等微細加工(gōng)手段，可(kě)制得最小(xiǎo)為(wèi)0.254×0.254×0.127mm等尺寸系列的單層片式晶界層電(diàn)容器，以微小(xiǎo)尺寸便可(kě)得到大的電(diàn)容量，故自諧振頻率高，能(néng)滿足微波應用(yòng)的需求。

4.3在瓷片上濺射Ti-W ，Ni和Au電(diàn)極，并輔以電(diàn)鍍加厚Au電(diàn)極，用(yòng)光刻技(jì )術使電(diàn)極的結構和布置更為(wèi)合理(lǐ)等工(gōng)藝，有(yǒu)效地降低了等效串聯電(diàn)阻ESR值，而且頻率特性優良，有(yǒu)利于提高微波網絡的工(gōng)作(zuò)性能(néng)。

4.4 已生産(chǎn)出單層片式晶界層電(diàn)容器系列，各型産(chǎn)品可(kě)适應微波頻率下不同的使用(yòng)需求。産(chǎn)品性能(néng)優良，實現批量生産(chǎn)。

參考文(wén)獻

[1] 莊嚴、朱卓雄. Sr/Ti及TiO2晶型對SrTiO3晶界層結構瓷性能(néng)的影響.電(diàn)子元件與材料，2002，21（1）：30-34

[2] 曹全喜、周曉華、蔡式東等.   SrTiO3陶瓷中(zhōng)摻雜和Ti/Sr的配合.功能(néng)材料，1995，26（5）：439-441

[3] 徐慶、陳文(wén)、嚴家強等.SrTiO3等系功能(néng)陶瓷中(zhōng)一次燒成中(zhōng)的摻雜行為(wèi).矽酸鹽學(xué)報，1997，16（2）：21-23

[4] 莊嚴.SrO-Nb2O5-TiO2系壓敏陶瓷中(zhōng)Nb5+ 和Sr2+ 的研究.無機材料學(xué)報，2002，17（6）：1174-1180

[5] Chung Sung-Yoon, LeeByoung-Ki,Kang Suk-Joong L.

[6] Core-sheii  structure  in  Nb O  -doped  SrTiO    by oxygen partial pressure change . [J] J Am Ceram Soc ,1998,81(11): 3016-3018

[7] 陳志(zhì)雄、莊嚴.氧擴散熱處理(lǐ)SrTiO3壓敏電(diàn)阻器的非線(xiàn)性和界面勢壘.電(diàn)子元件與材料. 2004，23（9）： 11-13，16

[8] 江濤.半導體(tǐ)敏感材料與器件.  [M]   廣州華南理(lǐ)工(gōng)大學(xué)教材中(zhōng)心 2002，3

論文(wén)摘抄自 程超、蔡楊、楊俊峰、馮毅龍、趙海飛 《用(yòng)于微波電(diàn)路的單層片式晶界層電(diàn)容器》