用于微波電路的單層片式晶界層電容器

摘要：研究了施主摻雜還原氣氛燒結的SrTiO3基半導體瓷的組成與性能關系。通過等效電路分析，XRD、SEM 顯微結構觀察，探討晶界效應及其特性對瓷料性能作用的機理，從而制成介電系數可調（ 10000～50000），電容量變化率低（≤±4.7% ～≤±22％），使用溫域寬（﹣55℃～+125℃）的單層片式晶界層電容器瓷片。通過在瓷片上濺射和電鍍方法制作電極，并以光刻腐蝕，精密加工成通用型，表面貼裝型，多電極型和陣列型的單層片 式電容器，用于微波電路。

關鍵字：單層片式電容器，晶界層，介電系數，溫度特性，系列產品

隨著現代電子技術的迅速發展，微波在高端民用領域均得到廣泛應用，如雷達、導彈遙控， 衛星通訊、定位，電視衛星接收器，無線局域等系統。微波電路中微波集成（MIC），隔直RF旁路，射頻旁路，源旁路介，匹配網絡，解耦電路等，都需求高精度的電容器。單層片式晶界層電容器（SLBC）具有尺寸微小、電容量大、應用溫域寬（﹣55℃～125℃）、電容變化率小（≤±4.7%～≤±22％）、頻率特性好等優點，是一類適用于微組裝工藝和微波電路的新型電容器品種。研發的單層片式晶界層電容器，采用SrTiO3系陶瓷材料，還原氣氛燒結制造半導體瓷，經氧化熱處理，濺射和電鍍電極，光刻腐蝕，高精度切割等先進工藝技術，獲得不同的產品規格：通用型， 表面貼裝型，多電極型和陣列型。產品尺寸從0.254× 0.254×  0.127mm～2.29× 2.29×0.254mm系列化，該產品已批量生產，投放市場。

1. 工藝技術與檢測方法

以SrTiO3為基添加施主雜質和受主雜質配成晶界層電容器瓷料，用流延或軋膜成型制備膜片，在 N₂+H₂ 還原氣氛中燒結成半導體瓷片。瓷體電阻率用2182A NaNoVol   METER 6221 DC AND AC CURRENT SOURCE儀測量。經氧化熱處理后半導體瓷片成為具有高介電系數的晶界層電容器瓷片。在瓷片上濺射TiW，Ni和Au電極，電鍍加厚Au電極，然后切割成各種規格的電容器。用HP4278A電容測量儀測量電容量和介質損耗；4210A Test Chamber 電容溫度系數測量儀測量電容溫度系數；HP4339A高阻測試儀測量絕緣電阻；34A諧振管測量系統測量等效串聯電阻；HP8722C矢量網絡分析儀分析介質微波特性；JELJSM 掃描電鏡觀察半導體瓷的斷面形貌；Rigaku D/MAX-B全自動X射線衍射儀進行物相分析。

2. 組分、結構、工藝對晶界層電容器性能的影響

2.1 使半導體瓷片的晶粒具有盡可能低的電阻率，是保證SrTiO3晶界層電容器具有高介電系數和低介質損耗優良性能的重要條件之一。SrTiO3的半導體化，是以施主摻雜加還原氣氛（N₂+H₂）燒結的方式進行。在以SrTiO3為基的主料中，用三價離子(La³⁺、Y³⁺ 、Y^b3+、Sm³⁺中的一種或幾種)作A位取代，或/和五價離子(Nb⁵⁺、Ta⁵⁺中的一種)作B位取代的方式進行施主摻雜，生成 La_Sr³⁺+ 或/和 Nb_Ti⁵⁺施主，一方面提供了導電電子，另一方面施主摻雜使晶格發生畸變，有助于氧脫離晶格點，此時在還原氣氛的同時作用下， 氧較易于擴散遷移離開晶格，導致一、二價電離氧空位V₀ ^×· 、V₀ ^×·· 缺陷的生成，也提供了導電電子，從而使參與導電的電子數量大大增加；由于SrTiO3中的Ti 為易變價元素，上述的導電電子易于被鄰近的Ti⁴⁺變價為Ti³⁺(相當于T i⁴⁺+e＇)，此弱束博電子以跳躍(hopping)方式參與導電，從而具有較高的電子遷移率；因兩者的同時作用而得到良好的n型半導體化晶粒^[1-4]。試驗表明，施主摻雜物的添加量與電阻率成U形曲線關系，通過優選施主摻雜量，用四探針法測得半導體瓷片的電阻率可低至0.2～0.5Ω·cm。

對已半導化的半導體瓷片進行X射線衍射分析，其譜線圖如圖1；已知未摻雜的SrTiO3晶體為立方結構，而瓷片也呈現為立方結構，只是晶格參數略有變化，這是施主雜質進入晶格取代的結果。

2.2 使瓷片具有適合的晶界層結構，則是保證SrTiO3晶界層電容器具有高介電系數、低介質損耗和小的電容溫度變化率的另一重要條件。在瓷料中添加的受主摻雜物和后續工藝中的涂覆物，經燒結和氧化熱處理后形成所需的晶界層。晶界層包括由涂覆物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態介電系數和電容溫度變化率影響極大，薄的晶界層能得到高的介電系數，但低的電容變化率只有在絕緣層與擴散層厚度之間有一合適的比例時才能得到^[5、6]；因此，一般是通過調整涂覆物含量以及優化熱處理工藝，加意控制兩層之間的比例，使介電系數和電容溫度系數兩者的綜合性能能滿足應用要求為度。研發的兩種不同電容器用瓷片的介電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，可調整晶界層電容器的視在靜態介電系數 Keff 值。圖3為晶界層電容器的等效電路圖,絕緣層、擴散層和晶粒的參數分別用下標i、d和g表示。

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

由式（ 1）可見，晶界層電容器瓷片的晶粒徑增大或晶界層厚度減小，都可使d_g/（d_d+d_i）比值增大，得到較大的視在介電系數；反之相反。因此，可通過調整瓷料配方組成和工藝技術，使瓷片晶粒大小不同或/和晶界層厚薄不同，以得到不同的介電系數值。當然，這時還必需兼顧到電容溫度變化率的要求，為此晶界層內的絕緣層與擴散層之間還必須如2.1中所述，做到合理的組合，以保證介電系數和電容溫度變化率兩個參數，都能滿足應用的要求。

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

2.4 應用于微波頻率下的晶界層電容器，僅僅介質損耗低是不夠的，還要求電容器的電極和終端金屬材料的損耗要小，介質損耗和金屬損耗之和用一個等效串聯電阻(ESR)的參數表示，即 ESR要小；由于在微波頻段，金屬的趨膚效應隨頻率的增加將愈來愈嚴重， 故降低金屬部分的損耗顯得尤為重要。采用在瓷片上濺射T i-W ，Ni和Au電極，并輔以電鍍加厚Au電極，用光刻技術使電極的結構和布置更為合理等工藝，可使1GHz頻率下的ESR值降低至100mΩ以下，不僅具有較小的ESR值，而且其頻率特性也比較優良。圖 5是用34A諧振管測量系統測得的ESR頻率特性。小的ESR值能顯著提高微波電路的有效增益，降低插入損耗，延長便攜式裝置的電池壽命等。

2.5 晶界層電容器在微波頻率下工作時，作為電抗元件的寄生參數對微波網絡特性的作用和影響，其中特別是應具有盡可能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HP8722C矢量網絡分析儀測量晶界層電容器產品的散射參數S₂₁ 值，其頻率響應曲線如圖6，S₂₁幅值響應出現下凹最低處的頻率為元件的并聯諧振頻率，對圖示參數的產品為31.350GHz，是一個相當好的性能指標。電容量大的產品(尺寸相應大)，諧振頻率低。如電容器在工作頻帶附近發生并聯諧振，它將衰減微波能量，以致元件起不到所希望的作用。因此，電容量選擇的上限應保證自諧振頻率高于最高使用頻率。單層片式晶界層電容器在具有較大電容量的情況下，能有較高的自諧振頻率，這與它的視在介電系數高，只需微小尺寸就能獲得所需的大電容量，以致寄生串聯電感、寄生并聯電容數值都大大減小有關。

3. 單層片式晶界層電容器系列

       單層片式晶界層電容器系列包括通用型產品，表面貼裝型產品，多電極型產品和陣列型產品。各種產品示意圖如圖7所示。

通用型產品采用微電子組裝工藝安裝于電路中，其中有留邊的產品可以有效避免高溫下焊料揮發所導致的短路問題；表面貼裝型產品則可適應目前廣泛使用的表面貼裝工藝，在微波集成電路中取代多層陶瓷電容器；多電極型產品可實現微波環境下的精確調容，主要應用于匹配網絡、并聯諧振回路、介質諧振器的調諧或耦合；陣列型產品具有集中性高、空間利用率高、組裝成本低的優勢，應用于解耦電路、射頻旁路、砷化鎵IC隔直流電路中。

4 結論

4.1 三價或/和五價施主摻雜還原氣氛下燒成，經適合的氧化物涂覆及熱處理，研制成的SrTiO3晶界層電容器用瓷片，具有介電系數高、介質損耗低、電容溫度變化率小等優良性能，可用于制備小體積、大容量而且溫度、頻率穩定性要求又較高的晶界層電容器。

4.2用濺射、電鍍、光刻、精密切割等微細加工手段，可制得最小為0.254×0.254×0.127mm等尺寸系列的單層片式晶界層電容器，以微小尺寸便可得到大的電容量，故自諧振頻率高，能滿足微波應用的需求。

4.3在瓷片上濺射Ti-W ，Ni和Au電極，并輔以電鍍加厚Au電極，用光刻技術使電極的結構和布置更為合理等工藝，有效地降低了等效串聯電阻ESR值，而且頻率特性優良，有利于提高微波網絡的工作性能。

4.4 已生產出單層片式晶界層電容器系列，各型產品可適應微波頻率下不同的使用需求。產品性能優良，實現批量生產。

參考文獻

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論文摘抄自 程超、蔡楊、楊俊峰、馮毅龍、趙海飛 《用于微波電路的單層片式晶界層電容器》