CN101714454B - 取向不敏感式超宽带耦合电容器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种取向不敏感式超宽带耦合电容器。取向不敏感式超宽带耦合电容器包含多个外表面、一个低频部分和一个高频部分。高频部分在低频部分上布置并与之电气连接，使这种取向不敏感式超宽带耦合电容器安装在多个外表面中的任何一个外部纵向表面上时都能以相同方式工作，从而可以很容易地实现SMT兼容，而不需要采用专门的定向步骤。
Description
本申请是申请日为2005年7月5日、申请号为2005800378014，以及发明名称为“取向不敏感式超宽带耦合电容器及其制造方法”的中国发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请非临时申请要求于2003年9月15日提交的名为“超宽带耦合电容器(ULTRA-WIDEBAND COUPLING CAPACITOR)”的申请号为60/503,183的临时申请的优先权。
发明背景
技术领域
本发明涉及一种超宽带耦合电容器，更特别地，本发明涉及一种取向不敏感式超宽带耦合电容器及其制造方法。
现有技术描述
如图1和2所示，分别为采用现有技术的超宽带耦合电容器的原理图和采用现有技术的超宽带耦合电容器的分解透视简图，采用现有技术的超宽带耦合电容器10是大容量电容器12(通常为10nF或更大)与小容量电容器14(通常为20pF至250pF)的并联组合。可以看到，电容器并联可实现更大的工作带宽。
采用现有技术的超宽带耦合电容器10可以由两个或多个要求精确组装的物理件(physical item)组成，也可以由一个内部必须具有复杂的多电容器配置的陶瓷组件组成，并通过孔将内部电极与外部接触焊点相连。这一系列的两类器件的实际占地面积较理想值都大，并且只能安装在设备的一个专用面上，这使得它们在采用表面安装技术(SMT)的条件下难以应用。在电的方面，体积的限制会导致较大的插入损耗和回波损耗，而且在较高微波频率下还会产生过大的表面模变(surface moding)。
大容量电容器12是一个多层电容器，而小容量电容器14通常是一个单层电容器或平衡配置的两个单层电容器。多层电容器是一个采用交叉片的多层结构，每一片均由一层薄的介电层分隔，而单层电容器则是一个单层结构，其两片间由一层薄介电层分隔。
大容量电容器12具有相对较低的串联谐振(series resonance)，对较低频率的信号最为有效，而小容量电容器14的串联谐振相对较高，对高频信号最有效。
采用现有技术的超宽带耦合电容器10的大容量电容器12和小容量电容器14在超宽带工作频谱的不同部分具有不同的工作特性，下文将进行讨论。
如图3A所示，为采用现有技术的超宽带耦合电容器在一低频下工作的原理图，当采用现有技术的超宽带耦合电容器10在某一低频下工作时，采用现有技术的超宽带耦合电容器10的电极的趋肤效应(skin effect)可以忽略。该陶瓷结构就像是一大块电介质。
如图3B所示，为采用现有技术的超宽带耦合电容器在一中频下工作的原理图，当采用现有技术的超宽带耦合电容器10在某一中频下工作时，采用现有技术的超宽带耦合电容器10的电极会呈现显著的趋肤效应(skin effect)。电介质区开始呈现平行板传输线路结构的弯曲效应。将出现额外的谐振。
如图3C所示，为采用现有技术的超宽带耦合电容器在一高频下工作的原理图，当采用现有技术的超宽带耦合电容器10在某一高频下工作时，采用现有技术的超宽带耦合电容器10的电极将呈现完全的趋肤效应。电介质区成为有损耗的弯曲化平行板传输线路。在较高的频率下会出现额外的谐振。
采用现有技术的超宽带耦合电容器10有一些相关联的缺点。首先，由于采用现有技术的超宽带耦合电容器10为两片式结构，超宽带耦合电容器10需要额外的生产装配工作，会增加单件成本。其次，采用现有技术的超宽带耦合电容器10对取向是敏感的，这一点限制了它只能安装在某一特定表面上，造成与表面安装技术(SMT)的兼容性问题。再次，采用现有技术的超宽带耦合电容器10的装配高度比标准0402封装0.020″的尺寸要超出0.012″。
由此就需要有这样一种超宽带耦合电容器：它为单片式，从而不需要额外的生产装配工作量，进而可降低单件成本；它对取向不敏感，从而可以消除其仅可安装在特定一面上的限制，进而可解决与表面安装技术(SMT)的兼容性问题；它的尺寸不超过标准0402的0.020″。
在现有技术中已经有许多高频电容器方面的创新。这些创新可以适用于它们所针对的特定目的，但它们中的每一种在结构和/或运行和/或目的方面都与本发明有不同之处，因为它们没有提供这样一种超宽带耦合电容器：它为单片式，从而不需要额外的生产装配工作量，进而可降低单件成本；它对取向不敏感，从而可以消除其仅可安装在特定一面上的限制，进而可解决与表面安装技术SMT的兼容性问题；它的尺寸不超过标准0402的0.020″。
例如，授予Monsorno的第5,576,926号美国专利与本申请有一个共同的受让人，它提出了一种可以在射频(RF)频谱中的较高区域实现出色工作性能的电容器。该电容器包含安装在一对介电层之间的平面电极层(planar electrode layer)。该电极层通常相对介电层向内集中，而留出介电材料的外部边缘。其中一个介电层有两个分开放置的接触元件，两者极性相反。电极层被隔离而不与任何导体发生电的接触，并埋在介电层内。电极层与安装接触元件的介电层以及接触元件组合在一起，可以在接触元件之间形成所选择的电容值。通过平衡式接触元件(trimmed contact members)，并控制其尺寸和间隔，可以方便地预先选择所需的电容器工作特性。接触元件可以置于安装埋入式电极的基片上。
再举一例，授予Liebowitz的第6,690,572号美国专利介绍了一种SLC，它有一个薄而脆的陶瓷介电层，厚度小于0.0035英寸，最低可达0.0005英寸或更小。不管是单片还是组合，电极都有足够的厚度和强度，以使结构具备生产、运输和使用所要求的物理强度。电极为(1)陶瓷金属合成物，(2)渗入金属或其他导电材料的多孔陶瓷，(3)充有金属或其他导电材料的树脂，或(4)上述材料的组合。这种非常薄、本身非常脆的介电层可以提供非常大的单位面积电容，同时温度稳定性也较好，损耗也较低。此外还采用了0.00001英寸厚的二氧化钛介电层。
很明显，对现有技术进行改进已经提出了许多有关高频电容器的创新。此外，尽管这些创新适用于它们所针对的特定目的，但是它们不适用于前文所述的本发明的目的，即一种超宽带耦合电容器：它为单片式，从而不需要额外的生产装配工作量，进而可降低单件成本；它对取向不敏感，从而可以消除其仅可以特定一面进行安装的限制，进而可解决与表面安装技术SMT的兼容性问题；它的尺寸不超过标准0402的0.020″。
发明内容
相应地，本发明的一个目的是提供一种可避免现有技术缺点的取向不敏感式超宽带耦合电容器。
本发明的另一个目的是提供一种相比现有技术在电气特性上有改善的取向不敏感式超宽带耦合电容器。
此外本发明还有另一个目的，即提供一种相比现有技术具有更好的物理/机械特性的取向不敏感式超宽带耦合电容器。
此外本发明还有另一个目的，即提供一种单片式的取向不敏感式超宽带耦合电容器，由此具备固有的更高可靠性，且无需额外的生产装配工作量，从而降低单件成本。
此外本发明还有另一个目的，即提供一种体积小于采用现有技术的双片式超宽带耦合电容器的取向不敏感式超宽带耦合电容器，从而减小器件所占空间，降低发生表面模变的倾向。
此外本发明还有另一个目的，即提供一种取向不敏感式超宽带耦合电容器，它对取向不敏感的特点消除了只能以一个特定表面进行安装的限制，从而解决了与表面安装技术(SMT)的兼容性问题，即不管以哪个表面进行安装均可同样工作。
此外本发明还有另一个目的，即提供一种在带-卷轴加载(tape-and-reel loading)过程中无需专门定向的取向不敏感式超宽带耦合电容器。
此外本发明还有另一个目的，即提供一种不超过标准0402的0.020″尺寸的取向不敏感式超宽带耦合电容器，以形成可以采用标准SMT设备处理的真正的0402封装。
此外本发明还有另一个目的，即提供一种电气特性与采用现有技术的双片式超宽带耦合电容器相同的取向不敏感式超宽带耦合电容器。
此外本发明还有另一个目的，即提供一种插入损耗比采用现有技术的双片式超宽带耦合电容器要低的取向不敏感式超宽带耦合电容器。
此外本发明还有另一个目的，即提供一种VSWR(电压驻波比)指标比采用现有技术的双片式超宽带耦合电容器要好的取向不敏感式超宽带耦合电容器。
此外本发明还有另一个目的，即提供一种将射频功能元件封装在一对带间隙的低损耗导体内的节省体积的方法，每一条导体均从四面围绕射频元件，并与之在其余两面上共终端连接。
简而言之，本发明的另一个目的是提供一种取向不敏感式超宽带耦合电容器。这种取向不敏感式超宽带耦合电容器包括多个外表面、低频部分和高频部分。高频部分在低频部分上布置并与之电气连接的方式使这种取向不敏感式超宽带耦合电容器以多个外表面中的任何一个外部纵向表面进行安装时都能以相同方式工作，从而可以很容易地实现SMT兼容，而不需要采用专门的定向步骤。
被视为本发明的新颖的特征在所附的权利要求中陈述。而对本发明本身，包括其构造和工作方法以及附加的目的和优点，可以通过阅读以下说明并结合附图来很好地理解。
附图说明
附图简要说明如下：
图1为采用现有技术的超宽带耦合电容器的原理图；
图2为采用现有技术的超宽带耦合电容器的分解透视简图；
图3A为采用现有技术的超宽带耦合电容器在某一低频下工作的原理图；
图3B为采用现有技术的超宽带耦合电容器在某一中频下工作的原理图；
图3C为采用现有技术的超宽带耦合电容器在某一高频下工作的原理图；
图4为本发明中的取向不敏感式超宽带耦合电容器的透视简图；
图5为沿图4中5-5线截取的截面简图；
图6为与本发明中的取向不敏感式超宽带耦合电容器的等效电路图；
图7A-7D则为本发明中的取向不敏感式超宽带耦合电容器制造方法的流程图。
图中所用引用编号列表
现有技术
10-采用现有技术的超宽带耦合电容器
12-采用现有技术的超宽带耦合电容器10的大容量电容器
14-采用现有技术的超宽带耦合电容器10的小容量电容器
本发明
20-本发明中的取向不敏感式超宽带耦合电容器
22-多个外表面
24-低频部分
26-高频部分
28-低频部分24的无终端接头多层电容器
29-低频部分24的无终端接头多层电容器28的外表面
30-低频部分24的无终端接头多层电容器28的电极层
32-低频部分24的无终端接头多层电容器28的介电层
34-低频部分24的无终端接头多层电容器28的电极层30的第一端
36-低频部分24的无终端接头多层电容器28的外表面29的相对端
38-低频部分24的无终端接头多层电容器28的电极层30的第二端
40-高频部分26的一对导体
42-高频部分26的一对导体40之间的环状槽(circumferential slot)
46-取向不敏感式超宽带耦合电容器20的多个外表面22的暴露的相对端
48-可紫外修复的快速固化焊料堤(solder dam)保护涂层
50-金属镀层
51-可焊性连接(solderable connection)
52-粘附层
54-粘附层52的相对端
56-槽形本体
具体实施方式
参见各图，其中相同的数字表示相同的零件，特别是对图4和5，两图分别为本发明中的取向不敏感式超宽带耦合电容器的透视简图和沿图4中5-5线截取的截面简图，本发明中的取向不敏感式超宽带耦合电容器通常示为20。
取向不敏感式超宽带耦合电容器20通常在从20KHz以下到40GHz以上的范围内工作，可满足更高的闭锁元件(blocking component)和解耦元件要求，在几乎所有超宽带数字信号处理场合中均可应用，例如光系统及其相关测试设备、紧密关联的直流回路和偏置偏置T型网络(bias tees)、光纤到户(FTTH)和MMIC开发，如放大器、超宽带MMIC放大器以及采用相关技术的组件。
取向不敏感式超宽带耦合电容器20包含多个外表面22、低频部分24和高频部分26。高频部分26在低频部分24上布置并与之实现电气连接，从而使得这种取向不敏感式超宽带耦合电容器20在以多个外表面22中的任何一个外部纵向表面进行安装时都能以相同方式工作，从而可以很容易地实现SMT兼容，而不需要采用专门的定向步骤。
取向不敏感式超宽带耦合电容器12可以在16KHz以下工作，方法是对低频部分24采用比上述用于在从20KHz以下到40GHz以上范围的值更大的值。
低频部分24在功能上与采用现有技术的超宽带耦合电容器10的大容量电容器12(如多层电容器)等效，而高频部分26则在功能上与采用现有技术的超宽带耦合电容器10的小容量电容器14(如单层电容器)等效，以使取向不敏感式超宽带耦合电容器20在单个多层陶瓷本体内同时具备大容量电容器12和小容量电容器14的功能。
低频部分24是一个无终端接头多层电容器28，其具有外表面29、电极层30和介电层32，而且其优选采用10nF或更大的值。低频部分24的无终端接头多层电容器28的介电层32与低频部分24的无终端接头多层电容器28的电极层30交替分布。低频部分24的无终端接头多层电容器28的电极层30从其第一端34延伸至其第二端38，第一端34在低频部分24的无终端接头多层电容器28的外表面29的一端36且能够与外部进行电气通信，第二端38交替阻止低频部分24的无终端接头多层电容器28的外表面29的相对端36之间的短路，相对端36与第一端34从外表面29延伸的一端相对，以便在相对端不可与外部进行电气通信。
高频部分26是一对导体40。高频部分26的一对导体40分别覆盖低频部分24的无终端接头多层电容器28的外表面29的相对端36，并从那里延伸至低频部分24的无终端接头多层电容器28的外表面29上，以此相互短路，从而在二者之间形成环状槽42，并相互分开。环状槽42优选采用激光划线方法生成，但也可以采用化学蚀刻、机械磨削或类似方式生成。由于高频部分26不采用带有隔离层的附加内部电极，即不采用复合内部叉指状电极阵列作为耦合至高频部分26的一对导体40的单个浮动电极，故其插入和回波损耗较小。
高频部分26的导体对40形成多个外表面22，并与相关联的低频部分24的无终端接头多层电容器28的电极层30的第一端34进行电气通信，以使取向不敏感式超宽带耦合电容器20在以多个外表面22中的任何外部纵向表面进行安装时都可以相同方式工作。在高频部分26的导体对40与电极层30之间的多个外表面22上形成一组耦合传输线，电极层30被包含在低频部分24的无终端接头多层电容器28中，以使低频能量能够通过位于中央的低频部分24，也使高频能量能够通过位于外围的高频部分26。
高频部分26的导体对40优选包含钛钨合金(TiW)，之后为标称3μm厚的铜和镀金层。
环状槽42优选为标称1.5密耳(mil)宽，它一直保持完全畅通，并完全环绕高频部分26，而不破坏低频部分24的无终端接头多层电容器28，并基本置于取向不敏感式超宽带耦合电容器20的多个外表面22的暴露相对端46之间的中间，从而实现取向不敏感式超宽带耦合电容器20的各暴露相对端46之间的相互电隔离，恢复其电容。
取向不敏感式超宽带耦合电容器20还包含可紫外修复的快速固化焊料堤保护涂层48。可紫外修复的快速固化焊料堤保护涂层48覆盖着限定环状槽42的所有表面，以保护环状槽42。
取向不敏感式超宽带耦合电容器20还包含金属镀层50。金属镀层50覆盖着取向不敏感式超宽带耦合电容器20的多个外表面22的暴露相对端46，以形成可焊性连接51，它延伸至可紫外修复的焊料堤保护涂层48，可紫外修复的焊料堤保护涂层48充当可焊性连接51的阻塞屏障(stop-off barrier)。因此取向不敏感式超宽带耦合电容器20在制成时已使可焊性连接51间的电阻增大，达到100MΩ以上。金属镀层50优选采用纯锡或焊锡或金。当金属镀层50为金时，可焊性连接51也可以采用粘结金/带状物或粘合环氧树脂。
取向不敏感式超宽带耦合电容器20的等效电路优选参见图6，它是等效于本发明的取向不敏感式超宽带耦合电容器的电路。
取向不敏感式超宽带耦合电容器20的制造方法优选参见图7A-7D，为本发明的取向不敏感式超宽带耦合电容器的制造方法流程图，这里将参照这些图进行介绍。
取向不敏感式超宽带耦合电容器20的制造方法包括以下步骤：
第1步：将低频部分24的无终端接头多层电容器28固定。
第2步：在低频部分24的无终端接头多层电容器28上完整地涂敷钛钨合金(TiW)，之后再敷以标称3μm厚的铜和镀金层，以形成具备相对端54的粘附层52。
第3步：采用激光划线、化学蚀刻、机械磨削或类似方式在粘附层52中形成标称1.5密耳(mil)宽、完全穿透且完全环绕其四周并保持不变的环状槽42，而不破坏低频部分24的无终端接头多层电容器28，且基本处于粘附层52相对端54的中间，从而实现粘附层52的相对端54之间的相互电气隔离，恢复它们之间的电容，并形成槽形本体56。
第4步：如果环状槽42采用激光划线法生成，则将槽形本体56长时间浸泡于高度稀释的过氧化氢中，以消除激光划线之后金属蒸汽再沉积在环状槽42中形成的残膜(residue film)。
第5步：对限定环状槽42的所有表面施用可紫外修复的快速固化焊料堤保护涂层48，以保护环状槽42。
第6步：在粘附层52的相对端54上镀以纯锡或焊锡或金，以形成直达可紫外修复的快速固化焊料堤保护涂层58(充当可焊性连接51的阻塞屏障)的可焊性连接51，如果进行过浸泡步骤，则由此形成可焊性连接51间电阻增大至100MΩ以上的取向不敏感式超宽带耦合电容器20。金属镀层50优选采用纯锡或焊锡或金。
可以理解，虽然这里给出的实施方式针对的是处于高频电容器内部的低频电容器，但并不局限于这种组合，即一种实施方式通常包括将射频功能元件封装在有间隙的低损耗导体对内的节省体积的方式。每对低损耗导体均在四面环绕住射频元件，并在其余两面上与射频元件共终端连接。导体对之间形成的缝隙形成了与被环绕射频元件并联的低损耗电容器。被环绕的射频元件可以包含(但不限于)多层电容器、电感器、电阻器、其他谐振电路、滤波器，一条传输线或多条传输线。最终形成的整体器件包括，但不限于，由两个电容器，电感器与电容器形成的并联谐振网络，电阻器、其他谐振回路与电容器或所谓的阻容网络、滤波器与电容器形成的带有附加电极或耦合的滤波器，传输线与电容器，或多条传输线与电容器形成的节省空间的高性能并联组合。
可以理解，上述每一种元件或其中两者或更多元件的组合，也可能在与上述型式不同的构造中获得应用。
以上已将本发明具体化为取向不敏感式超宽带耦合电容器及其制造方法，进行了例示和介绍，但它却不仅限于所给出的这些具体方面，原因可以理解：本领域的技术人员在不背离本发明精神的情况下，可以根据对本技术的认识对器件、所用材料和所用、所示方法以及其工作方式的形式和内容方面进行各种省略、修改、替换和变更。
无需更多分析，前述内容已完全展示了本发明的要点，在不省略(从现有技术角度)构成本发明一般或特殊基本特征的要点的条件下，其他人可以利用当前知识很容易地将其适用到各种应用中。
Claims (4)
1.一种电子元件，包含：
a)射频元件；和
b)一对低损耗导体，具有多个外表面；其中，每个所述低损耗导体对均在四面上环绕所述射频元件，并在其余两面上与所述射频元件共终端连接；
其中所述电子元件被配置成以所述多个外表面中的任何一个外部纵向表面进行安装时都能以相同方式工作。
2.如权利要求1中所限定的电子元件，其中，在所述低损耗导体对之间生成的缝隙形成了低损耗电容器；以及
其中，所述低损耗电容器与它所环绕的所述射频元件并联。
3.如权利要求1中所限定的电子元件，其中，所述射频元件为多层电容器、电感器、电阻器、滤波器、一条传输线或多条传输线中的一种。
4.如权利要求1中所限定的电子元件，其中，所述射频元件和所述低损耗导体对形成节省空间的高性能的下列并联组合中的一种：两个电容器、电感器与电容器形成的并联谐振网络、电阻器与电容器、滤波器与电容器形成的带有附加电极或耦合的滤波器、传输线与电容器，以及多条传输线与电容器。
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