CN103594445A - 一种w波段impatt二极管阻抗匹配引脚及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种W波段IMPATT二极管阻抗匹配引脚，所述引脚由四个相同大小的梯形金属片相互连接成十字形，每个梯形金属片的上底边向内、下底边向外；所述引脚还包含设于十字中心连接梯形金属片的连接片(5)；所述连接片(5)与四个梯形金属片为一体化结构；所述连接片(5)的底面与W波段IMPATT二极管(10)的管芯(7)固定连接，所述四个梯形金属片的下底边与W波段IMPATT二极管(10)的红宝石介质环(8)固定连接；利用四个完全相同的梯形金属片构成的十字形结构在W波段的集总等效模型参数，同W波段IMPATT二极管(10)的管芯(7)参数阻抗匹配，满足W波段IMPATT二极管(10)在波导谐振器中工作时谐振条件，并且增强了W波段IMPATT二极管(10)的散热效果，为W波段IMPATT二极管(10)工作在高功率下提高了可靠性。

Description

一种W波段IMPATT二极管阻抗匹配引脚及其制备方法

技术领域

本发明涉及毫米波半导体器件领域，具体是一种W波段IMPATT二极管阻抗匹配引脚及其制备方法。

背景技术

毫米波是一门正在发展中的新兴学科，其工作频率范围为30～300GHz，具有应用系统带宽宽，体积小重量轻，分辨率高，动态效果好等特点，在雷达，飞机、汽车防撞雷达以及自动巡航控制等领域有着广泛的用途；IMPATT二极管具有单管输出功率大，尺寸小、工作电压低及可靠性高等优点，在60GHz以上，直至300GHz频率范围内，毫米波IMPATT二极管具有较好的应用价值；现有的低频应用情况下的二极管引脚均对匹配特性不做设计要求，引脚的承受功率低，对于W波段IMPATT二极管，即工作于75～110GHz频率范围的IMPATT二极管，无法直接应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种W波段IMPATT二极管阻抗匹配引脚，该引脚能够与W波段IMPATT二极管的阻抗匹配，满足W波段IMPATT二极管的工作频率范围，并且增强了W波段IMPATT二极管的散热效果，为W波段IMPATT二极管工作在高功率下提高了可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种W波段IMPATT二极管阻抗匹配引脚，所述引脚由四个相同大小的梯形金属片相互连接成十字形，每个梯形金属片的上底边向内、下底边向外；所述引脚还包含设于十字中心连接梯形金属片的连接片；所述连接片与四个梯形金属片为一体化结构；所述连接片的底面与W波段IMPATT二极管的管芯固定连接，所述梯形金属片的下底边与W波段IMPATT二极管的红宝石介质环固定连接。

上述方案的一种W波段IMPATT二极管阻抗匹配引脚的制备方法包括以下步骤:

a）将衬底基片通过硫酸与过氧化氢的混合溶液进行清洗，硫酸与过氧化氢的体积比为3:1，然后采用氢氟酸与水的混合试剂对清洗后的衬底基片去除氧化层，氢氟酸与水的体积比为1:5；之后将去除氧化层的衬底基片用等离子水进行冲洗，去除氢氟酸；

b）将衬底基片置于真空电子束蒸发装置中，采用450℃，在衬底基片表面连续电子束蒸发Cr-Cu-Cr金属层；

c）采用正性光刻胶，使用旋转涂胶法对衬底基片表面均匀涂胶，胶厚1.0±0.1μm；将涂好光刻胶的衬底基片放入充氮烘箱中，在90±5℃的温度下烘烤30±2min；之后用十字形光刻掩膜版将衬底基片在光刻机上进行图形套准曝光；使用显影液对曝光后的衬底基片进行显影，然后用等离子水对显影后的衬底基片进行冲洗，去除显影液；之后将冲洗过的衬底基片放入充氮烘箱中，在120±5℃的温度下烘烤30±2min；

d）采用金属湿法化学腐蚀工艺对衬底基片表面的曝光区进行腐蚀处理，得到W波段IMPATT二极管(10)的阻抗匹配引脚(6)的十字形区域；

e）采用微电镀工艺在衬底基片表面形成的十字形区域上电镀形成10～12μm厚的金属层；

f）将金属层从衬底基片上剥离，得到呈十字形的W波段IMPATT二极管(10)的阻抗匹配引脚(6)；

g）将阻抗匹配引脚(6)置于温度为400±10℃的氢气退火炉进行退火处理。

本发明的有益效果是，利用四个完全相同的梯形金属片构成的十字形结构，在W波段，模型的等效集总参数，同W波段IMPATT二极管的管芯参数阻抗相匹配，满足W波段IMPATT二极管在波导谐振器中的谐振工作条件，使其工作在W波段频率范围，并且增强了W波段IMPATT二极管的散热效果，为W波段IMPATT二极管工作在高功率下提高了可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的安装使用示意图；

图3是本发明的等效电路示意图。

具体实施方式

本发明提供一种W波段IMPATT二极管阻抗匹配引脚：

结合图1与图2所示，四个相同大小的梯形金属片，第一梯形金属片（1）、第二梯形金属片（2）、第三梯形金属片（3）与第四梯形金属片（4）通过连接片（5）相互连接成十字形，每个梯形金属片的上底边向内、下底边向外；连接片（5）与第一梯形金属片（1）、第二梯形金属片（2）、第三梯形金属片（3）及第四梯形金属片（4）为一体化结构，共同构成了阻抗匹配引脚（6）；所述连接片（5）的底面与W波段IMPATT二极管（10）的管芯（7）固定连接，每个梯形金属片的下底边与W波段IMPATT二极管（10）的红宝石介质环（8）固定连接，W波段IMPATT二极管（10）的金属盖板（11）焊接在红宝石介质环（8）上；结合图3所示，根据电子电路原理，对于工作波长小于 的梯形金属片的电感L和对地电容C满足公式：

 L=(Z0／2πf)*sin(2πl／λ_g)

 C=(1／2πf Z0)*tan(πl／λ_g)

公式中Z0为梯形金属片的特性阻抗，f为工作频率，λ_g为工作波长，l为梯形金属片的高度；由此，第一梯形金属片（1）等效为L11、R11与C11的串并联电路，其中L11为第一梯形金属片（1）高度 的等效电感，C11为第一梯形金属片（1）下底边的对地电容，R11为第一梯形金属片（1）的电阻；同样地，第二梯形金属片（2）等效为L12、R12与C12的串并联电路，第三梯形金属片（3）等效为L13、R13与C13的串并联电路，第四梯形金属片（4）等效为L14、R14与C14的串并联电路；连接片（5）、梯形金属片（1）的上底边、梯形金属片（2）的上底边、梯形金属片（3）的上底边及梯形金属片（4）的上底边对地的总等效电容为C20；对工作于W波段IMPATT二极管（10），梯形金属片的下底边长度为50～110mm，上底边长度为15～45mm ，高度为225±50mm，连接片（5）的长度与宽度为50±10mm。

使用时，W波段IMPATT二极管（10）被置于波导谐振器中，在外部激励源的作用下，激励源的电流从金属盖板（11）同时流入第一梯形金属片（1）、第二梯形金属片（2）、第三梯形金属片（3）与第四梯形金属片（4），即从In11、In12、In13与In14流入，从连接片（5）流出到管芯（7），即从Out20流出到管芯（7），在管芯（7）的雪崩区发生雪崩碰撞，产生的载流子在管芯（7）中的外延层漂移区中以饱和速度漂移，使其表现出负阻效应；维持波导谐振器振荡的基本条件是W波段IMPATT二极管（10）的阻抗与波导谐振器的阻抗完全相等，由于第一梯形金属片（1）、第二梯形金属片（2）、第三梯形金属片（3）与第四梯形金属片（4）完全相同，使得这种十字引脚结构在W波段的集总等效模型参数同管芯（7）的参数阻抗匹配，使W波段IMPATT二极管（10）在波导谐振器中工作时表现出优良的阻抗匹配特性，使其工作在W波段；W波段IMPATT二极管（10）脉冲输出功率高、管芯（7）直径小，器件的热源位置主要集中在管芯（7）内的pn结处，瞬时温度可能达到300℃，热量如果不尽快地被散发出去，最终会引起热失控现象，致使W波段IMPATT二极管（10）中的管芯（7）烧毁，本发明中连接片（5）增加了阻抗匹配引脚（6）与管芯（7）的接触面积，而第一梯形金属片（1）、第二梯形金属片（2）、第三梯形金属片（3）与第四梯形金属片（4）也增大了阻抗匹配引脚（6）与金属盖板（11）的接触面积，使得W波段IMPATT二极管（10）沿金属盖板（11）的热传输方向的散热面积增加，从而增强了W波段IMPATT二极管（10）的散热性能，提高了其在高功率工作下的可靠性。

本发明提供一种W波段IMPATT二极管阻抗匹配引脚的制备方法，采用如下步骤：

a）将衬底基片通过硫酸与过氧化氢的混合溶液进行清洗，硫酸与过氧化氢的体积比为3:1，混合溶液温度为125±5℃；采用氢氟酸与水的混合试剂对清洗后的衬底基片去除氧化层，氢氟酸与水的体积比为1:5；然后将去除氧化层的衬底基片用电阻率≥17MΩ.cm的等离子水进行冲洗，去除氢氟酸；

b）将衬底基片置于真空电子束蒸发装置中，采用450℃在衬底基片表面连续电子束蒸发Cr-Cu-Cr金属层；

c）在衬底基片表面进行HMDS增粘处理，之后采用正性光刻胶，使用旋转涂胶法对衬底基片表面均匀涂胶，胶厚1.0±0.1μm；将涂好光刻胶的衬底基片放入充氮烘箱中，在90±5℃的温度下烘烤30±2min；之后用十字形光刻掩膜版将衬底基片在光刻机上进行图形套准曝光，套准精度≥0.05μm；使用显影液对曝光后的衬底基片进行显影，显影液采用四甲基氢氧化铵的水溶液，四甲基氢氧化铵与水的体积比为1:9，显影温度20±1℃，显影时间1±0.1min；然后用电阻率≥17MΩ.cm的等离子水对显影后的衬底基片进行冲洗，去除显影液；之后将冲洗过的衬底基片放入充氮烘箱中，在120±5℃的温度下烘烤30±2min；

d）采用金属湿法化学腐蚀工艺对衬底基片表面的曝光区进行腐蚀处理，得到IMPATT二极管阻抗匹配引脚的十字形区域；先使用KMnO4:NaOH:H2O=2:3:12、温度为50℃的腐蚀液对Cr金属层进行腐蚀，腐蚀完成后用电阻率≥17MΩ.cm的等离子水进行冲洗去除腐蚀液；之后用H3PO4：H2O2：H2O=1:1:20、温度为25℃的腐蚀液对Cu金属层进行腐蚀，腐蚀完成后用电阻率≥17MΩ.cm的等离子水进行冲洗去除腐蚀液；然后使用KMnO4:NaOH:H2O=2:3:12、温度为50℃的腐蚀液对Cr金属层进行腐蚀，腐蚀完成后用电阻率≥17MΩ.cm的等离子水进行冲洗去除腐蚀液；之后用硫酸:过氧化氢＝3:1、温度为120±5℃的腐蚀液进行去胶处理，去完胶后用电阻率≥17MΩ.cm的等离子水进行冲洗去除腐蚀液；

e）采用微电镀工艺在衬底基片表面形成的十字形区域上电镀形成10～12μm厚的金属层；采用氯化金为10～15g．dm^－3、亚硫酸钠为140～180g．dm^－3、柠檬酸钾为80～100g．dm^－3、乙二铵四乙酸为40g．dm^－3及氯化钾为60～100g．dm^－3、温度为40～60℃的电镀液，电镀装置的阴极电流密度为0.3～0.8A．dm^－2；

f）将金属层从衬底基片上剥离，得到呈十字形的阻抗匹配引脚（6）；

g）将阻抗匹配引脚（6）置于温度为400±10℃的氢气退火炉进行退火处理，氢气流速为8L/min。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种W波段IMPATT二极管阻抗匹配引脚，其特征在于，所述引脚由四个相同大小的梯形金属片相互连接成十字形，每个梯形金属片的上底边向内、下底边向外；所述引脚还包含设于十字中心连接梯形金属片的连接片(5)；所述连接片(5)与四个梯形金属片为一体化结构；所述连接片(5)的底面与W波段IMPATT二极管(10)的管芯(7)固定连接，所述四个梯形金属片的下底边与W波段IMPATT二极管(10)的红宝石介质环(8)固定连接。

2.根据权利要求1所述一种W波段IMPATT二极管阻抗匹配引脚的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤:

a）将衬底基片通过硫酸与过氧化氢的混合溶液进行清洗，硫酸与过氧化氢的体积比为3:1，然后采用氢氟酸与水的混合试剂对清洗后的衬底基片去除氧化层，氢氟酸与水的体积比为1:5；之后将去除氧化层的衬底基片用等离子水进行冲洗，去除氢氟酸；

b）将衬底基片置于真空电子束蒸发装置中，采用450℃，在衬底基片表面连续电子束蒸发Cr-Cu-Cr金属层；

c）采用正性光刻胶，使用旋转涂胶法对衬底基片表面均匀涂胶，胶厚1.0±0.1μm；将涂好光刻胶的衬底基片放入充氮烘箱中，在90±5℃的温度下烘烤30±2min；之后用十字形光刻掩膜版将衬底基片在光刻机上进行图形套准曝光；使用显影液对曝光后的衬底基片进行显影，然后用等离子水对显影后的衬底基片进行冲洗，去除显影液；之后将冲洗过的衬底基片放入充氮烘箱中，在120±5℃的温度下烘烤30±2min；

d）采用金属湿法化学腐蚀工艺对衬底基片表面的曝光区进行腐蚀处理，得到W波段IMPATT二极管(10)的阻抗匹配引脚(6)的十字形区域；

e）采用微电镀工艺在衬底基片表面形成的十字形区域上电镀形成10～12μm厚的金属层；

f）将金属层从衬底基片上剥离，得到呈十字形的W波段IMPATT二极管(10)的阻抗匹配引脚(6)；

g）将阻抗匹配引脚(6)置于温度为400±10℃的氢气退火炉进行退火处理。

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