CN107706495A

CN107706495A - 一种温度补偿衰减器的制备方法

Info

Publication number: CN107706495A
Application number: CN201711110310.9A
Authority: CN
Inventors: 廖进福; 沓世我; 付振晓; 杨曌; 罗俊尧; 李保昌
Original assignee: Guangdong Fenghua Advanced Tech Holding Co Ltd
Current assignee: Guangdong Fenghua Advanced Tech Holding Co Ltd
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2018-02-16
Anticipated expiration: 2037-11-09
Also published as: CN107706495B

Abstract

本发明涉及一种温度补偿衰减器的制备方法，该方法包括以下步骤：采用薄膜工艺在基片上沉积PTC热敏电阻，对PTC热敏电阻进行图形化，保留设计所需部分；采用薄膜工艺在基片上沉积NTC热敏电阻，对NTC热敏电阻进行图形化，保留设计所需部分；分别或同时对图形化后的PTC热敏电阻和NTC热敏电阻进行热处理；采用薄膜工艺在基片上沉积金属电极，对金属电极进行图形化，得到温度补偿衰减器。本发明采用了薄膜工艺，其具有更高的精度及可控性，制得的薄膜温度补偿衰减器具有更低的噪声、更优异的射频性能及性能的一致性和重复性；同时利于小型化、薄型化和集成化，对温度变化具有更高的灵敏度。

Description

一种温度补偿衰减器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种温度补偿衰减器的制备方法，具体涉及一种薄膜温度补偿衰减器的制备方法。

背景技术

温度补偿衰减器(或称“温度可变衰减器”)是用于稳定射频/微波放大器增益随温度变化的一类器件。GaAs场效应管(FET)和高电子迁移率晶体管(HEMT)的增益会随温度而显著变化。因而，对于很多应用场合，为了避免由此导致的系统异常，需要对温度漂移进行有效的补偿。温度补偿的方法可分为三类，包括自动电平控制(ALC)/自动增益控制(AGC)、偏置补偿及采用温度补偿衰减器。其中ALC/AGC电路结构相对较复杂，设计与实现的成本较高，且反应速度较慢，可靠性较差；偏置补偿的方法需要针对具体的放大电路进行单独的分析设计；而采用基于热敏电阻和定值电阻网络的无源温度补偿衰减器具有设计简单、成本低、可靠性高、响应速度快、无频率失真等优点，已成为多数射频工程师的首要选择。

典型的温度补偿衰减器由热敏电阻构成T型或Π型的二端口网络(如图13所示)，其中串联热敏电阻及并联热敏电阻分别具有符号相反的电阻温度系数(TCR)，使得衰减量随着温度按特定的斜率接近线性变化，同时保持特性阻抗基本不变。温度补偿衰减器两个关键的性能参数是衰减量及其温度系数(TCA)。根据射频放大器的增益及其温度系数来选取具有合适的衰减量及TCA的温度补偿衰减器，将二者通过传输线串接即可实现对放大器增益的温度补偿。由于射频放大器的性能参数各异，温度补偿衰减器的衰减量及TCA均需要系列化。衰减量及TCA主要由热敏电阻的阻值及其TCR决定，对于典型的衰减量，热敏电阻的阻值覆盖了数欧姆到数百欧姆的范围，对应的表面电阻率在数十到数兆Ω/□之间；而对于不同的TCA，热敏电阻的TCR也覆盖了较大的范围，可高达数千ppm/℃。因此，实现产品系列化的先决条件是具备(室温)电阻率及TCR能在较大范围内灵活调节的热敏电阻材料体系以及配套工艺。

目前，无源温度补偿衰减器均采用厚膜工艺制作。美国EMC Technology公司拥有无源温度补偿衰减器的首个发明专利(US5332981)，采用厚膜正温度系数(PTC)和负温度系数(NTC)热敏电阻及相应的导体浆料，通过丝网印刷的工艺制作器件，在系列化的热敏电阻浆料中选取相邻两种浆料按不同比例混合可调节电阻率和TCR，从而获得不同的衰减量及TCA组合。厚膜工艺有其独特的优势：衰减量及其温度系数容易系列化，成本低，适合大规模生产。而另一方面，厚膜工艺存在以下问题：工艺及性能的可控性、重复性及一致性偏低，其主要原因是厚度及图形线宽/线距的精度不够高；厚膜浆料中的玻璃相普遍含有铅，对环境不友好；同时玻璃相的加入明显提高了材料的电阻率，并容易引入明显的寄生容抗影响器件的高频性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种温度补偿衰减器的制备方法，该方法实现温度补偿衰减器的薄膜化，提升了温度补偿衰减器的性能及一致性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种温度补偿衰减器的制备方法，其包括以下步骤：

(1a)采用薄膜工艺在基片上沉积PTC热敏电阻，对PTC热敏电阻进行图形化，保留设计所需部分，并对PTC热敏电阻进行热处理；

(2a)采用薄膜工艺在基片上沉积NTC热敏电阻，对NTC热敏电阻进行图形化，保留设计所需部分，并对NTC热敏电阻进行热处理；

(3a)采用薄膜工艺在基片上沉积金属电极，对金属电极进行图形化，得到温度补偿衰减器；或者

(1b)采用薄膜工艺在基片上沉积PTC热敏电阻，对PTC热敏电阻进行图形化，保留设计所需部分；

(2b)采用薄膜工艺在基片上沉积NTC热敏电阻，对NTC热敏电阻进行图形化，保留设计所需部分；

(3b)同时对图形化后的PTC热敏电阻和NTC热敏电阻进行热处理；

(4b)采用薄膜工艺在基片上沉积金属电极，对金属电极进行图形化，得到温度补偿衰减器。

作为本发明所述温度补偿衰减器的制备方法的优选实施方式，所述步骤(2a)为：采用薄膜工艺在基片上沉积至少1层NTC热敏电阻和至少1层导电层，NTC热敏电阻与导电层交替堆叠，且与基片接触的是导电层；对NTC热敏电阻和导电层进行图形化，保留设计所需部分，并对NTC热敏电阻和导电层进行热处理；

所述步骤(2b)为：采用薄膜工艺在基片上沉积至少1层NTC热敏电阻和至少1层导电层，NTC热敏电阻与导电层交替堆叠，且与基片接触的是导电层；对NTC热敏电阻和导电层进行图形化，保留设计所需部分；

所述步骤(3b)为：同时对图形化后的PTC热敏电阻、NTC热敏电阻和导电层进行热处理。

作为本发明所述温度补偿衰减器的制备方法的优选实施方式，所述NTC热敏电阻和导电层均为1层或均为两层。

作为本发明所述温度补偿衰减器的制备方法的更优选实施方式，所述步骤(1a)和(2a)之间或者所述步骤(1b)和(2b)之间还包括以下步骤：在基片上沉积粘附层，粘附层位于最底层的导电层的下方。

作为本发明所述温度补偿衰减器的制备方法的优选实施方式，所述导电层的材料为金属导体，所述导电层的电阻率与所述NTC热敏电阻的电阻率的比值小于10^-6；或所述导电层的材料为氧化物，所述导电层的电阻率与所述NTC热敏电阻的电阻率的比值在3×10^-5～7×10^-4之间。

作为本发明所述温度补偿衰减器的制备方法的更优选实施方式，所述金属导体为Pt、Au或Pd；所述NTC热敏电阻的材料是电阻率为1～100Ω·cm、热敏常数(B值)为10³K数量级的Mn-Co-Cu-O体系；所述氧化物为SnO₂、掺锑SnO₂、ITO、RuO₂、RhO₂、ReO₂、ReO₃、IrO₂、MRuO₃、LaMnO3、LaCoO₃、LaNiO₃、LaCrO₃、CaVO₃、SrVO₃、SrMoO₃；MRuO₃中M为Sr、Pb、Bi、Ca或Ba。

作为本发明所述温度补偿衰减器的制备方法的优选实施方式，采用薄膜工艺在基片上沉积NTC热敏电阻时，将导电材料与NTC热敏电阻材料均匀混合，构成复合NTC热敏电阻薄膜。

作为本发明所述温度补偿衰减器的制备方法的更优选实施方式，采用两个靶材共溅射的方法，将导电材料与NTC热敏电阻材料沉积在基片上，构成复合NTC热敏电阻薄膜。

作为本发明所述温度补偿衰减器的制备方法的优选实施方式，所述PTC热敏电阻的材料为RuO₂、MRuO₃、RhO₂、ReO₂、ReO₃或IrO₂等氧化物，或它们的掺杂物。

作为本发明所述温度补偿衰减器的制备方法的优选实施方式，所述NTC热敏电阻的材料为掺杂铜和/或钌等元素的锰系尖晶石材料，或者是在电阻率为10^-5～10^-2Ω·cm的导电氧化物中进行掺杂所得的TCR为负值的材料；优选地，所述锰系尖晶石材料为Mn-Co-O或Mn-Ni-O等。

作为本发明所述温度补偿衰减器的制备方法的优选实施方式，所述方法还包括以下步骤：在热处理后的PTC热敏电阻和NTC热敏电阻上采用薄膜或者厚膜的工艺覆盖绝缘介质作为保护层。

作为本发明所述温度补偿衰减器的制备方法的优选实施方式，所述方法还包括以下步骤：对金属电极进行表面处理，以增加金属电极的厚度，或者满足特定的安装要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明采用了薄膜工艺，其具有更高的精度及可控性，制得的薄膜温度补偿衰减器的膜层厚度误差可控制在nm的量级，线宽和线距的偏差可在μm的量级，膜层表面和/或界面平滑，因而具有更低的噪声、更优异的射频性能及性能的一致性和重复性；同时利于小型化、薄型化和集成化。薄膜化温度补偿衰减器还可降低器件尤其是热敏电阻体的热容量，从而缩短器件对温度变化的响应时间常数，具有更高的灵敏度。此外，薄膜工艺不需借助玻璃体来降低烧结温度，从而减少了所需的材料种类，更有效地发挥材料的性能，降低能耗，减少环境污染。

此外，本发明进一步将NTC热敏电阻改进成叠层结构，这样也实现了温度补偿衰减器的薄膜化和系列化。

附图说明

图1为本发明实施例1所述温度补偿衰减器的制备流程图；

图2为本发明实施例2所述温度补偿衰减器的制备流程图；

图3为本发明实施例3中叠层结构的NTC热敏电阻的结构示意图；图3中，1为导电层，2为NTC热敏电阻，3为顶层电极；

图4为本发明实施例3中叠层结构的NTC热敏电阻的等效电路图；

图5为本发明实施例3中叠层结构的NTC热敏电阻的总阻值与导电层电阻率ρ₁和NTC热敏电阻的电阻率ρ₂的比值的关系图；

图6为本发明实施例5中叠层结构的NTC热敏电阻的电阻温度特性曲线图；

图7为导电层的厚度Thk_1对叠层结构NTC热敏电阻的总阻值及等效B值的影响曲线图；其中，a为对总阻值的影响，b为对等效B值的影响；

图8为NTC热敏电阻的厚度Thk_2对叠层结构NTC热敏电阻的总阻值及等效B值的影响曲线图；其中，a为对总阻值的影响，b为对等效B值的影响；

图9为顶层电极的间隙Gap_wd对叠层结构NTC热敏电阻的总阻值及等效B值的影响曲线图；其中，a为对总阻值的影响，b为对等效B值的影响；

图10为顶层电极沿对称线方向的深度Pad_dept对叠层结构NTC热敏电阻的总阻值的影响曲线图；

图11为顶层电极垂直于对称线方向的宽度Pad_wd对叠层结构NTC热敏电阻的总阻值的影响曲线图；

图12为本发明实施例7中四层堆叠结构的NTC热敏电阻的总阻值的电阻温度特性曲线图；

图13为典型的温度补偿衰减器的结构示意图。

具体实施方式

为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明中，PTC热敏电阻是指随温度升高而电阻值增大的正温度系数热敏电阻，NTC热敏电阻是指随温度升高而电阻值减小的负温度系数热敏电阻。

本发明中，顶层电极指的是金属电极覆盖于热敏电阻上的部分。

为了克服现有制备温度补偿衰减器的厚膜工艺的局限，提升温度补偿衰减器的性能，本发明提供了一种温度补偿衰减器的制备方法，其包括以下步骤：

(3b)同时对图形化后的PTC热敏电阻和NTC热敏电阻进行热处理；

本发明的薄膜温度补偿衰减器具有T型、Π型、桥接T型、平衡T型或平衡Π型的电阻网络结构。上述薄膜工艺主要包括薄膜沉积、退火(热处理)以及光刻图形化工艺，其中薄膜沉积工艺包括蒸发(电阻蒸发、电子束蒸发)、溅射(等离子溅射、离子束溅射沉积)、激光脉冲沉积、溶胶-凝胶(Sol-gel)法、化学气相沉积(CVD)等方法，其中以等离子射频磁控溅射更为适合生产。

上述图形化的方法包括干法刻蚀、湿法刻蚀或Lift-off工艺等。其中属于干法刻蚀的等离子刻蚀和离子束刻蚀可对大多数材料进行刻蚀，但选择性较差；反应离子束刻蚀(RIE)具有较高的选择性，但设备、工艺成本较高；而上述各种材料可选的湿法刻蚀剂较为有限。在线宽和线距较大的条件下，可采用Lift-off工艺对PTC热敏电阻进行图形化，从而不需要考虑刻蚀剂及其选择性。采用此工艺时应在薄膜沉积前完成匀胶、前烘(软烘)、曝光、显影的过程，在薄膜沉积后去胶完成图形化过程。

由于薄膜厚度一般在数百纳米的范围内，较厚膜低1～2个数量级，有必要采用新的热敏电阻材料或结构来获得范围较宽的阻值及TCR。薄膜温度补偿衰减器的PTC热敏电阻可采用具有金属导电性而且TCR较高的导电氧化物材料，作为优选的方式，PTC热敏电阻的材料为RuO₂、MRuO₃、RhO₂、ReO₂、ReO₃或IrO₂等。这些材料具有适中的电阻率以及优良的高温稳定性，并且通过选择不同的材料体系及掺杂、调节薄膜沉积工艺和热处理工艺参数，可以获得不同的方阻和TCR组合。这些材料中，RuO₂常用作电阻及热敏电阻的基础材料，对RuO₂掺铜可制备TCR较高的PTC热敏电阻。采用薄膜工艺时可对Ru金属靶材进行反应溅射来制备RuO₂，在10％～50％的范围内调节溅射气体中的氧气的流量比可获得不同组分、结构、电阻率及TCR的电阻薄膜。当氧气含量在10％附近时，薄膜的沉积速率较高，电阻率较为合适。

薄膜温度补偿衰减器的难点是获得较低的NTC热敏电阻阻值及TCR绝对值，可根据所需的电阻率(方阻)选择NTC热敏电阻材料。在本发明的一个实施例中，NTC热敏电阻是直接采用具有较低的室温电阻率和热敏常数(或TCR绝对值)的NTC热敏电阻材料，包括在电阻率较高的锰系尖晶石材料(Mn-Co-O、Mn-Ni-O等)中掺杂铜和/或钌等元素以降低电阻率和B值，或在电阻率较低(例如电阻率为10^-5～10^-2Ω·cm)的导电氧化物中进行掺杂获得负值的TCR。具体地，选用电阻率为10^-3～10^-2Ω·cm，热敏常数为10²～10³K的Mn-Co-Cu-Ru-O体系或者La-Sr-Co-Fe-O体系。对一定组分的氧化物靶材进行溅射，膜层厚度在100～1000nm之间。

作为本发明的一个实施例的优选实施方式，所述温度补偿衰减器的制备方法还包括以下步骤：在热处理后的PTC热敏电阻和NTC热敏电阻上采用薄膜或者厚膜的工艺覆盖绝缘介质作为保护层。由于热敏电阻的敏感特性，一般采用一层绝缘介质将其保护起来，隔绝环境中的氧气和水汽以减缓电性能的漂移。绝缘介质的材料包括SiO₂、Si₃N₄、SiON等无机物或者聚酰亚胺、环氧树脂等聚合物。根据材料的不同，绝缘介质可采用蒸发、溅射、化学气相沉积(CVD)等薄膜工艺或者旋涂、丝网印刷等厚膜工艺制作。

作为本发明的一个实施例的优选实施方式，所述温度补偿衰减器的制备方法还包括以下步骤：对金属电极进行表面处理。相对于薄膜沉积工艺，电镀或化学镀具有更高的沉积效率及较低的设备、工艺成本，适合制作较厚的电极。可采用电镀或化学镀等表面处理工艺加厚金属电极，以降低损耗，达到焊接、粘合或引线键合安装的要求。

在本发明的另一个实施例，采用TCR绝对值接近零的导电材料与常规的NTC热敏电阻材料构成薄膜叠层结构。具体地，所述步骤(2a)为：采用薄膜工艺在基片上依次沉积1层导电层和1层NTC热敏电阻，NTC热敏电阻与导电层组成叠层结构，且与基片接触的是导电层；对NTC热敏电阻和导电层进行图形化，保留设计所需部分，并对NTC热敏电阻和导电层进行热处理；所述步骤(2b)为：采用薄膜工艺在基片上依次沉积1层导电层和1层NTC热敏电阻，NTC热敏电阻与导电层组成叠层结构，且与基片接触的是导电层；对NTC热敏电阻和导电层进行图形化，保留设计所需部分；所述步骤(3b)为：同时对图形化后的PTC热敏电阻、NTC热敏电阻和导电层进行热处理。

由于薄膜NTC热敏电阻需要经过500～900℃的高温热处理，导电层的材料必须具有良好的耐高温特性，在热处理后仍保持良好的导电性以及相对平滑的表面形貌，避免形成明显的“小山丘”与顶层电极短路。在这种结构中，导电层与NTC热敏电阻形成串联电路，如图4所示。其中由于顶层电极的间隙Gap_wd远大于NTC热敏电阻的厚度Thk_2，R₁的阻值大至近似开路，故大部分的阻值来自热敏电阻厚度方向的R₂、R₃和/或导电层的R₄，因而降低整个结构的阻值及TCR绝对值。这种结构在典型的尺寸参数下总阻值与两层电阻率比值的关系如图5所示。明显，总阻值随着导电层的电阻率ρ₁单调增大。其中，当导电层的电阻率ρ₁与所述NTC热敏电阻的电阻率ρ₂的比值小于10^-6时，总阻值几乎不随ρ₁变化。而ρ₁/ρ₂在3×10^-5～7×10^-4之间时，总阻值在10～100Ω之间。

作为上述另一个实施例的优选实施方式，所述导电层的材料为金属导体，所述导电层的电阻率与所述NTC热敏电阻的电阻率的比值小于10^-6。此时，底层的导电层与顶层电极不直接接触，否则中间层热敏电阻被短路。由于导电层的电阻R₄小至可用短路近似，而R₁可用开路近似，故总阻值主要由R₂及R₃之和决定，即R≈2×ρ₂×Thk_2/S，式中S为顶层电极与导电层正对的面积，S＝Pad_depth×Pad_wd。由于NTC热敏电阻的厚度Thk_2较小，因而总阻值R也较小，而总的B值即为NTC热敏电阻本身的B值。通过减小顶层电极与导电层正对的面积S，或者增加NTC热敏电阻的厚度Thk_2，可在一定范围内提高总阻值R。因而，该结构可获得小尺寸、低阻值而高B值的薄膜NTC热敏电阻。

更优选地，所述金属导体为Pt、Au或Pd；所述NTC热敏电阻的材料是电阻率为1～100Ω·cm、热敏常数为10³K数量级的Mn-Co-Cu-O体系。铂(Pt)、金(Au)和钯(Pd)等均是耐高温金属材料。

作为上述另一个实施例的更优选实施方式，所述步骤(1a)和(2a)之间或者所述步骤(1b)和(2b)之间还包括以下步骤：在基片沉积上粘附层，粘附层位于最底层的导电层的下方。制作叠层薄膜NTC热敏电阻时在基片上依次沉积粘附层和导电层，其中，粘附层优选TiW或NiCr等金属，厚度在10～100nm之间，起到增加导电层薄膜附着力的作用；导电层的厚度在100～500nm之间。然后再溅射Mn-Co-Cu-O NTC热敏电阻薄膜，厚度在100～1000nm之间。当顶层电极与导电层正对区域的两个尺寸Pad_depth和Pad_wd以及顶层电极的间隙Gap_wd均取为数十μm时，可获得的总阻值在10～100Ω之间；B值由中NTC热敏电阻决定，仍在10³K数量级。

作为上述另一个实施例的另一种优选实施方式，所述导电层的材料为氧化物，所述导电层的电阻率与所述NTC热敏电阻的电阻率的比值在3×10^-5～7×10^-4之间。所述氧化物包括二元氧化物导电材料以及一些具有钙钛矿结构的复合氧化物导电材料，该氧化物需具有耐高温的特性。此时，导电层R₄的阻值较大而TCR较小，NTC热敏电阻R₂、R₃阻值较小而B值较大，三者构成串联结构，从而实现总阻值R和等效B值较小的薄膜NTC热敏电阻。

更优选地，所述NTC热敏电阻的材料是电阻率为1～100Ω·cm、热敏常数为10³K数量级的Mn-Co-Cu-O体系，所述氧化物为SnO₂、掺锑SnO₂、ITO、RuO₂、RhO₂、ReO₂、ReO₃、IrO₂、MRuO₃、LaMnO3、LaCoO₃、LaNiO₃、LaCrO₃、CaVO₃、SrVO₃、SrMoO₃等及其掺杂产物；MRuO₃中M为Sr、Pb、Bi、Ca或Ba。

在上述实施方式中，可调节导电层的厚度Thk_1、NTC热敏电阻的厚度Thk_2、顶层电极的间隙Gap_wd、顶层电极沿对称线方向的深度Pad_depth以及顶层电极垂直于对称线方向的宽度Pad_wd，以获得不同的总阻值和等效B值的组合。

在本发明的另一个实施例中，采用层数更多的交替堆叠的导电层和NTC热敏电阻。具体地，所述步骤(2a)为：采用薄膜工艺在基片上沉积至少两层NTC热敏电阻和至少两层导电层，NTC热敏电阻与导电层交替堆叠，且与基片接触的是导电层；对NTC热敏电阻和导电层进行图形化，保留设计所需部分，并对NTC热敏电阻和导电层进行热处理；所述步骤(2b)为：采用薄膜工艺在基片上沉积至少两层NTC热敏电阻和至少两层导电层，NTC热敏电阻与导电层交替堆叠，且与基片接触的是导电层；对NTC热敏电阻和导电层进行图形化，保留设计所需部分。

通过控制各层的电阻率和厚度，构成更复杂的电阻串并联结构，实现所需的阻值及等效B值(TCR)。这种多层堆叠结构可以更好地控制各层的微观结构及电性能，有效降低相邻两层之间由于晶格或者热膨胀系数失配而产生的应力。

在本发明的另一个实施例中，采用薄膜工艺在基片上沉积NTC热敏电阻时，将导电材料与NTC热敏电阻材料均匀混合，构成复合NTC热敏电阻薄膜。通过改变两种组分的比例可获得不同的电阻率及等效B值的组合。此结构可视为叠层结构中各层的厚度趋于可忽略时的极限形式，在微观上仍可等效为电阻的串并联网络结构。由于两种材料接近均匀混合，总阻值由膜厚和方数(Gap_wd/Pad_depth)决定，故可简化器件结构尺寸的设计。

作为上述另一个实施例的优选实施方式，采用两个靶材共溅射的方法，将导电材料与NTC热敏电阻材料同时沉积在基片上，构成复合NTC热敏电阻薄膜。例如，可采用两个靶材共溅射的方法，根据两种材料及所需的电阻率及TCR(B值)的不同，通过调节两靶的溅射功率及靶材-基片距离，将导电材料与NTC热敏电阻材料的膜厚沉积速率控制在1:5～1:20之间，获得的复合薄膜的电阻率在10^-3～10²Ω·cm的数量级，(等效)B值在300～3000K之间。通过控制沉积参数，可将复合薄膜的膜厚控制在10～1000nm之间。对复合NTC热敏电阻薄膜进行图形化，使顶电极间隙Gap_wd与顶电极深度Pad_dept在100～700μm之间，可获得的总阻值在1～1000Ω之间，(等效)B值即为复合薄膜本身的数值。

下面以现有T型或Π型温度补偿衰减器为例，对本发明温度补偿衰减器的制备方法作进一步说明。其中，优选地采用Π型结构以增加基片面积的利用率，提高热敏电阻与端头电极尺寸的匹配。根据所需的衰减量温度系数(TCA)的符号可确定串联热敏电阻和并联热敏电阻TCR的符号。绝大部分温度补偿衰减器的衰减量随温度增加而降低(TCA为负)，串联热敏电阻和并联热敏电阻分别具有负的和正的TCR。

实施例1

本发明温度补偿衰减器的制备方法的一种实施例，本实施例所述温度补偿衰减器的制备流程如图1所示，具体方法如下：

(1)首先进行基片的前处理：根据功率、频率及器件尺寸要求可选用氧化铝、氮化铝、氧化铍陶瓷，对于一般的应用场合以99.6％氧化铝陶瓷基片为首选；依次用丙酮、无水乙醇以及去离子水超声清洗基片各5分钟，用氮气吹干备用；对于要求更高的场合，可增加一步等离子体清洗，提高基片表面的洁净度；

(2)采用薄膜工艺在基片上沉积PTC热敏电阻，对PTC热敏电阻进行图形化，保留设计所需部分，并对PTC热敏电阻进行热处理；PTC热敏电阻的材料为RuO₂、MRuO₃、RhO₂、ReO₂、ReO₃或IrO₂等，或它们的掺杂物；PTC热敏电阻的热处理可以根据方阻及TCR的要求在300～900℃的空气、氧气、氮气、氩气或真空等气氛中进行。其中，在800℃的空气中热处理1小时可获得方阻在数十至数万Ω/□范围、TCR高达3000ppm/℃的薄膜PTC热敏电阻，满足部分温度补偿衰减器的要求；

(3)采用薄膜工艺在基片上沉积NTC热敏电阻，对NTC热敏电阻进行图形化，保留设计所需部分，并对NTC热敏电阻进行热处理；NTC热敏电阻的材料是电阻率为10^-3～10^-2Ω·cm，热敏常数为10²～10³K的Mn-Co-Cu-Ru-O体系或者La-Sr-Co-Fe-O体系，NTC热敏电阻的膜层厚度在100～1000nm之间；NTC热敏电阻的热处理可以根据方阻及B值的要求在300～900℃的空气或氧气等气氛中进行。其中，在800℃的空气中对Mn-Co-Cu-Ru-O薄膜热处理1小时可获得方阻在数十至数万Ω/□范围、B值在500K～2000K范围的薄膜NTC热敏电阻，满足部分温度补偿衰减器的要求；

(4)采用薄膜工艺在基片上沉积金属电极，对金属电极进行图形化；根据不同的安装方式的要求选用不同的金属化结构：例如，对于采用焊锡进行焊接的器件，可采用TiW-Ni-Au的金属化结构；对于引线键合的器件，可采用TiW-Au的金属化结构；其中TiW层的厚度在30～100nm之间，Ni层的厚度在100～1000nm之间，Au层的厚度在100～3000nm之间；金属电极的图形化也可采用不同的方法，对于线宽、线距较大的情况可采用Lift-off工艺；

(5)在热处理后的PTC热敏电阻和NTC热敏电阻上覆盖绝缘介质作为保护层；保护层可采用蒸发、溅射、化学气相沉积(CVD)或者旋涂、丝网印刷等方法制作；

(6)通过电镀或化学镀的方法对金属电极进行表面处理，以增加金属电极的厚度，得到温度补偿衰减器；

(7)对产品进行外观及电学性能的检验。

实施例2

本发明温度补偿衰减器的制备方法的一种实施例，本实施例所述温度补偿衰减器的制备方法是将实施例1中PTC热敏电阻及NTC热敏电阻的热处理合并，以简化流程、降低成本，同时避免二次热处理对热敏电阻性能的影响。本实施例所述温度补偿衰减器的制备流程如图2所示，具体方法如下：

(2)采用薄膜工艺在基片上沉积PTC热敏电阻，对PTC热敏电阻进行图形化，保留设计所需部分；

(3)采用薄膜工艺在基片上沉积NTC热敏电阻，对NTC热敏电阻进行图形化，保留设计所需部分；

(4)同时对图形化后的PTC热敏电阻和NTC热敏电阻进行热处理；

(5)采用薄膜工艺在基片上沉积金属电极，对金属电极进行图形化；根据不同的安装方式的要求选用不同的金属化结构：例如，对于采用焊锡进行焊接的器件，可采用TiW-Ni-Au的金属化结构；对于引线键合的器件，可采用TiW-Au的金属化结构；其中TiW的厚度在30～100nm之间，Ni的厚度在100～1000nm之间，Au的厚度在100～3000nm之间；金属电极的图形化也可采用不同的方法，对于线宽、线距较大的情况可采用Lift-off工艺；

(6)在热处理后的PTC热敏电阻和NTC热敏电阻上覆盖绝缘介质作为保护层；保护层可采用蒸发、溅射、化学气相沉积(CVD)或者旋涂、丝网印刷等方法制作；

(7)通过电镀或化学镀的方法对金属电极进行表面处理，以增加金属电极的厚度，得到温度补偿衰减器；

(8)对产品进行外观及电学性能的检验。

采用此方案时也可以先进行NTC热敏电阻的沉积及图形化再制作PTC热敏电阻。为了实现两种热敏电阻的同时热处理，可能需要对各自的组分或沉积条件进行必要的调整，使得在相同的热处理条件下也能获得各自所需要的电学性能。

实施例3

本发明温度补偿衰减器的制备方法的一种实施例，本实施例所述温度补偿衰减器在实施例1或2中的薄膜NTC热敏电阻采用叠层结构，其制备方法与实施例1的不同之处在于：本实施例中，步骤(3)为：采用薄膜工艺在基片上依次沉积1层导电层和1层NTC热敏电阻，NTC热敏电阻与导电层组成叠层结构，且与基片接触的是导电层；对NTC热敏电阻和导电层进行图形化，保留设计所需部分，并对NTC热敏电阻和导电层进行热处理；或者与实施例2的不同之处在于：本实施例中，步骤(3)：采用薄膜工艺在基片上依次沉积1层导电层和1层NTC热敏电阻，NTC热敏电阻与导电层组成叠层结构，且与基片接触的是导电层；对NTC热敏电阻和导电层进行图形化，保留设计所需部分；步骤(4)：同时对图形化后的PTC热敏电阻、NTC热敏电阻和导电层进行热处理。本实施例叠层结构的NTC热敏电阻的结构示意图如图3所示，该叠层结构包括从下到上依次设置的基片、导电层1、NTC热敏电阻2和顶层电极3；图3中，Thk_1为导电层的厚度；Thk_2为NTC热敏电阻层的厚度；Gap_wd为顶层电极的间隙，Pad_wd为顶层电极垂直于温度补偿衰减器对称线方向的宽度，Pad_depth为顶层电极沿温度补偿衰减器对称线方向的深度。在这种结构中，导电层与NTC热敏电阻形成串并联结构，等效电路图如图4所示。图4中，R₁为NTC热敏电阻平行于薄膜表面方向的电阻，R₂、R₃为薄膜NTC热敏电阻沿厚度方向的电阻，R₄为导电层的电阻。总阻值与导电层电阻率ρ₁和NTC热敏电阻的电阻率ρ₂的比值的关系如图5所示。其中，当ρ₁与NTC层的电阻率ρ₂的比值小于10^-6时，总阻值几乎不随ρ₁变化。而ρ₁/ρ₂在3×10^-5～7×10^-4之间时，总阻值在10～100Ω之间。

实施例4

本发明温度补偿衰减器的制备方法的一种实施例，本实施例所述温度补偿衰减器采用实施例3所述薄膜NTC热敏电阻叠层结构，其制备方法与实施例3的不同之处在于：所述步骤(2)和步骤(3)之间还包括以下步骤：在基片沉积上粘附层，粘附层位于最底层的导电层的下方。即制作叠层薄膜NTC热敏电阻时，在基片上依次沉积粘附层和导电层。

本实施例中，导电层的电阻率与所述NTC热敏电阻的电阻率的比值小于10^-6，导电层的材料为耐高温的金属导体，具体为铂(Pt)、金(Au)或钯(Pd)，厚度在100～500nm之间；NTC热敏电阻的材料是电阻率为1～100Ω·cm、热敏常数为10³K数量级的Mn-Co-Cu-O体系，NTC热敏电阻的厚度在100～1000nm之间；粘附层的材料为TiW或NiCr，厚度在10～100nm之间。当顶层电极与导电层正对区域的两个尺寸Pad_depth(顶层电极沿对称线方向的深度)和Pad_wd(顶层电极垂直于对称线方向的宽度)以及顶层电极的间隙Gap_wd均取为数十μm时，可获得的总阻值在10～100Ω之间；B值由中间层热敏电阻决定，仍在10³K数量级。

实施例5

本发明温度补偿衰减器的制备方法的一种实施例，本实施例所述温度补偿衰减器采用实施例3中所述薄膜NTC热敏电阻叠层结构，其与实施例3的不同之处在于：所述导电层的电阻率与所述NTC热敏电阻的电阻率的比值在3×10^-5～7×10^-4之间。其中，导电层可采用氧化物导电材料，例如SnO₂、掺锑SnO₂(ATO)、ITO(SnO₂:In2O₃)、RuO₂、RhO₂、ReO₂、ReO₃、IrO₂以及一些具有钙钛矿结构的导电氧化物材料，包括MRuO₃(M＝Sr、Pb、Bi、Ca、Ba…)、LaMnO₃、LaCoO₃、LaNiO₃、LaCrO₃、CaVO₃、SrVO₃、SrMoO₃等及其掺杂产物。这些材料的电阻率在10^-5～10^-2Ω·cm的范围，TCR可控制在数百ppm/℃以内。中间层NTC热敏电阻可采用电阻率及B值稍高的材料，例如电阻率ρ₂在1～100Ω·cm，B值在10³K数量级的Mn-Co-Cu-O体系。

制作叠层薄膜NTC热敏电阻时依次沉积导电层与NTC热敏电阻，中途不需要破真空。根据叠层NTC热敏电阻所需的阻值及TCR的不同，导电层与NTC热敏电阻的膜厚均可在数十至数百nm甚至接近1μm的范围。此结构在图形化过程中导电层和NTC热敏电阻可采用同一图形，简化工艺流程，降低制作成本。当顶层电极与导电层正对区域的两个尺寸Pad_depth和Pad_wd以及顶层电极的间隙Gap_wd均取为数百μm时，可获得的总阻值在1～1000Ω之间；等效B值在10²～10³K的数量级(如图6所示)。

实施例6

本实施例分别研究了实施例5中叠层结构NTC热敏电阻的总阻值与导电层的厚度Thk_1、NTC热敏电阻的厚度Thk_2、顶层电极的间隙Gap_wd、顶层电极沿对称线方向的深度Pad_depth以及顶层电极垂直于对称线方向的宽度Pad_wd的关系。

导电层的厚度Thk_1对叠层结构NTC热敏电阻的总阻值及等效B值的影响如图7所示。由图7可见，叠层结构NTC热敏电阻的总阻值与Thk_1近似成反比(图7中a)，而等效B值随Thk_1而显著增大(图7中b)，这是因为底层电阻R₄显著大于中间层NTC热敏电阻的R₂和R₃。当导电层的厚度在10～1000nm的范围内时，总阻值可调节的范围接近100Ω，等效B值可在500～1500K的范围内调节。

NTC热敏电阻的厚度Thk_2对叠层结构NTC热敏电阻的总阻值及等效B值的影响如图8所示，由图8可见，叠层结构NTC热敏电阻的总阻值随Thk_2增加，但斜率较小(图8中a)，而等效B值随Thk_2增大而缓慢降低(图8中b)，这是因为电流主要沿厚度方向的R₂和R₃通过NTC热敏电阻。当NTC热敏电阻在100～1500nm的范围内时，总阻值的可调节范围接近10Ω，等效B值可在500～900K的范围内调节。

顶层电极的间隙Gap_wd对叠层结构NTC热敏电阻的总阻值及等效B值的影响如图9所示，由图9可见，总阻值随Gap_wd近似线性增大(图9中a)，而等效B值随Gap_wd明显增大(图9中b)，因为导电层的电阻R₄贡献了大部分的阻值。当顶层电极的间隙在30～500μm的范围内时，总阻值的可调节范围接近100Ω，等效B值可在300～1100K的范围内调节。

顶层电极沿对称线方向的深度Pad_dept对叠层结构NTC热敏电阻的总阻值的影响如图10所示，由图10可见，总阻值与Pad_depth成反比，而等效B值基本不随Pad_depth变化，因为各部分电流通过的横截面积均与Pad_depth成正比，R₂、R₃、R₄均与Pad_depth成反比。当顶层电极沿对称线方向的深度Pad_dept在100～700μm的范围内时，总阻值的可调节范围接近50Ω，等效B值不变。

顶层电极垂直于对称线方向的宽度Pad_wd对叠层结构NTC热敏电阻的总阻值的影响如图11所示，由图11可见，当Pad_wd小于200μm时随Pad_wd的增加总阻值(图11)及等效B值均略有下降，但迅速趋于稳定，因为导电层沿此方向单位长度的阻抗较大，电流向顶层电极间隙边沿集中。因而，当Pad_wd大于200μm时，导电层与顶层电极在两端直接接触也不会影响总阻值及其温度特性。如图11所示，当顶层电极垂直于对称线方向的宽度Pad_wd在100～700μm的范围内时，总阻值的变化范围不超过0.1Ω，等效B值基本保持不变。

实施例7

本发明温度补偿衰减器的制备方法的一种实施例，本实施例所述温度补偿衰减器是将实施例1或2中的薄膜NTC热敏电阻分成更多层的导电层和NTC热敏电阻；本实施例所述温度补偿衰减器的制备方法与实施例1的区别在于：所述步骤(3)为：采用薄膜工艺在基片上沉积至少两层NTC热敏电阻和至少两层导电层，NTC热敏电阻与导电层交替堆叠，且与基片接触的是导电层；对NTC热敏电阻及导电层进行图形化，保留设计所需部分，并对NTC热敏电阻及导电层进行热处理；

或者本实施例所述温度补偿衰减器的制备方法与实施例2的区别在于：所述步骤(3)为：采用薄膜工艺在基片上沉积至少两层NTC热敏电阻和至少两层导电层，NTC热敏电阻与导电层交替堆叠，且与基片接触的是导电层；对NTC热敏电阻及导电层进行图形化，保留设计所需部分；步骤(4)为：同时对图形化后的PTC热敏电阻、NTC热敏电阻和导电层进行热处理。

本实施例可将实施例4中导电层与NTC热敏电阻的厚度各减半，层数各增加一倍进行交替沉积，构成四层堆叠结构，其它结构尺寸保持不变。四层堆叠结构的NTC热敏电阻的总阻值的电阻温度特性如图12所示。由图12可见，利用四层堆叠结构的总阻值可在双层结构的基础上减小数Ω，等效B值减小数百K，同时有利于更好地控制各层的微观结构、应力以及电性能。

实施例8

本发明温度补偿衰减器的制备方法的一种实施例，本实施例所述温度补偿衰减器的制备方法与实施例1或2的不同之处仅在于：所述步骤(3)中，采用薄膜工艺在基片上沉积NTC热敏电阻时，将导电材料与NTC热敏电阻材料均匀混合，构成复合NTC热敏电阻薄膜。例如，可采用两个靶材共溅射的方法，根据两种材料及所需的电阻率及TCR(B值)的不同，通过调节两靶的溅射功率及靶材-基片距离，将导电材料与NTC材料的膜厚沉积速率控制在1:5～1:20之间，获得的复合薄膜的电阻率在10^-3～10²Ω·cm的数量级，(等效)B值在300～3000K之间。通过控制沉积参数，可将复合薄膜的膜厚控制在10～1000nm之间。对复合NTC热敏电阻进行图形化，使顶层电极的间隙Gap_wd与顶层电极的深度Pad_dept在100～700μm之间，可获得的总阻值在1～1000Ω之间，(等效)B值即为复合薄膜本身的数值。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种温度补偿衰减器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(3b)同时对图形化后的PTC热敏电阻和NTC热敏电阻进行热处理；

2.如权利要求1所述的温度补偿衰减器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2a)为：采用薄膜工艺在基片上沉积至少1层NTC热敏电阻和至少1层导电层，NTC热敏电阻与导电层交替堆叠，且与基片接触的是导电层；对NTC热敏电阻和导电层进行图形化，保留设计所需部分，并对NTC热敏电阻和导电层进行热处理；

3.如权利要求2所述的温度补偿衰减器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1a)和(2a)之间或者所述步骤(1b)和(2b)之间还包括以下步骤：在基片上沉积粘附层，粘附层位于最底层的导电层的下方。

4.如权利要求2所述的温度补偿衰减器的制备方法，其特征在于：所述导电层的材料为金属导体，所述导电层的电阻率与所述NTC热敏电阻的电阻率的比值小于10^-6；或所述导电层的材料为氧化物，所述导电层的电阻率与所述NTC热敏电阻的电阻率的比值在3×10^-5～7×10^-4之间。

5.如权利要求4所述的温度补偿衰减器的制备方法，其特征在于：所述金属导体为Pt、Au或Pd；所述NTC热敏电阻的材料是电阻率为1～100Ω·cm、热敏常数为10³K数量级的Mn-Co-Cu-O体系；所述氧化物为SnO₂、掺锑SnO₂、ITO、RuO₂、RhO₂、ReO₂、ReO₃、IrO₂、MRuO₃、LaMnO3、LaCoO₃、LaNiO₃、LaCrO₃、CaVO₃、SrVO₃、SrMoO₃；MRuO₃中M为Sr、Pb、Bi、Ca或Ba。

6.如权利要求1所述的温度补偿衰减器的制备方法，其特征在于：采用薄膜工艺在基片上沉积NTC热敏电阻时，将导电材料与NTC热敏电阻材料均匀混合，构成复合NTC热敏电阻薄膜；优选地，采用两个靶材共溅射的方法，将导电材料与NTC热敏电阻材料沉积在基片上，构成复合NTC热敏电阻薄膜。

7.如权利1要求所述的温度补偿衰减器的制备方法，其特征在于：所述PTC热敏电阻的材料为RuO₂、MRuO₃、RhO₂、ReO₂、ReO₃、IrO₂或它们的掺杂物。

8.如权利1要求所述的温度补偿衰减器的制备方法，其特征在于：所述NTC热敏电阻的材料为掺杂铜和/或钌元素的锰系尖晶石材料，或者是在电阻率为10^-5～10^-2Ω·cm的导电氧化物中进行掺杂所得的TCR为负值的材料；优选地，所述锰系尖晶石材料为Mn-Co-O或Mn-Ni-O。

9.如权利要求1所述的温度补偿衰减器的制备方法，其特征在于：还包括以下步骤：在热处理后的PTC热敏电阻和NTC热敏电阻上采用薄膜或者厚膜的工艺覆盖绝缘介质作为保护层。

10.如权利要求1或9所述的温度补偿衰减器的制备方法，其特征在于：还包括以下步骤：对金属电极进行表面处理。