RU2047925C1

RU2047925C1 - Ferroelectric ceramic chip capacitor

Info

Publication number: RU2047925C1
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Смирнов; Б.А. Ротенберг; И.Я. Галлай; С.Ю. Калайдин; М.Ю. Воловик
Original assignee: Научно-исследовательский институт "ГИРИКОНД"
Priority date: 1990-12-07
Filing date: 1990-12-07
Publication date: 1995-11-10

Abstract

FIELD: radioelectronic engineering. SUBSTANCE: ferroelectric semiconductor ceramic chip capacitor is rectangular parallelepiped built on semiconductor ferroelectric ceramic plate whose surface is coated with reoxidized dielectric layer of desired thickness. Parallelepiped surface has closed demetallized band, metal electrodes, and contact pads. Parallelepiped has definite proportions of its length, width, and height. Metal electrodes are produced by burning out silver paste or by deposition; they are arranged in center symmetrically in respect to one another on small-area faces of parallelepiped; closed demetallized band is placed across each f small-area faces near contact pads and abuts demetallized side faces of parallelepiped. EFFECT: improved specific volumetric capacity and reduced dielectric power factor. 4 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано в производстве конденсаторов постоянной емкости на основе полупроводниковой сегнетокерамики с поверхностным реоксидированным слоем (тип 3). The invention relates to electronic equipment and can be used in the manufacture of fixed capacitors based on semiconductor ferroceramics with a surface reoxidized layer (type 3).

Конденсаторы реоксидированного типа представляют собой полупроводниковую пластину, на поверхности которой методом восстановления-окисления сформирован тонкий диэлектрический слой и нанесены металлические электроды, образующие блокирующий электрический контакт с реоксидированной сегнетокерамикой. Выпускаемые в настоящее время полупроводниковые керамические конденсаторы имеют форму диска, покрытого герметизирующим компаундом, и радиальные проволочные выводы (ТУ 11-84 ОЖО. 460.045 ТУ "Конденсаторы керамические К10У-5"). Аналогичную конструкцию имеют конденсаторы 3 типа, выпускаемые в США (ULTRA-CAP DISC Capacitors каталог N 4677, 1988 г. фирма Centralab) Японии (фирма Nichicon, Electronic Parts Catalog 1986, р.169(18)) и др. странах. Недостатком указанной конструкции конденсаторов является невозможность их применения для автоматизированного поверхностного монтажа не печатные платы и в гибридных микросхемах. Кроме того, наличие защитного эпоксидного или фенольного покрытия увеличивает размеры конденсаторов и снижает их удельную объемную емкость в сравнении с ЧИП-конденсаторами. The reoxidized type capacitors are a semiconductor wafer on the surface of which a thin dielectric layer is formed by reduction-oxidation method and metal electrodes are deposited that form a blocking electrical contact with the reoxidized ferroceramics. Semiconductor ceramic capacitors currently available are in the form of a disk coated with a sealing compound and radial wire leads (TU 11-84 ОЖО. 460.045 TU "Ceramic capacitors K10U-5"). Three types of capacitors manufactured in the USA (ULTRA-CAP DISC Capacitors catalog N 4677, 1988 from Centralab) in Japan (Nichicon, Electronic Parts Catalog 1986, p. 169 (18)) and other countries have a similar design. The disadvantage of this design of capacitors is the impossibility of their use for automated surface mounting not printed circuit boards and in hybrid circuits. In addition, the presence of a protective epoxy or phenolic coating increases the size of the capacitors and reduces their specific volumetric capacitance in comparison with ChIP capacitors.

Известен бескорпусной полупроводниковый конденсатор, пригодный для поверхностного монтажа, с электродами, нанесенными в виде узких параллельных полосок или спиралей на поверхности цилиндрического стержня, выполненного из керамики на основе титаната бария [1] Недостатками данной конструкции конденсаторов являются невысокая удельная объемная емкость и большие электрические потери (0,03 ≅ tgδ ≅0,37). Known open-frame semiconductor capacitor suitable for surface mounting, with electrodes deposited in the form of narrow parallel strips or spirals on the surface of a cylindrical rod made of barium titanate ceramic [1] The disadvantages of this design of capacitors are low specific volumetric capacitance and high electrical losses ( 0.03 ≅ tanδ ≅ 0.37).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой является конструкция блока сегнетокерамических полупроводниковых конденсаторов К10-39 [2]
На фиг.1 и 2 представлены блоки полупроводников конденсатора; на фиг.3, 4 ЧИП-конденсатор.The closest in technical essence to the proposed one is the design of the block of ferro-ceramic semiconductor capacitors K10-39 [2]
Figures 1 and 2 show blocks of capacitor semiconductors; figure 3, 4 CHIP capacitor.

Блок конденсаторов имеет форму параллелепипеда, внутренний объем которого полупроводник 1 с большой проводимостью, образованный в результате обжига сегнетокерамики в среде водорода. Наружная поверхность всех граней тонкий слой диэлектрика 2 с высокой диэлектрической проницаемостью, сформированный в процессе реокислительного обжига. На поверхности всех граней блока за исключением узкого пояска 3 нанесены металлические электроды 4 с контактами 5. Паз 6 является межэлектродным промежутком, разделяющим конденсаторы блока. Единичные конденсаторы получаются при разделении блока на равные части в направлении паза 6. The capacitor block has the shape of a parallelepiped, the internal volume of which is a semiconductor 1 with high conductivity, formed as a result of firing ferroceramics in a hydrogen medium. The outer surface of all faces is a thin layer of dielectric 2 with a high dielectric constant formed during reoxidation firing. On the surface of all faces of the block, with the exception of a narrow girdle 3, metal electrodes 4 with contacts 5 are applied. The groove 6 is the interelectrode gap separating the capacitors of the block. Single capacitors are obtained by dividing the block into equal parts in the direction of the groove 6.

Недостатками конструкции прототипа являются невысокая удельная объемная емкость и большие электрические потери в радиочастотном диапазоне из-за сопротивления полупроводникового объема керамики, включенного последовательно между емкостями внешних реоксидированных слоев. Кроме того, расположение контактов 5 на одной боковой грани параллелепипеда не позволяет производить автоматизированный поверхностный монтаж блоков конденсаторов, поскольку при установке блока на печатную плату возможна ориентация контактов выступами вверх или вниз и в 50 случаев пайка блоков не будет осуществлена. The disadvantages of the design of the prototype are the low specific volumetric capacitance and large electrical losses in the radio frequency range due to the resistance of the semiconductor volume of ceramics, connected in series between the tanks of the external reoxidized layers. In addition, the location of the contacts 5 on one side of the parallelepiped does not allow automated surface mounting of the capacitor blocks, since when the block is mounted on a printed circuit board, the contacts can be oriented with upward or downward protrusions and in 50 cases the blocks will not be soldered.

Целью изобретения является повышение удельной объемной емкости и уменьшение тангенса угла потерь конденсаторов в радиочастотном диапазоне при одновременном обеспечении их автоматизированного монтажа. The aim of the invention is to increase the specific volumetric capacity and reduce the tangent of the angle of loss of capacitors in the radio frequency range while ensuring their automated installation.

Достигается это тем, что сегнетокерамический полупроводниковый конденсатор выполнен ввиде прямоугольного параллелепипеда с отношением длины L, ширины W и толщины Н (L > W > H) в пределах 1,3 ≅ L/W ≅ 3,0 и 1,7 ≅ L/H ≅ 10,0, при этом 1,5 мм ≅L ≅8,0 мм, каждый из двух металлических электродов расположен только на двух смежных гранях параллелепипеда со сторонами L, W и W, H с центральной симметрией относительно друг друга, контакты выполнены в виде луженых площадок и расположены на гранях со сторонами W,H, разделительный поясок расположен вдоль граней со сторонами L, H и поперек граней со сторонами L, W и переходит с грани на грань вблизи контактов. This is achieved by the fact that the ferro-ceramic semiconductor capacitor is made in the form of a rectangular parallelepiped with a ratio of length L, width W and thickness H (L> W> H) within 1.3 ≅ L / W ≅ 3.0 and 1.7 ≅ L / H ≅ 10.0, with 1.5 mm ≅ L ≅ 8.0 mm, each of two metal electrodes is located only on two adjacent faces of the box with sides L, W and W, H with central symmetry relative to each other, the contacts are made in the form of tinned platforms and are located on faces with sides W, H, a dividing belt is located along faces with sides L, H and across the faces with the sides L, W and passes from face to face near the contacts.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый конденсатор отличается тем, что:
контакты расположены на противоположных гранях параллелепипеда, площадь которых наименьшая;
отношения сторон параллелепипеда находятся в пределах:
1,3≅L/W≅3,0 и 1,7≅L/H≅10; при 1,5 мм≅L≅8,0 мм;
разделительный поясок расположен вышеуказанным образом так, что электроды имеют центральную симметрию. Это доказывает соответствие заявляемого конструкции критерию изобретения "новизна".Comparative analysis with the prototype shows that the inventive capacitor is characterized in that:
the contacts are located on opposite faces of the box, the area of which is the smallest;
the aspect ratio of the box is within:
1.3≅L / W≅3.0 and 1.7≅L / H≅10; at 1.5 mm≅L≅8.0 mm;
the dividing belt is located in the above manner so that the electrodes have central symmetry. This proves the conformity of the claimed design to the criteria of the invention of "novelty."

Выполнение контактов в виде луженых площадок, расположенных на противоположных гранях параллелепипеда, известно для многослойных керамических ЧИП-конденсаторов монолитного типа. Однако для сегнетокерамических полупроводниковых конденсаторов такое расположение контактов в сочетании с другими признаками неизвестно. Так, прямоугольность граней параллелепипеда и центрально-симметричное расположение электродов обеспечивает работоспособность конденсатора при автоматизированном монтаже при установке на любую из двух наибольших граней чипа. Making contacts in the form of tinned pads located on opposite faces of the parallelepiped is known for monolithic multilayer ceramic ChIP capacitors. However, for ferroceramic semiconductor capacitors, this arrangement of contacts in combination with other features is unknown. Thus, the squareness of the parallelepiped faces and the centrally symmetric arrangement of the electrodes ensures the capacitor is operable during automated installation when installed on either of the two largest faces of the chip.

Отношения сторон параллелепипеда должны быть обеспечены в указанных пределах, поскольку:
при автоматизированном монтаже ЧИП ориентируется по направлению максимальной стороны L, причем для исключения ошибок установки необходимо, чтобы L/W≥1,3;
если ЧИП слишком узкий, т.е. ширина W много меньше длины L, то возможен изгиб в плоскости L, W при обжиге сырой заготовки, поэтому выбирается отношение L/W≅3;
поскольку ЧИП-конденсатор имеет металлические электроды только на поверхности параллелепипеда, то с повышением толщины Н удельная объемная емкость уменьшается, а удельная материалоемкость возрастает, поэтому выбирается отношение L/H≥1,7;
Если ЧИП слишком тонкий, т.е. длина L намного превышает толщину Н, то возможно коробление при обжиге сырой заготовки или излом при автоматизированном монтаже, поэтому выбирается отношение L/H≅10;
расположение разделительного пояска вдоль граней со сторонами L, H и поперек граней со сторонами L, W и переход с грани на грань вблизи контактов обеспечивает направление движения токов высокой частоты по направлению самой короткой стороны Н, при этом эквивалентное последовательное сопротивление полупроводникового объема ЧИПа оказывается минимальным и, следовательно, значения тангенса угла потерь в радиочастотном диапазоне также минимальны.The sides of the box must be provided within the specified limits, because:
during automated installation, the chip is oriented in the direction of the maximum side L, and in order to exclude installation errors, it is necessary that L / W≥1.3;
if the CHIP is too narrow, i.e. if the width W is much smaller than the length L, then bending in the L, W plane is possible during the firing of the raw workpiece, so the ratio L / W≅3 is selected;
since the CHIP capacitor has metal electrodes only on the surface of the parallelepiped, then with increasing thickness H the specific volumetric capacity decreases, and the specific material consumption increases, so the ratio L / H≥1.7 is chosen;
If the CHIP is too thin, i.e. the length L is much greater than the thickness N, then warping during roasting of the raw workpiece or kink during automated installation is possible; therefore, the ratio L / H≅10 is selected;
the location of the separation belt along the faces with sides L, H and across faces with sides L, W and the transition from side to side near the contacts provides the direction of movement of high-frequency currents in the direction of the shortest side H, while the equivalent series resistance of the semiconductor volume of the chip turns out to be minimal and therefore, the values of the loss tangent in the radio frequency range are also minimal.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них указанные отличительные признаки. Comparison of the proposed solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in this technical field did not allow us to identify these distinctive features.

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия". This allows us to conclude that the technical solution meets the criterion of "significant differences".

Конденсатор (фиг. 3, 4) содержит пластину из полупроводниковой сегнетокерамики 7, вся поверхность которой покрыта реоксидированным диэлектрическим слоем 8 заданной толщины, на который за исключением узкого замкнутого пояска 9 нанесены электроды 10, например, методом вжигания серебряной пасты или напыления меди. На торцах пластины поверх электродов 10 нанесены методом лужения контактные площадки 11. The capacitor (Fig. 3, 4) contains a plate of semiconductor ferroceramics 7, the entire surface of which is covered with a reoxidized dielectric layer 8 of a given thickness, on which, with the exception of a narrow closed belt 9, electrodes 10 are applied, for example, by burning silver paste or spraying copper. At the ends of the plate over the electrodes 10, pads 11 are applied by the method of tinning.

Конденсатор работает следующим образом. При приложении электрического напряжения к его контактам 11 реализуется электрическая емкость между каждым из двух металлических электродов 4 и отделенным от них диэлектрическим слоем 8 полупроводниковым слоем керамики 7, который выполняет роль внутреннего электрода так, что эти две емкости оказываются включенными последовательно через сопротивление полупроводникового слоя 7. Хотя конденсатор с электродами, выполненными из различных материалов (металла и полупроводниковой сегнетокерамики) является полярным, но два таких конденсатора включены встречно, поэтому конструкция ЧИП-конденсатора как единого целого является неполярной. Электрическая емкость конденсатора задается диэлектрической проницаемостью ε, толщиной d₁ реоксидированного слоя и суммарной площадью металлического электрода на гранях со сторонами L, W и W, H. Расположение пояска 9 на гранях L, W вблизи контактов 11 обеспечивает движение переменного электрического тока через полупроводниковый слой 7 в поперечном направлении (параллельно наименьшей стороне Н), что уменьшает до минимума последовательное сопротивление этого слоя и снижает тангенс угла потерь в радиочастотном диапазоне.The capacitor works as follows. When an electric voltage is applied to its contacts 11, an electric capacitance is realized between each of the two metal electrodes 4 and the semiconductor ceramic layer 7 separated from them by the dielectric layer 8, which acts as an internal electrode so that these two capacitances turn on in series through the resistance of the semiconductor layer 7. Although the capacitor with electrodes made of various materials (metal and semiconductor ferroceramics) is polar, but two such capacitors included counter, therefore, the design of the CHIP capacitor as a whole is non-polar. The electric capacitance of the capacitor is determined by the dielectric constant ε, thickness d _{1 of the} reoxidized layer and the total area of the metal electrode on the faces with sides L, W and W, H. The location of the band 9 on the faces L, W near the contacts 11 provides the movement of an alternating electric current through the semiconductor layer 7 in the transverse direction (parallel to the smallest side H), which minimizes the series resistance of this layer and reduces the loss tangent in the radio frequency range.

Примеры реализации конденсаторов с оптимальными габаритами, значения их номинальной емкости С_н и удельной объемной емкости С_удприведены в табл.1.Examples of the implementation of capacitors with optimal dimensions, the values of their nominal capacitance C _n and specific volumetric capacitance C _beats are given in table 1.

Доказательство достижения цели изобретения при выполнении конденсатора с соотношением сторон в указанных пределах проведено с учетом допустимой максимальной и минимальной длины ЧИП-конденсатора (1,5 мм≅ L≅ 8,0 мм) при автоматизированном поверхностном монтаже в соответствии с требованиями ТУ 11-84 "Конденсаторы керамические К10-17. Технические условия ОЖО.460.172 ТУ", а также с использованием трех критериев:
С_уд > 0,63 мкФ/см³ (удельная емкость прототипа);
С_о ≥ 95% (выход годных заготовок после обжига);
С_м ≥ 99,9% (правильность ориентации и установки чипа при автоматизированном монтаже).The proof of the achievement of the purpose of the invention when performing a capacitor with an aspect ratio within the specified limits was carried out taking into account the permissible maximum and minimum length of the CHIP capacitor (1.5 mm L≅ 8.0 mm) with automated surface mounting in accordance with the requirements of TU 11-84 " Ceramic capacitors K10-17. Technical conditions ОЖО.460.172 ТУ ", as well as using three criteria:
With _beats > 0.63 μF / cm ³ (specific capacity of the prototype);
C _about ≥ 95% (yield after baking);
C _m ≥ 99.9% (correct orientation and installation of the chip during automated installation).

Критерии по G_o и G_м установлены на основании следующих документов соответственно:
карта плановых процентов по ЕСТД 73201.00001 (пооперационный выход годных изделий з-да Кулон (ЛНПО Позитрон) на 1990, утв. 28.09.89) для многослойного керамического конденсатора К10-17;
Ч. -Г. Мэнгин, С.Макклелланд. Технология поверхностного монтажа. Будущее технологии сборки в электронике. М. Мир, 1990, с.17, 183, 184.The criteria for G _o and G _{m are} established on the basis of the following documents, respectively:
a card of planned interest according to ESTD 73201.00001 (operational output of suitable products of the Kulon plant (LNPO Positron) for 1990, approved on 09.28.89) for the multilayer ceramic capacitor K10-17;
C.-G. Mangin, S. McClelland. Surface mount technology. The future of assembly technology in electronics. M. Mir, 1990, p. 17, 183, 184.

В табл.2 приведены значения параметров, соответствующие примерам реализации конденсаторов
Как видно из данных, представленных в табл.2, поставленная цель достигается при соблюдении указанных пределов отношения L/W и L/H (примеры 6-10, 14-19 и 21-27) и не достигается, если оба или хотя бы один из пределов нарушается, т. к. при этом либо существенно уменьшается удельная объемная емкость (пример 29), либо снижается процент выхода годных заготовок после обжига G_o ниже 95% (примеры 12, 13, 28), либо нарушается правильность установки ЧИПа при автоматизированном монтаже (G_м< <99,9%) примеры 1,2,3,4,5,11,13,20.Table 2 shows the parameter values corresponding to examples of capacitors
As can be seen from the data presented in table 2, the goal is achieved while observing the specified limits of the ratio L / W and L / H (examples 6-10, 14-19 and 21-27) and is not achieved if both or at least one from the limits is violated, because in this case either the specific volumetric capacity significantly decreases (example 29), or the yield percentage of finished blanks after firing G _{o is} lower than 95% (examples 12, 13, 28), or the correct installation of the CHIP with automated installation (G _m <<99.9%) examples 1,2,3,4,5,11,13,20.

Тангенс угла потерь ЧИП-конденсатора в радиочастотном диапазоне существенным образом зависит от конфигурации электродов, которые образуются при различных способах расположения разделительного пояска. Минимальные потери получаются у предлагаемой конструкции, что подтверждается данными табл. 3. The tangent of the loss angle of the CHIP capacitor in the radio frequency range substantially depends on the configuration of the electrodes that are formed with different ways of arranging the separation belt. Minimum losses are obtained with the proposed design, which is confirmed by the data in table. 3.

Предлагаемая конструкция ЧИП-конденсатора позволяет повысить удельную емкость более чем в 3 раза (с 0,63 мкФ/см³ для прототипа до 2,20 мкФ/см³ для заявляемого конденсатора) при сопоставимых типо-номиналах и типо-размерах конденсаторов, а также уменьшить тангенс угла потерь tgδ в радиочастотном диапазоне:
с 0,63 до 0,21 при частоте f 10⁶ Гц и
с 1,17 до 0,87 при частоте f 10⁷ Гц (для L x W x H 2х1,6х1,1 мм и С_н 2,2 нФ прототип и для L x W x H 1,5 х 1,15 х 0,88 мм и С_н= 3,3 нФ заявляемый конденсатор).The proposed design of the CHIP capacitor allows to increase the specific capacitance by more than 3 times (from 0.63 μF / cm ³ for the prototype to 2.20 μF / cm ³ for the inventive capacitor) with comparable type ratings and type sizes of capacitors, as well as reduce the loss tangent tanδ in the radio frequency range:
from 0.63 to 0.21 at a frequency of f 10 ⁶ Hz and
from 1.17 to 0.87 at a frequency of f 10 ⁷ Hz (for L x W x H 2x1.6x1.1 mm and C _n 2.2 nF prototype and for L x W x H 1.5 x 1.15 x 0.88 mm and C _n = 3.3 nF of the inventive capacitor).

При этом заявляемое техническое решение позволяет реализовать автоматизированный поверхностный монтаж на печатные платы и в гибридных микросхемах. At the same time, the claimed technical solution allows for the implementation of automated surface mounting on printed circuit boards and in hybrid microcircuits.

По сравнению с известными типовыми конструкциями конденсаторов (например, с монолитным керамическим конденсатором К10-17) заявляемый ЧИП-конденсатор обеспечивает, с одной стороны, сокращение расхода драгоценных металлов, а, с другой стороны, упрощение технологии его изготовления и снижение трудоемкости технологического процесса. Compared with the known standard designs of capacitors (for example, with a monolithic ceramic capacitor K10-17), the inventive CHIP capacitor provides, on the one hand, a reduction in the consumption of precious metals, and, on the other hand, a simplification of its manufacturing technology and a reduction in the complexity of the technological process.

Claims

SEGNET-CERAMIC SEMICONDUCTOR CHIP-CAPACITOR, made in the form of a rectangular parallelepiped, on the surface of the faces of which there is a dielectric reoxidized layer, metal electrodes isolated from one another by a closed demetallized girdle and contact pads, characterized in that, in order to increase the specific capacitance and reduce the dielectric tangent loss, the box is made with a ratio of length, width and height within

where L, W, H are the length, width and height, respectively,
while the length is selected in the range of 1.5-8.0 mm, the metal electrodes are located centrally symmetrically relative to each other on opposite bases and adjacent smallest parallelepiped faces, while the contact pads are located on the metal electrodes on the side faces of the parallelepiped, a closed demetallized girdle is located diagonally symmetrically across each of the bases and is adjacent to the side faces of the parallelepiped with a continuous dielectric layer and contact pads with tvetstvenno.