（材料物理与化学专业论文）tan微波功率薄膜电阻器的制备及性能研究.pdf

摘要 摘要 t a n 薄膜具有宽电阻率 低电阻温度系数以及自钝化特性而被广泛应用于微 波功率电阻器中 本文采用反应磁控溅射法制备t a n 薄膜 研究了溅射时间 溅 射气压 溅射氮分压 热处理温度等对t a n 薄膜成分 相结构 方阻及t c r 的影 响 在此基础上 采用h f s s 软件设计 仿真了t a n 薄膜微波功率电阻器的性能 及结构参数 最后 采用反应磁控溅射法制备了t a n 微波功率电阻器 实验结果表明 随溅射时间升高 t a n 薄膜方阻逐渐降低 t c r 逐渐降低 薄膜中氮含量随着溅射气压的升高而升高 薄膜的方阻逐渐增大 溅射气压在0 2 p a 时 薄膜中形成t a 2 n 相 薄膜t c r 最小 随着氮分压的提高 薄膜逐渐形成富 氮化物 薄膜方阻逐渐提高 电阻温度系数逐渐加大 薄膜溅射速率降低 氮分 压为2 时 薄膜主要含有t a 2 n 相 薄膜t c r 最小 热处理温度升高 薄膜晶粒 长大 方阻及t c r 提高 t a n 薄膜的优化制备工艺条件为 溅射温度 6 0 0 溅射时间 1 5 m i n 溅 射气压 0 2 p a 溅射功率 6 0 w n 2 分压 3 热处理温度 3 0 0 t a n 薄膜 的性能达到 方阻为2 0 q 口 t c r 为7 p p m 晶粒尺寸为2 0 0 n m 采用h f s s 仿真设计了额定功率为1 0 0 w 使用频率为d c 一 3 g h z 以及额定 功率为3 0 0 w 使用频率为d c 1 5 g h z 的薄膜电阻器的结构参数 制备出的薄膜 电阻器样品的功率负荷和频率特性测试结果相符 关键词 t a n 薄膜 微波功率电阻器 反应磁控溅射 h f s s 仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t t a nt h i nf i l m sp o s s e s sw i d er e s i s t i v e l y l o w t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to fr e s i s t a n c e a n dc h e m i c a li n e r tp r o p e r t i e s w h i c hc a nb ew i d e l yu s e di nm i c r o w a v e p o w e rr e s i s t o r s i nt h i st h e s i s t a nf i l m sw e r e p r e p a r e db yr e a c t i o nm a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h e i n f l u e n c e so fs p u t t e r i n gp r e s s u r e n 2p a r t i a lf l o wa n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dt h ee l e c t r i c p r o p e r t i e sw e r ee x p l o r e d b a s e do nt h et a nf i l m p r e p a r a t i o n t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dt h em i c r o w a v ep r o p e r t i e so ft a nm i c r o w a v e p o w e rr e s i s t o r sw e r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e db yh f s ss o f t w a r e r e s p e c t i v e l y a tl a s t t h et a nm i c r o w a v ep o w e rr e s i s t o r sw e r ep r e p a r e db yr e a c t i o nm a g n e t r o n s p u t t e r i n g t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es q u a r er e s i s t a n c ea n dt h et c ro ft h es a m p l e sa r ea l l d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f s p u t t e r i n gt i m e w i t ht h ei n c r e a s eo fs p u t t e r i n gp r e s s u r e t h en c o n t e n t s q u a r er e s i s t a n c ea n dt h et c ro ft h es a m p l e si n c r e a s e w i t ht h e i n c r e a s eo fn 2p a r t i a lf l o w r i c hn i t r o g e np h a s e sa r ep r e s e n t e d t h en c o n t e n t s q u a r e r e s i s t a n c ea n dt h et c ro ft h e s a m p l e si n c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s eo fa n n e a l i n g t e m p e r a t u r e t h eg r a i ns i z e s q u a r er e s i s t a n c ea n dt h et c ro ft h es a m p l e si n c r e a s e t h eo p t i m i z e dp r e p a r a t i o n p a r a m e t e r sa r e a s f o l l o w i n g 6 0 0 o fs u b s t r a t e t e m p e r a t u r e 15 m i no fs p u t t e r i n gt i m e 0 2 p ao fs p u t t e r i n gp r e s s u r e 6 0 wo f s p u t t e r i n g p o w e r 3 o fn 2p a r t i a lf l o wa n d3 0 0 o fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e t h ef i l m p e r f o r m a n c e so ft h ef i l mp r e p a r e db yo p t i m i z e dp r e p a r a t i o np a r a m e t e r sa r es h e e t r e s i s t i v e l yo f2 0q 口 t c ro f7 p p m g r a i no fs i z e2 0 0 n m t w o t a nm i c r o w a v ep o w e rr e s i s t o r so fio o w 3 g h za n d3 0 0 w 1 5 g h zw e r e d e s i g n e da n ds i m u l a t e db yh f s s t h es a m p l e so ft h et w ot a nm i c r o w a v ep o w e r r e s i s t o r sw e r ep r e p a r e db yr e a c t i o nm a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h ea c t u a lp o w e rl o a da n dt h e m i c r o w a v ep r o p e r t i e sa r ec o n s i s t e n ti n t h ed e s i g nr e s u l t s k e y w o r d s t a nt h i nf i l m m i c r o w a v ep o w e rr e s i s t o r c r a f tp a r a m e t e r h f s ss i m u l a t i o n l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方 外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意 签名 1 硼 日期 加c 年q 月f6 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描 等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 币阻 导师签名 弓钿l 日期 加c 1 年c 月f 6 日 第一章前言 1 1 研究目的与意义 微波功率电阻器作为一种重要的电子元件 广泛应用于通讯 雷达信号发射 机 航空 航天等军 民领域的无线电子器件及系统中 在这些电子器件及系统 中 功率电阻器主要起匹配 功率负载等作用 1 2 当无线系统正常工作时 在环 流器 耦合器和混合线路端口处是没有功率的 但当系统出现失配等故障时 端 口处将出现微波功率 这些功率将在微波功率电阻器上通过发热的形式消耗掉 从而避免烧毁后端其他重要元件或组件 无线技术发展不断要求元件的工作频率 更高 功率更大 工作温度更高而尺寸更小 对电阻器的性能要求也越来越高 导致电阻器向薄膜化方向发展 根据微波理论 薄膜具有比块材和厚膜更低的微 波损耗特性和更好的耦合特性 制备薄膜微波器件 有望获得更高工作频率的微 波功率器件 小型化 片式化 高精度 阵列化 高耐热性 高频 高稳定 高 可靠性是微波功率电阻器的主要发展趋势 表征电阻器的主要性能指标有 3 1 阻值稳定性高 受环境温度改变和在使用寿命期内 电阻器的阻值变化 小 即要求电阻器的温度电阻系数 t c r 小 2 化学稳定性好 电阻器抗潮湿 氧化能力强 即要求电阻器具有表面自 钝化能力 3 使用功率大 电阻器在大功率负载下不烧毁 即要求电阻器的功率密度 大 4 使用频率高 在微波通讯 信号发射等高频应用场合 要求电阻器在高 频微波信号作用下反射系数小 具有良好的驻波系数 t a n 薄膜由于其化学稳定性高 温度电阻系数小 阻值可调范围大 从导体 到绝缘体可调 而受到人们的重视 相较于目前常用的镍铬薄膜电阻材料 t a n 薄膜具有自钝化特性 能在空气中生成一层致密的t a 2 0 3 膜 使它能在密封状态下 工作 抵抗水气的侵蚀 从而具有优良的稳定性和可靠性 薄膜化的氮化钽具有 很小的电阻温度系数 1 0 0p p m c 1 0 0 p p m c 范围 当控制薄膜中氮含量 使 其膜结构主要包含t a 2 n 相时 便能确保薄膜的高稳定性 且t c r 不超过 5 0 p p m 电子科技大学硕士学位论文 甚至趋于掣4 5 所以t a n 薄膜是一种非常理想的高频电阻薄膜材料 为此 国外许多的研究机构和公司对t a n 薄膜及功率电阻器的设计 制备进行了大量系 统的研究 取得了较大的进展 国外如美国的a t c 技术公司 r f 1 a b 公司 t i 电 子公司i r c 先进薄膜分公司等已有商品化t a n 薄膜功率电阻器 6 由于生产技术 和研发能力方面的原因 目前 国内仅有关于t a n 薄膜制备方面的少量报道 未 见t a n 薄膜电阻器制备相关文献及商品化t a n 薄膜功率电阻器报道 因此 高端 的低温度电阻系数功率薄膜电阻器只能依靠进口 受制于人 价格昂贵 使国内 电子器件生产厂家经济效益显著下降 因此立足国内自主研发低温度电阻系数t a n 薄膜功率电阻器 具有重大的社会 经济效益 1 2 国内外研究进展 1 2 1t a n 薄膜制备及性能研究进展 t a n 为暗灰色物质 六方晶体结构 晶格常数q 为0 5 18 n m 密度为 1 4 3 6 9 e r a 3 熔点为3 0 9 0 电阻率为1 8 0l aq c m 左右 其耐酸性能好 不溶于 硝酸 盐酸和氢氟酸 只被硫酸和硝酸及过氧化氢的混合液氧化 7 易和碳化钽生 成类质同晶混合物 具有熔点高 硬度大 金属导电性甚至超导电性等优异性能 t a 中可能存在两种因素异构体 一种为c i t a 另一种为1 3 t a 前者与块体金属具 有相同的金属结构 为体心立方b c c 结构 后者属正方晶系 根据溅射条件 一般 只会得到一种 偶尔两种混合存在 一旦溅射条件确定后 就可以得到较稳定的 薄膜 t a n 薄膜具有极好的稳定性 经测试其电阻变化率在1 0 年内仅为o 5 8 价电子分析表明t a n 的价电子结构位形为t a 6 s1 o 6 p1 8 7 3 8 5 d2 1 2 6 2 含晶 格电子 n 2 s1 0 2 p2 0 其中含有晶格电子 这是它导电并显示金属性的原 因 金属元素的5 d 电子和非金属元素的2 p 电子构成了共价电子的主要成分 它们 的相互作用使化学键具有共价性 另外 由于金属t a 和非金属元素构成化学键时 提供的价电子数目不同 两者之间势必有电子的转移或偏移 这样就显示一定的 离子性 总之 构成过渡金属氮化物t a n 化学键的成分是复杂的 既有占主导作 用的共价性成分 也有金属和离子成分 通过反应磁控溅射制备的氮化钽薄膜其氮含量对薄膜性能的影响很大 随着 氮分压的增加 薄膜中出现了不同的相 依次为1 3 t a t a 2 n 5 左右氮分压下 六 2 第一章前言 方t a n 1 0 左右氮分压下 和面心立方t a l n 1 5 左右氮分压下 同时薄膜的电 阻率也相应增加 2 0 氮分压下薄膜的电阻率将显著提高 转变为绝缘相 p 1 0 6 l lq c m 研究发现在5 左右的氮分压条件下 薄膜中主要生成六方t a 2 n 晶向 具有极好的稳定性 若需制得稳定性较好的薄膜材料 需要使薄膜中主要含有t a 2 n 晶体结构 9 1 h o n gs h e n 等 l o 采用直流反应磁控溅射研究了低阻1 孙j 薄膜制备工 艺 以g a a s 为基片 为了控制薄膜晶粒的取向生长 先在低功率 大n 2 a t 比条 件下沉积一层较薄的t a n 种子层 然后在高功率 小n 2 a r 比条件下沉积第二层 t a n 薄膜 所制备的t a n 薄膜电阻率为8 0 1 t f c m t r i e k k i n e n 等 l l 采用射频反应 磁控溅射法在单晶s i 基片上沉积t a n 薄膜 系统研究了n 2 a r 比对薄膜微结构的 影响 研究了不同结晶相的电阻率 认为n 2 a r 比为5 时制备的t a 2 n 相薄膜适 合制备电阻器 其t c r 为 1 0 3 p p m c 电阻率为3 0 0 9 f c m k r a d h a k r i s h n a n 等 1 2 采用直流反应磁控溅射研究了n 2 分压对t a n 薄膜电性能和微结构的影响 认为 n 2 分压控制在1 0 5 2 0 6 范围内可获得阻值稳定的 化学计量比为t a n 的薄膜 薄膜的t c r 随n 2 分压得增大而增大 方阻随基片温度的升高而降低 2 0 0 5 年 美国圣地亚国家实验的m l l o v e j o y 等 l3 研究了在不同生长气压下 氮化钽薄膜 具有不同的钽氮比例及不同的薄膜致密度 在一定范围内 当气压较低时薄膜生 长速率较慢 有利于形成致密的t a n 薄膜 由于钽原子半径比氮原子半径大得多 因此在较慢的生长速率下会形成低氮化合物 t a n 中x 小于o 5 时 薄膜的稳定 性较高 国内 早在上个世纪9 0 年代 人们就认识了氮化钽材料的优异电阻性能 但 其研究主要集中在t a n 薄膜的制备及性能研究方面 几乎未见有关氮化钽薄膜电 阻器研究及产品报道 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室的徐俊华等 1 4 采用磁控溅射制备t a n 薄膜 研究了不同氮分压条件下t a n 薄膜的成分 结构及 力学性能 结果表明 氮分压在0 2 x1 0 以p a 时 薄膜由正方结构的1 3 t a 和面心立 方结构的8 t a n 两相混合物组成 而氮分压在0 4 x1 0 1 0 8x1 0 1 p a 时 得到单 相六方t a n 结构 中国工程物理研究院的张琦 l5 采用直流反应非平衡磁控溅射技 术在单晶s i 1 0 0 基片和玻璃表面沉积氮化钽薄膜 测试了薄膜的结构 成分 电阻率和吸收光谱 研究了氮氩流量比变化对氮化钽薄膜的结构和电学性能的影 响 研究结果表明 随氮流量的增加 薄膜中依次生成六方结构的y t a 2 n 面心 立方结构 f e e 的6 t a n 体心四方结构 o c t 的t a n n 2 a r 比在0 2 0 8 的范围 内 t a 2 n 薄膜中只存在着 f e e 5 t a n 当n e a r 比大于l 时 t a 2 n 薄膜中 f e e 6 t 扒 和 b e t t a n 两相共存 t a 2 n 薄膜电阻率随n 2 a r 流量比增加而持续增加 电子科技大学硕 学位论文 当n 2 a t 比为1 2 时 薄膜变为绝缘体 1 2 2t a n 功率薄膜电阻器研究进展 国外 许多的研究机构和公司都投入了大量的人力 物力和财力对t a n 薄膜 电阻器的设计 制备进行了大量的 系统的研究 取得了较大的进展 目前已有 系列成熟的t a n 薄膜电阻器产品问世 美国t t 电子公司i r c 先进薄膜分公司利 用t a n 薄膜的自钝化性能 制造在高温下具有长期稳定性和准确性的薄膜电阻元 件 解决了镍铬铁薄膜电阻器存在的腐蚀问题 电阻器的使用频率最高达2 0 g h z v s w r 1 2 t c r 达到 2 5 p p 州 功率密度最高可达2 0 w m l n 2 1 6 美国技术 陶瓷公司 a t c 和r f 1 a b 公司生产的系列t a n 薄膜电阻器产品占据了全球薄膜 功率电阻器产品的大部分市场 l 7 1 其产品工作频率最高可达1 8 g h z 功率负荷可 达5 0 0 w m i c r o m e t r i c s 公司以及m i n i 系统公司在硅 石英 氧化铝等基片上制备 t a n 薄膜电阻器 l 引 其t c r 达到 1 0 p p m c 电阻范围为2 1 5 m r 2 使用温度范 围为 5 5 1 5 0 电阻器具有很好的抗热振 抗潮湿 耐高温环境能力 i b m 公司 t o ml e e 等 i9 对t a n 薄膜电阻器的表征 可靠性进行了系统研究 t a n 薄膜厚度 约为5 0 n m 方阻为5 8 6 0 d s q t c r 为 3 0 0 一3 5 0p p m c 美国d i c o n e x 公司利用 t a n 薄膜的自钝化性能 制造在高温下具有长期稳定性和准确性的薄膜电阻元件 解决了镍铬铁薄膜电阻器存在的腐蚀问题 电阻器的使用频率达到1 8 g h z v s w r 1 5 3 1 0 击q m 由此得到趋肤深度大于2 5 4 x1 0 5 米 低频下膜电阻 q 按以下方程计算 l 尺三 二一 3 2 wbf 其中l 为膜长度 w 为膜宽度 d f 为膜厚度 如果膜是十几微米厚的正方形 按方程 3 2 算得膜的面电阻就是r l 1 5q f i 以薄膜技术制作的电阻膜通常 为4 5 0 到2 2 5 0 埃 约为厚膜电阻膜厚度的几百分之一 使厚膜电阻膜显示趋肤效 应的趋肤深度 比薄膜的整个厚度都还要大 所以薄膜电阻膜要到高得多的频率 才显示趋肤效应 也就是薄膜电阻膜能在宽得多的频带上不受趋肤效应的影响而 保持常数电阻 微波功率电阻器的设计包含两个方面的内容 1 电阻器所能承受的功率负荷的设计 影响电阻器的功率负荷因素主要有 2 4 第三章t a n 微波功率薄膜电阻器的设计与性能仿真 基片材料的导热率 基片厚度 薄膜材料特性 薄膜面积 散热条件等 2 电阻器的微波频率特性设计 影响电阻器的微波频率特性因素主要有 基片的介电特性 电阻器结构尺寸 电极结构尺寸 本章主要针对以下几种微波功率电阻器进行了设计和性能仿真 电阻器t a n l 额定功率 1 0 0 w 使用频率 3 g h z 电阻器t a n 2 额定功率 3 0 0 w 使用频率 1 5 g h z 3 2 微波功率电阻器的设计 3 2 1 微波功率电阻器功率设计 本文选用t a n 薄膜材料作为电阻器电阻膜材料 基板材料采用b e o 陶瓷基片 表3 1 是氧化铍的典型物理性质 可以看出 氧化铍作为用于微波电路的基板材料 其性能优越 表3 1b e o 陶瓷的物理性质 器件的额定功率取决于散热 如果己知电阻膜在满功率下的最大允许温度 就需要决定采取什么措施使薄膜温度不超过这个值 以及这些措施对电阻电性能 带来何种限制 图3 1 是片式负载内的热通量 为建立基本热模型先假设以下三个 简化条件 1 元件生热在电阻膜内均匀分布 2 热流从电阻膜到元件底部作一维垂直流动 没有横向散开 假设元件底部温 度等于环境温度 即元件底部是热接地点 3 不存在对流热流和辐射热流 关于 1 实际电阻膜中电流大部分集中在膜边缘 膜电阻率越低越是如此 因此膜边缘发热多于膜中心 但是 因为电阻膜的长与宽远大于基板厚度 而且 电子科技大学硕 学位论文 射频应用中经常用到的电阻膜材料的电阻率不太低 所以可以认为 1 相当接近 事实 而且 电阻膜不是 渐尖 形状 因此沿电阻膜长度的每处膜宽度相同 每个宽度截面上耗散的功率也相同 关于 2 热确实有横向散开 不但有图3 1 虚线所示的电阻膜前沿散开 而且在膜两侧也有 因此条件 2 和 3 的假设 是保守的散热考虑 没有计入其他实际存在的散热途径 由于趋肤效应 射频下 电阻膜边缘会出现直流测试时不发生的热点 这一点需要在实际制备与测试中进 一步考察 o t 电阻膜基片 热流 图3 1 片式负载及其热通量 基于以上3 点假设 导出一维稳态热流基本方程 丁一乃 丁 p 三 3 3 k a 这里t 为电阻膜能承受的最高温度 t a 为环境温度 p 为电阻膜 需要耗散的功率 w d 为基板的厚度 m a 为电阻膜面积 m z k 为基板 导热率 w m 本论文中 假设器件在使用中的环境温度为2 0 采用厚度为l m m 的b e o 陶瓷基片 限制t a n 电阻薄膜的最高承受温度不超过1 0 0 比环境温度高了8 0 用氧化镀在1 0 0 时的导热率为2 0 0 w m 设定不同的薄膜电阻器使用额 定功率 将t a n l 的额定功率p i 1 0 0 w 及t a n 2 的额定功率p 2 3 0 0 w 代入式 3 3 得到在不同功率下电阻器t a n l 的电阻膜面积为6 5 r a m 2 电阻器t a n 2 的电阻膜面 1 w l l h l r 第三章t a n 微波功率薄膜电阻器的设计与性能仿真 积为1 9 m m 2 考虑到在实际应用中薄膜功率电阻器散热效果收受到薄膜质量 基 板散热质量及电极及引线接触点散热影响 在实际设计中要使设计值大于理论计 算值 3 2 2 电阻器的微波频率设计 在射频应用中 电阻器的等效电路比较复杂 不仅具有阻值 还会有引线电 感和线间寄生电容 其性质将不再是纯电阻 而是阻抗与感抗兼有 具体等效电 路如图3 2 a 所示 电路中接地的分布电容器体现了电阻器主体与接地面之间的电 容 因此这些电容值是导体与接地面之间间距的函数 输入 输出之间的电容器 体现了电阻器中的电能 由于电阻器上的电压降往往较明显 因此电容能量不可 忽略 而不是某根引线与接地面之间的电容 图3 2 片式电阻元件等效电路 从推导一段有损传输线的等效电路开始 这段传输线的输入导纳表达式为 y o c o t h 3 4 这里l 指传输线长度 y o 指传输线特性导纳 m 鼯 3 5 3 6 式中r l g 和c 分别是传输线每单位长度的电阻 电感 电导和电容 是角频率 对氧化铍之类的低损耗基板 g 通常远小于dc 因而可以忽略 为建 立这段短路传输线的集中参数等效电路 使用幂级数表达式 c o t h x l x x 3 x 3 4 5 这里 i x l 丌 取级数前两项 式 3 6 变为 2 7 电子科技大学硕士学位论文 上 j c o c r j l 3 r o 3 7 这就是图3 3 中线路的导纳 1 9 4 0 年代后期 伯德 h w b o d e 研究了r c 或r l 负载作阻抗匹配 3 1 1 1 9 5 0 年 范洛 r m f a n o 对伯德的成果进行了扩展 和通用化 推导出在 到c a o 的频率范围内试图匹配任何负载时 所能达到的匹 配程度受到的限制 3 2 负载的感抗在需要考察的最高频率下远小于电阻值 因此 可以完全忽略不计电感 为进一步简化 把低频定位为直流 把伯德的公式用于 图3 3 的电路 能达到的最好结果受到以下限制 刊扣 盖 8 以上数学表达式的含义可用文字叙述为 r 是失配造成的反射率 方程 3 1 0 l n 刨 左侧几何意义是函数曲线i f i 和横轴 之间的面积 元件匹配越好 反射率i 越 l l l 小 既i f i 的函数值大 把 3 8 式带入 3 7 式得到 卜脚缈 警 9 l nb l 方程 3 9 给出元件承受功率和曲线 l fl 与横轴 围城的面积之间能达到 的最佳折衷 给定电阻膜允许温升以后 加给元件功率越大 曲线下面积就越小 如果设反射率幅度lri 的值在直流到频带高端毛之间为常数 而在频带以外为1 2 8 第三章t a n 微波功率薄膜电阻器的设计与性能仿真 那么 给定电阻膜温升之后 功率 带宽乘积越大 元件的最低反射率幅度越高 即匹配越差 k 3 越高 反射率幅度越低 即匹配越好 一o 1 6 9 豫 i ri p 丽 3 1 0 3 1 0 式是最小反射率的理论推到结果 要实现这个值 匹配线路需要无 穷多个匹配元件 实际片式元件要受许多限制 主要包括以下6 项 1 器件尺寸只容得下一个 最多两个匹配元件 2 与负载电阻器相比不能忽略的寄生电感 3 元件电长度在一些工作频率上不够短 4 所用匹配元件的介电常数 导热率和机械尺寸有误差 5 电阻膜需经修建因而尺寸减小 才能达到预期阻值 6 电阻膜上面的保护层和陶瓷覆盖带来的寄生电抗 所以 电阻器件在指定频段上反射率幅度实际上大大高于 3 1 0 式算出的值 但此式仍可定性的运用与实际设计中 设计负载时一开始和电阻相似 要先从元 件长度减去输入接点和后端接地长度来确定匹配线路和电阻膜所占面积 这块面 积作用时热耗散 电阻膜 和容纳阻抗匹配网络 电阻膜必须满足以下要求 1 满足最高温度和老化指标 2 输入阻抗能用一个或两个电抗元件与外接线路匹配 3 给匹配网络留出足够的空间 上述三个条件互相影响 需要用计算机辅助设计 h f s s 利用有限元法反复 迭代才能同时满足 在电性能方面 片式元件包括切断的 不是无限大而是有限尺寸的 介质材 料作的基板 电阻膜上的保护覆盖层 电阻膜阻抗和外界线路阻抗相差很大 电 路连续性很差 因此需要阻抗匹配元件 即电阻器基板上连接电阻膜与引线的电 极部分 将电阻膜及电极部分看成是损耗很大的微带电路 元件对地总电容是 1 c f 2 厶1 二 3 1 1 7 z o m v 这里 为膜长度 厶为接点长度 z o m 为微带线特性阻抗 v 为群速度 推导 电阻元件的等效电路时 可以把电阻看成一段有损传输线 其有损传输线的导纳 矩阵是 电子科技大学硕士学位论文 l塑堡i lz o y l l lz o s i n h l l 一1 z os i n h7 l c o t h z o 3 1 2 图3 2 a 是有损传输线的p i 型等效电路 电长度y 小的时候 近似关系 t a n h s i n h y l y 成立 串联阻抗可以写成 乙y l z 并联阻抗可以写成 z 0 y l 2 2 1 4 r j c o l 2 222g j c o c 7 一 3 1 3 3 1 4 g l 上 j c o c l 22 这样等效电路就变成了图3 2 b 的等效电路 此等效电路里既有寄生电感又有 寄生电容 通过计算在一定频率下寄生电感及寄生电容 使i l d i c i 可以算出不同 膜长度下匹配网络 即电极部分 的长度 址 厶 詈 3 1 5 电极长度确定后 根据w h e e l e r 3 3 1 给出的计算微带线阻抗的公式 计算电极的 宽度 z o 一羔十c 钟警咿 矿 堡 其中 日 w 为微带线宽度 h 为介质材料的厚度 因此 根据式 3 1 5 及 3 1 6 就可以算出在微波功率电阻器不同使用频率下电极部分的长度及宽度 取z o 5 0q 1 4 3 m m l c o 3 m m v w 1 3 其中 w 为使用频率 t a n l 为3 g h z t a n 2 为1 5 g h z 1 3 为相位常数 r 为相对介电常数取为1 算出t a n l 的电极长 度为2 6 m m 电极宽度为2 m m t a n 2 的电极长度为2 m m 宽度为5 m m 3 0 第三章t a n 微波功率薄膜电阻器的设计与性能仿真 3 2 3 微波功率薄膜电阻器的设计结果 图3 4 及3 5 为设计得到的t a n l 及t a n 2 的结构图 对于t a n l 来说 额定功 率为5 0 w 较小 因此只取电阻膜一侧与上电极相连 此时电阻膜散热足够 t a n l 的电极长度与薄膜长度之和大于基板长度 因此改变电极的宽度 以达到电极部 分阻抗匹配 z i n 5 0q 对于t a n 2 来说 额定功率为3 0 0 w 较大 因此取电阻 膜与电极部分两面相连 以达到最好的散热效果 氍线彩 么 矗v 以如妇0 彩 如膨 二谤札批貂 兹籀 t 簇汐 獬 桫夥 彬 彤矽 秒磐缆 鞴黼辘磁缡酾貔燃砌貔磊濂锄施勰汹 越 下 l 山 k 1 j 卜2 黼 电阻膜电极基板 图3 4t a n l 电阻器结构示意图 电子科技大学硕士学位论文 卜 j h q 卜 o 鲻 一 昏3 j 一5 弓 口 u 电阻膜 电极基板 图3 5t a n 2 电阻器结构示意图 3 3t a n 微波功率薄膜电阻器性能仿真 a n s o f th f s s 是a n s o f t 公司推出的基于电磁场有限元方法 f e m 的分析微 波工程问题的三维电磁仿真软件 3 4 1 a n s o f lh f s s 以其无以伦比的仿真精度和可靠 性 快速的仿真速度 方便易用的操作界面 稳定成熟的自适应网格剖分技术 使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准 有限元方法是近似求解数理边值 问题的一种数值技术 最早由库仑特于1 9 4 3 年提出 5 0 年代应用于飞机的设计 在6 0 7 0 年代被引进到电磁场问题的求解 利用有限元方法求解微波工程问题流 3 2 第三章t a n 微波功率薄膜电阻器的设计与性能仿真 程如下图 幽36 利用有限元方法求解微波r 程问题流程方框图 鬲r 厂 f 罨 l 图3 7 运行h f s s 示意幽 电于科技大学硕士学位论文 2 设置求解类型 此处设置为d r i v e nm o d a l 模式 3 为建立模型设置合适的单位 保持默认值r n m 4 在3 d 窗1 3 中建立模型 如图3 8 所示 其中 银电极为二维矩形 t a n 薄 膜厚度设为3 0 0 n m 波端口宽度设置为电极宽度的6 倍 长度为b e o 基片厚度的 6 倍 空气盒长度及宽度等于基片宽度 高度为b e o 基片厚度的1 0 倍 图3 8 建立模型示意凹 5 设置各个材料参数 根据电阻值与电阻率的关系 r p 争 3 1 7 其中 r 为电阻器电阻值 l 为电流流经电阻膜的长度 s 为电流流经电阻膜 的横向面积 p 为薄膜材料电阻率 可知s l d 其中 1 为薄膜厚度 d 为电流流经 的横向宽度 根据不同电阻器俐薄膜的不同面积及电流流向方式 运用式 3 1 7 算出在 不同电阻值下薄膜的电阻率 其q t l r a n l 的电阻率为1 3 0 uo e r a t a n 2 的电阻率为 1 2 0 l af 2 e r a 设置b e o 及空气盒材料参数 选择软件中默认参数 6 设置需要的辐射边界及端口条件 t a n 微波薄膜电阻器的电极设为理想金届 边界条件 端1 3 w a v e p o r t 设为波端口 空气盒两侧外表面设簧为辐射边界条件 7 设置求解频率及扫频等操作 t a n l 的求解频率为3 g h z 扫频从1 1 3 h z 7 g h z 分3 5 步求解 t a n 2 的求解频率为2 g h z 扫频从1 g h z 3 g h z 分2 0 步求解 8 点击仿真按钮 求解当前工作 第三章t a n 微波功率薄膜电阻器的设计与性能仿真 9 根据仿真结果 创建s 参数及v s w r 报告 3 4 仿真结果与讨论 3 4 1t a n l 微波功率薄膜电阻器的仿真结果 图3 9 为电阻器t a n l 的仿真结果 由图可知 电阻器t a n l 的电压驻波比在 频率小于3 5 g h z 时不超过1 2 在3 5 g h z 时为1 2 4 使用频率为d c 3 5 g h z 在此频率范围内电阻器的反射系数s l l 小于 2 0 d b 并在2 5 g h z 时达到最低 3 3 d b 在d c 一3 5 g h z 频率内 电阻器的输入阻抗r e z i n 为5 6q 4 7q 在 f 2 1 g h z 时达到最大 5 6q 在f 3 5 g h z 使达到最小4 7q 电阻器的阻抗失 配度较小 8 a t a n l 的电压驻波比 v s w r 电子科技大学硕十学位论文 b t a n l 的s 1 1 c t a n l 的输入阻抗 z i n 图3 9 电阻器t a n l 的仿真结果 3 4 2t a n 2 微波功率薄膜电阻器的仿真结果 图3 1 0 为电阻器t a n 2 的仿真结果 由图可知 电阻器t a n 2 的电压驻波比在 第三章t a n 微波功率薄膜电阻器的设计与性能仿真 频率小于1 8 g h z 时不超过1 2 在2 g h z 时为1 2 4 使用频率为d c i 8 g h z 在 此频率范围内电阻器的反射系数s 1 1 小于 2 0 d b 并在o 8 g h z 时达到最低 4 3 d b 在d c i 8 g h z 频率内 电阻器的输入阻抗r e z i n 为5 1q 4 3q 在f i 8 g h z 时达 a t a n 2 的v s w r b t a n 2 的s 1 1 3 7 电子科技大学硕士学位论文 3 5 小结 c t a n 2 的输入阻抗 z i n 图3 1 0 电阻器t a n 2 的仿真结果 1 t a n l 的额定功率为1 0 0 w 其电阻膜面积为6 5 m m 2 t a n 2 的额定功率为 3 0 0 w 其电阻膜面积为1 9 m m 2 t a n l 的电极长度为2 6 m m 电极宽度为2 m m t a n 2 的电极长度为2 m m 电极宽度为5 m m 2 经仿真得到电阻器t a n l 的电压驻波比在频率小于3 5 g h z 时不超过1 2 在3 5 g h z 时为1 2 4 使用频率为d c 3 5 g h z 在此频率范围内电阻器的反射系 数s 1 1 小于 2 0 d b 电阻器的输入阻抗r e z i n 为5 6q 4 7q 电阻器的阻抗失配度 较小 8 3 经仿真得到电阻器t a n 2 的电压驻波比在频率小于1 8 g h z 时不超过1 2 在2 g h z 时为1 2 4 使用频率为d c 1 8 g h z 在此频率范围内电阻器的反射系数 s l l 小于 2 0 d b 电阻器的输入阻抗r e z i n 为5 1q 一4 3q 电阻器的阻抗失配度较 小 9 第四章t a n 微波功率薄膜电阻器的制备 第四章t a n 微波功率薄膜电阻器的制备 4 1t a n 微波功率薄膜电阻器的制备 如图4 1 为t a n 微波功率薄膜电阻器的制备流程图 图4 1t a n 微波功率薄膜电阻器的制备流程图 掩膜制备 采用精加工制备钼掩膜 电极制各 采用厚膜工艺制备a g 电极 制备工艺为 溅射气压 0 6 p a 溅 射功率 6 0 w 溅射时间 1 0 m i n t a n 薄膜制备 采用2 5 中最佳工艺条件制备t a n 薄膜 电阻器封装 采用m 质基板及b e o 陶瓷盖板封装产品 图4 2 所示为制备的的t a n 微波薄膜电阻器样品图片 电阻膜表面为氧化铝 3 9 电子科技大学硕士学位论文 陶瓷覆盖面 基板底部为钼制散热板 厚度为3 m m i 粪麓墨篡嚣 胁 蠢獯圈雪 a 制备的t a n 锻波功率电阻器样品m 封装后的t a n 微波功宰电阻器样品 圈4 吨t a n 微波功率电阻器图片 4 2 薄膜电阻器性能测试 42 1t a n 微波薄膜电阻器的功率测试 对不同类型的t a n 微波薄膜电阻器加上不同功率 测试其功率负荷 测试电 阻器表面不同处的温度可以得出 在电阻器安装孔处温度最高 为电阻罂的最热 点 测试参数为 加载功率 t a n l 为1 0 0 w t a n 2 为3 0 0 w 加载时间 2 4 h 测试工具 点温计 吉时利电源2 4 0 0 经测试 t a n i 在加载时间2 4 h 内 薄膜的最高温度不超过限定的最高温度1 0 0 为8 9 c 在测试时问内 电阻器电阻的变化不超过4 最高为5 2 0 认为 在此功率负荷下电阻器1 h n l 有效 t a n 2 在加载时间2 4 h 内 薄膜的最高温度不 超过限定的最高温度l 为9 t c 在测试时间内 电阻器电阻的变化不超过 2 最高为5 1q 认为在此功率负荷下电阻器t a n 2 有效 4 2 2t a n 微波薄膜电阻器的频率测试 本文测试负载反射的条件如下 1 测试板为铜质材料 介质常数为2 3 3 第四章t a n 微波功率薄膜电阻器的制各 2 测试板厚等于负载基扳厚 为l m m 3 测试板导体线宽为2 m m 折合成z 0 为5 0 欧姆传输线阻抗 4 测试仪器为安捷伦公司8 7 2 2 d 型矢量网络分析仪 5 为消除电缆街头和信号源 负载 被测器件之问不匹配的相互作用 使用标准 的通过一反射 传输线 t r l 系统来抵消嵌入 6 被负载前表面由水平力顶在测试板上实现机械固定 负载的导电连接带由垂 直绝缘棒压在测试板导体线上 连接带没有释放张力用的弧形 7 连接带长度为1 2 c a l l 图4 3 为测试反射的夹具 瞎 图4 3 测试反射夹具示意图 通过矢量网络分析仪测得不同t a n 微波薄膜电阻器的电压驻波比 v s w r 及s m i t h 圆图 如图年4 及图4 5 所示 f z 丘 二 1 亍 a t a n l 的v s 职 电子科技大学硕士学位论文 口n g k 虹 m m v 女 e i 辍 畸 e 0 32 嬲雩零箩黔 一 夕 7 一一 二淡 f f 蕊 过 一 b t a n l 的 m i n t h 圈 图4 4t a n i 的v s w r 测量图及s n l i n t h 图 仨阡竽阡干i 哥 j ie s 0 7 1 t k n a l y 8 t a n 2 的v s w r 第四章t a n 微波功率薄膜电阻器的制备 k 帅d 竹 酬i h m m 杷 t o 溅蕤 誉雩碧f 誊叠警 r 7 j 一 一登 二弋 浮泰 ff 一 一 季 乒 一 7 t 7 r j 歹i j 一 e j 一一j j 形 二 j 三多 b t a n 2 的s m i n t h 幽 幽45t a n 2 的v s w r 测量削及s m i n t h 图 根据图4 4 及4 5 知 在d c 3 g h z 范围内 t a n i 的电压驻波比 v s w r 不超过1 2 在2 g h z 时 电阻器的输入阻抗为4 82 5 6 0 寄生电感为15 06 0 p h 电阻器表现为感性 与5 0 q 微带传输线具有较好的匹配 在3 g h z 时 电阻器的 输入阻抗为4 22 1 5o 寄生电容为5 6 08 7 p h 电阻器表现为感性 此时显示出一 定的电阻失配 在d c 15 g h z 范围内 t a n 2 的电压驻波比 v s w r 不超过12 在l g h z 时 电阻器的输入阻抗为4 46 2 6 0 寄生电容为4 73 7 3 p f 电阻器表现为 容性 与5 0 q 微带传输线具有较好的匹配 在15 g h z 时 电阻器的输入阻抗为 3 92 8 2 0 寄生电感为3 2 77 9 p h 电阻器表现为感性 此时显示出一定的电阻失 配 t o n l 及t a n 2 的使用频率分别为d c 3 g h z d c 15 g h z 测试结果与仿真 结果基本相符 43 小结 1t a n i 在加载功率为1 0 0 w 加载时 日j 为2 4 h 时 薄膜的最高温度为8 9 c 电阻器的额定功率为1 0 0 w t a n 2 在加载功率为3 0 0 w 加载时间为2 4 h 时 薄膜 的最高温度为9 7 2 电阻器的额定功率为3 0 0 w 与设计结果一致 电子科技大学硕士学位论文 2 t a n l 在的使用频率为d c 3 g h z 在此频率范围内电阻器电压驻波比 v s w r 小于1 2 t a n 2 在的使用频率为d c 一 i 5 g h z 在此频率范围内电阻 器电压驻波比 v s w r 小于1 2 与设计结果一致 第五章结论 第五章结论 本文针对t a n 微波功率薄膜电阻器的薄膜性能和器件性能 研究了影响t a n 薄膜性能的各种制备参数 讨论了微波功率薄膜电阻器的