Наноконденсатор: новый подход к получению унифицированных керамических емкостных элементов


PDF версия

В настоящее время потребность в конденсаторах чрезвычайно высока — доля всех производимых устройств, приходящаяся на емкостные элементы, составляет 25%. Причем, как известно, существующие типы конденсаторов (керамические, ионисторы, оксидно-полупроводниковые) не могут заменить друг друга из-за различия в емкости, электрической прочности диэлектрика, температурной стабильности, а также тангенса угла диэлектрических потерь. Наибольший интерес среди всех пассивных элементов представляют, несомненно, керамические конденсаторы, ввиду их большой диэлектрической прочности, малых частотных и температурных потерь.

Керамические конденсаторы разделяют на три основных типа, в зависимости от перечисленных выше параметров.

Конденсаторы 1-го типа предназначены для использования в резонансных контурах и других цепях радиоэлектронной аппаратуры. Для них важным условием являются малые диэлектрические потери (при частоте 1 МГц tgσ ≤ 6∙10–4); высокая стабильность емкости, или низкое значение ТКЕ (наиболее широкое применение имеют диэлектрики М750 на основе оксида титана TiO2); высокое удельное сопротивление (ρ > 1011 Ом∙см).

Конденсаторы 2-го типа — низкочастотные конденсаторы для использования в цепях фильтрации и блокировки. К ним предъявляются требования по высоким значениям диэлектрической проницаемости с немонотонной ее зависимостью от температуры, высокой стабильностью емкости (ТКЕ = ×100%, где ΔС — допустимое изменение емкости в рабочем диапазоне температур); tgσ ≤ 3,5∙10–2; удельным сопротивлением ρ ≥ 109 Ом∙см.

Для данного типа конденсаторов принята следующая международная классификация диэлектриков:

– NPO: ε < 75; ТКε ≤ 30∙10–6, температурный интервал эксплуатации –55…125°С;

– X7R: ε = 1000—4000, диэлектрическая проницаемость не изменяется более чем на 15% в температурном интервале –55…125°С;

– Y5V: ε = 10000—15000, диэлектрическая проницаемость не изменяется в температурном диапазоне –30…85°С более чем на 22—56% от значения при 25°С.

Конденсаторы 3-го типа применяются для работы в тех же цепях, что и низкочастотные пассивные элементы, но имеют по сравнению с ними несколько меньшее значение сопротивления изоляции и большее значение тангенса угла диэлектрических потерь, что ограничивает область их применения низкими частотами — полупроводниковая керамика с барьерными или оксидными слоями.

Наряду с керамическим конденсаторами широкое применение получили конденсаторы с оксидным диэлектриком (Al2O3; Ta2O5; Nb2O5) (см. рис. 1). По величине диэлектрической проницаемости оксидные пленки уступают керамике, но превосходят ее по значениям электрической прочности: в то время как для керамики на основе оксида титана электрическая прочность не превышает 0,1 МВ/см, для пленок оксида алюминия достигнуто значение 5 МВ/см. Однако к недостаткам подобного вида устройств можно отнести полярность устройств, ограниченный частотный и температурный диапазон эксплуатации, сложность конструкции, высокую стоимость материала анодов (Ta, Nb), испарение катодного материала — жидкого диэлектрика — и связанное с этим уменьшение емкости в течение времени эксплуатации устройства.

Рис. 1. Устройство танталового оксидного конденсатора

Однако существующие технологические производства керамических конденсаторов не позволяют создавать компактные конденсаторы с высокой емкостью.

Тем не менее достигнуть большой емкости удается в случае суперконденсаторов или ионисторов, т.к. их емкость реализуется без участия диэлектрика. В основе принципа действия ионисторов — формирование на границе двух фаз двойного электрического слоя (ДЭС) тонкого (молекулярной толщины) слоя за счет двух пространственно разделенных слоев электрических зарядов разного знака. По этой причине изделия данного типа охватывают диапазон емкостей до 100 Ф. Высокая емкость устройства обусловлена применением материалов электродов с высокоразвитой поверхностью, таких как модифицированные активированные угли, в поры которых проникают ионы диссоциированных молекул электролитов, обеспечивающие формирование ДЭС. Ионисторы могут стать резервными или основными источниками энергии в различных технических устройствах. Однако существенным недостатком ионисторов является низкое рабочее напряжение (до 6 В), сложность конструкции, высокая стоимость используемых электролитов (RbAg4I5 — ионный суперпроводник). Стоит отметить, что существующие ионисторы не поддаются компактированию ввиду необходимости заданного объема пористого материала, формирующего «электроды» конденсатора.

Использование пассивных элементов емкости как в интегральной микроэлектронике, так и в дискретных пассивных элементах делает необходимым получение унифицированных компактных конденсаторов, т.е. пассивных электронных компонентов с как можно более широким диапазоном характеристик.

Основной идеей создания сверхъемкого керамического конденсатора нового поколения стала необходимость совместить в одном изделии все преимущества перечисленных типов устройств — сделать универсальный конденсатор с возможностью его применения как во многих областях микроэлектроники, так и в электроэнергетике в качестве силового конденсатора. Керамические материалы характеризуются высокой диэлектрической проницаемостью, низким значением потерь и ТКЕ на высоких частотах; оксидные диэлектрики — высокой электрической прочностью, а в ионисторах реализован принцип использования пористых материалов с развитой поверхностью. Почему бы не объединить все эти качества в одном устройстве?

Так, исследовательская группа нашей компании провела разработку унифицированной технологии получения нового класса конденсаторов, сочетающего в себе достоинства керамических, электролитических конденсаторов и ионисторов.

Увеличить емкость конденсатора можно тремя основными способами — за счет использования диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости, уменьшением толщины слоя диэлектрика и большой поверхности обкладок.

В качестве основы для создания конденсатора (и одной из обкладок) нами рассматриваются различные пористые подложки — анодированный алюминий, пористый кремний, пористые углеродные материалы и т.д., но наиболее перспективным, на наш взгляд, является графит и материалы на его основе, такие как графитовая фольга из терморасширенного графита.

Почему графит?

Это электропроводящий материал, который может служить обкладкой. Он обладает развитой открытой пористой структурой, что позволяет увеличить емкость, а также высокой теплопроводностью, что исключительно важно для устройств, работающих в высокочастотном режиме. Графит радиационно-стоек, отличается необходимым комплексом физико-механических характеристик, а главное — широко распространен и как следствие дешев. К уникальным свойствам графита также следует отнести инертность и термостабильность до 450°С в окислительных средах и до 1000°С — в вакууме.

Электронная фотография структуры графитовой фольги представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Электронная фотография микроструктуры графитовой фольги

Удельная поверхность материала составляет несколько десятков м2/г. При модификации поверхности графита получается ряд уникальных материалов (см. рис. 3), которые могут стать основой для улучшения характеристик емкостных устройств.

Рис. 3. Электронная фотография оксидных столбчатых структур на поверхности графита

Другой перспективный материал — анодированный алюминий — также обладает пористой структурой, причем упорядоченной (см. рис. 4). Поверхность пор образована диэлектриком — оксидом алюминия, что затрудняет использование материала в качестве обкладки конденсатора. Для того чтобы добиться значений удельной поверхности, характерных для графитовой фольги, необходимо 200-мкм анодирование алюминия (при диаметре поры 100 нм). Это долгий, сложный и дорогой процесс. То же самое касается и пористого кремния, за исключением того, что он образует проводящие структуры (при условии легирования исходного материала).

Рис. 4. Микроструктура анодированного алюминия

Гораздо больший интерес для создания конденсатора представляют проводящие кремниевые структуры (см. рис. 5), получаемые методом скользящего углового осаждения (GLAD — Glancing Angle Deposition). Они обладают большой удельной поверхностью (несколько сотен м2/г) и открытой упорядоченной пористой структурой.

Рис. 5. Микроструктура тонкой пленки, полученной технологией GLAD

Графитовая фольга не обладает упорядоченной структурой, но ее физические характеристики, простота получения и низкая стоимость делают ее основой нашей разработки.

От природы диэлектрика зависят основные электрофизические свойства конденсатора. Мы не стали использовать керамику с высоким значением диэлектрической проницаемости (увеличение емкости в устройстве осуществляется за счет поверхности), т.к. электрическая прочность таких материалов низкая, а цена, наоборот, высокая. Кроме того, сегнетоэлектрики не отличаются стабильностью емкости и малыми диэлектрическими потерями.

Диэлектриком в нашем случае является композит оксида титана (в модификации — рутила) с оксидом алюминия в аморфной модификации. Толщина слоя диэлектрика — несколько десятков нм, при этом рабочее напряжение конденсатора 20 В, что достигается благодаря оксиду алюминия. За счет оксида титана повышается общая диэлектрическая проницаемость композиции (см. рис. 6), улучшаются частотные характеристики.

Рис. 6. Емкостные характеристики диэлектрических композитов на основе оксида титана и оксида алюминия

Главной технической задачей по созданию керамического конденсатора высокой удельной емкости был процесс нанесения диэлектрика на всю развитую поверхность материала. Решением стал метод атомно-слоевого осаждения (Atomic Layer Deposition), или метод молекулярного наслаивания (МН). Основы данной технологии были разработаны в нашей стране в 1980-е гг. Процесс заключается в подаче газообразного прекурсора в рабочую камеру установки, его адсорбции на поверхности подложки, подачи гидролизующего агента, который при взаимодействии с адсорбированным прекурсором образует молекулу диэлектрика на поверхности. Нанесение заданной толщины диэлектрика состоит из большого числа повторяющихся циклов, поэтому толщину слоя можно регулировать с точностью 1 нм (см. рис. 7).

Рис. 7. Схема метода молекулярного наслаивания

Принцип построения конденсатора на основе упорядоченно-пористой диэлектрической платформы показан на рисунке 8.

Рис. 8. Построение емкостного элемента на основе структурированной пористой системы (анодированный алюминий, GLAD-подложки, PVD-ALD-платформы)

Вторая обкладка конденсатора также наносится методом атомно-слоевого осаждения и представляет собой тонкую конформную пленку нитрида титана на поверхности предварительно напыленного слоя диэлектрика. Напыление диэлектрика и «обкладки» происходит в одном технологическом цикле при подаче в камеру различных прекурсоров. Следует отметить, что данный метод решает серьезные проблемы производства керамических конденсаторов — обжиг диэлектрика (материал получается необходимой модификации без дополнительной термической обработки) и вжигание обкладки из благородного металла в поверхность диэлектрика.

Таблица 1. Сравнение конденсаторов различных типов фирм — производителей Bargan Technology, Murata, CAP-XX

Параметры

Ёмкость, мкФ

8000

100

75000

Рабочее напряжение, В

20

6,3

4,5

Удельная емкость, мкФ/мм3

320

12

96

Удельная энергия, Дж/см3

100

0,238

0,97

Размеры, мм

5,5×5,5×1

3,2×1,6×1,6

20×15×2,6

Возможность работы на высоких частотах

да

да

нет

Цена, руб.

160

50—80

510

Преимуществом конструкции «пористая обкладка-диэлектрик-обкладка» перед существующими многослойными керамическими конденсаторами является отсутствие высокочастотных шумов, обусловленных тепловым расширением диэлектрических слоев при работе в высокочастотном режиме. В настоящее время это актуальная проблема для таких гигантов конденсаторостроения как фирма Murata. Для того чтобы увеличить емкость керамического конденсатора, необходимо увеличить число чередующихся проводящих и диэлектрических пластин, что, в свою очередь, увеличивает интенсивность «паразитных» шумов. При создании конденсатора на пористой графитовой подложке слой диэлектрика один и весьма тонкий, а графит за счет своей высокой теплопроводности отводит выделяющееся в системе тепло.

Проведем сравнение нашего конденсатора с зарубежными аналогами по основным эксплуатационным параметрам и стоимости изделия. Поскольку целью нашей работы было создание универсального конденсатора, способного удовлетворять нуждам как микроэлектроники, так и электроэнергетики, для сравнения взяты лучшие керамические конденсаторы, представленные на рынке (Murata, по нашей классификации — конденсаторы 2-го типа) и электролитические конденсаторы CAP-XX.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *