Высокочастотный диэлектрический резонатор и раствор для его химического меднения

 

Использование: изобретение относится к радиотехнике высоких частот, в частности к фильтрам с полосой пропускания в области сотен и более Мгц. С целью удешевления и упрощения изготовления предлагаются: 1. Высокочастотный диэлектрический резонатор, состоящий из керамической основы полой цилиндрической формы, металлизированный слоем меди, на который наносится защитный проводящий слой из никеля, отличающийся тем, что керамическая основа имеет состав CaTiO₃ - LaAlO₃, толщина слоя меди 1,7-1,9 мкм, а толщина защитного проводящего слоя из никеля 0,4-0,6 мкм; 2. Раствор для его химического меднения по п.1, содержащий медь сернокислую, гидроокись натрия и формалин, отличающийся тем, что осаждение ведут из раствора состава, г/л: медь сернокислая 10-15; сегнетовая соль 50-60; гидроокись натрия 10-15; никель хлористый 2-3; натрий углекислый 2-3; тиосульфат натрия 0,5-1,0 мг; формалин 10-15 мл/л. 2 с.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к радиотехнике высоких частот, в частности к фильтрам с полосой пропускания в области сотен и более Мгц.

Для указанного применения фильтр представляет собой коаксиально высверленный цилиндр из диэлектрической керамики, металлизированный с внутренней поверхности, а также одного из торцов серебром, которое наносится методом вжигания из серебряной пасты [1] Помимо того, что используется дорогостоящий, особенно в свете сегодняшнего времени, материал, приведенный способ не позволяет получать металлизированное покрытие достаточно однородным по толщине, особенно на внутренней поверхности, диаметр которой составляет 1-2 мм при длине в 15-25 мм. В свою очередь неоднородность металлизации приводит к ухудшению характеристик резонатора, в частности к увеличению коэффициента затухания К.

В качестве прототипа выбран наиболее близкий по существенным признакам к заявляемому изобретению диэлектрический резонатор, представляющий собой цилиндрической формы керамическую основу, имеющую состав BaTiO₃ - SnO₂, металлизированную слоем химически осажденной меди, толщиной ≈ 0,2 мкм, и далее наносится защитный проводящий слой из никеля [2] Раствор химического меднения включает в себя медь сернокислую, трилон Б, гидроокись натрия и формалин. Конкретный количественный состав не сообщается, как и не сообщается раствор для электролитического доращивания слоя меди. Поскольку конкретные свойства резонатора такие, как добротность Q, полоса пропускания F, коэффициент затухания К зависят и от физических свойств самой керамики, ее геометрических размеров, и от свойств металлизированного покрытия например, электропроводности осадка и его равномерности, то для сравнения конкретных свойств резонатора, изготовленного по прототипу и по заявляемому изобретению, необходимо реальное выполнение устройства самим заявителем. Проведенные эксперименты показывают, что для резонаторов, например, в области частот 400-1200 Мгц, когда внешний и внутренний диаметры резонатора из керамики составляют соответственно 8,0 и 2,5 мм при длине 20 мм, описанным в прототипе способом невозможно обеспечить равномерность осадка внутри из-за так называемого эффекта затемнения, характерного для металлизации сквозных отверстий с отношением диаметра к длине 1/4-1/5 и менее. При этом толщина электролитического осадка в середине отверстия много меньше чем у его краев. Указанная неравномерность металлизации резонатора приводит к ухудшению его характеристик коэффициент затухания, определяемый как К 101g(P₁/P₂), где P₁ подводимая мощность, P₂ - прошедшая, находится в диапазоне 7-10 дБ и более, тогда как по условиям эксплуатации он не должен быть больше 5. Если же использовать только химическое меднение из известных сегодня растворов, то невозможно получить из одного раствора слой меди с хорошей проводимостью толщиной 5 мкм из-за низкой стабильности известных растворов химического меднения. Так, например, стабильность известных трилоновых растворов меднения при их непрерывном использовании не превышает 30-40 мин, а толщина слоя осадка за это время не превышает 0,6 мкм [3] что недостаточно для ограничения рассеяния СВЧ-излучения. Использование же серебряной пасты является дорогостоящим выходом из положения.

Таким образом, весьма актуальным является разработка диэлектрического резонатора и раствора для его химического меднения без использования драгметаллов и одновременно удовлетворяющим техническим требованиям промышленности, в частности для систем кабельного телевидения на частоты 400-1200 Мгц, что и является целью заявляемого изобретения.

Для достижения поставленной цели предлагается высокочастотный диэлектрический резонатор из керамической основы полой цилиндрической формы, металлизированный слоем меди, на который наносится защитный проводящий слой из никеля, при этом керамическая основа имеет состав CaTiO₃ - LaAlO₃, толщина слоя меди 1,7-1,9 мкм и толщина защитного проводящего слоя никеля 0,4-0,6 мкм. Раствор для химического меднения содержит, г/л: Медь сернокислая CuSO₄·5H₂O 10-15 Сегнетовая соль KNaC₄H₄O₆·H₂O 50-60 Гидроокись натрия NaOH 10-15 Никель хлористый NiCl₂·6H₂O 2-3 Натрий углекислый Na₂CO₃ 2-3 Формалин (37%-ный раствор) 10-15 мл/л H₂CO формальдегида 6%-ного метилового спирта Тиосульфат натрия Na₂S₂O₃ 0,5-1,0 мл/л При комнатной температуре раствора скорость осаждения составляет 200 А/мин. Керамическая основа предварительно подвергается стандартной подготовке [3] включающей в себя очистку в моющем растворе, промывку в проточной и дистиллированной воде, сенсибилизацию в растворе хлористого олова и активирование в растворе хлористого палладия. Защитный слой никеля осаждается также химическим осаждением, но уже из известного раствора [3] г/л:
Никель хлористый NiCl₂·6H₂O 25
Натрий уксуснокислый NaOH₃COO 10
Гипофосфат натрия NaH₂PO₂·2H₂O 25
Гидразин N₂H₄H₂SO₄ 10
при температуре 65^oC. Скорость осаждения составляет ≈ 180 А/мин. Изготовленный таким способом диэлектрический резонатор имеет коэффициент затухания 3,9.

Изобретение может быть проиллюстрировано несколькими примерами, представленными в таблице, из которых видно, что оптимальными толщинами слоев меди и никеля на резонаторе, а также составам раствора для осаждения меди являются параметры, приведенные в примерах 1-5.

Поскольку используются только методы химического осаждения, то один из торцов резонатора после всех операций освобождается от слоев меди и никеля их сошлифовыванием либо осаждение проводится на резонатор с предварительно защищенным торцом лаком типа ХСЛ.

Новым в изобретении является то, что керамическая основа имеет состав CaTiO₃-LaAlO₃, толщина слоя меди 1,7-1,9 мкм и толщина защитного проводящего слоя никеля 0,4-0,6 мкм, а также раствор для его химического меднения с низким включением посторонних примесей (CuO, Cu(OH)₂ и т.д.), которые приводят к уменьшению электросопротивления медного слоя и соответственно к улучшению свойств резонатора. Именно за счет этого и достигается положительный эффект.

Общими признаками заявляемого технического решения и известного является то, что высокочастотный диэлектрический резонатор состоит из керамической основы полой цилиндрической формы, металлизирован слоем меди, на который наносится защитный проводящий слой из никеля.

Установлена оптимальная толщина медного слоя в 1,7-1,9 мкм, что значительно меньше рекомендуемой теорией [1, 2] толщины в 1,5-2, о толщины скин слоя, величина которого для меди при частотах 500-700 Мгц составляет 5-7 мкм. Такое отличие можно объяснить либо неточностью теоретических оценок, либо тем, что получаемое медное покрытие является малодефектным с очень высокой электропроводностью. Слой меди осаждают из раствора, который готовят следующим образом. Предварительно растворяют расчетное количество Na₂S₂O₉, NaOH, KNaC₄H₄O₆ и Na₂CO₃ приблизительно в половине необходимого количества дистиллированной воды. В другой половине объема растворяют CuSO₄ и NiCl₂, приготовленный раствор небольшими порциями вливают в первый. Последнюю смесь фильтруют, доводят до нужного объема и вводят в нее H₂CO. Далее определяют и корректируют рН и приступают к работе.

Пример конкретного осуществления. Берут навески NaOH, KaNaC₄O₆, Na₂CO₃ и Na₂S₂O₃ в количестве 13,0 55,0 2,5 г и 0,75 мг, растворяют их в 400 мл дистиллированной воды. Далее навески CuSO₄ и NiCl₄ в количестве 13,0 и 2,5 г растворяют в 200 мл H₂O и малыми порциями вливают в ранее приготовленный объем. Затем раствор фильтруют, доводят объем до 1 л и вводят 10 мл H₂CO. После этого приступают к осаждению на керамическую основу CaTiO₃ LaAlO₃ размером d_внутр. 2,5 мм, d_внеш. 8 мм и длиной 20 мм, которая предварительно была подвергнута стандартной обработке: очистке в моющем растворе, промывке в воде, сенсибилизации в растворе SnCl₂ и активированию в растворе PdCl₂. За 90 мин осаждается медное покрытие толщиной 1,8 мкм, на которое после промывки в H₂O и активирования осаждают слой Ni толщиной 0,5 мкм. Защитное никелевое покрытие осаждают из стандартного раствора, который приведен выше. При отклонении толщин металлизированных слоев меди и никеля на резонаторе, а также отклонении составов раствора меднения от заявляемых пределов характеристики высокочастотного диэлектрического резонатора ухудшаются (примеры 6-13).

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет изготавливать диэлектрические резонаторы для высокочастотных фильтров в области частот 400-1200 Мгц с приемлемыми характеристиками.

Литература
1. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. М. Высшая школа, 1990 (аналог).

2. Патент США N 4 688 925 от 26.05.1987 (прототип).

3. Шалкадскаc М. Вашнялись А. Химическая металлизация пластмасс. Л. Химия, 1985, 144 с.

Формула изобретения

1. Высокочастотный диэлектрический резонатор, состоящий из керамической основы полой цилиндрической формы, металлизированной слоем меди, на который наносится защитный проводящий слой из никеля, отличающийся тем, что керамическая основа имеет состав CaTiO₃ LaAlO₃, толщина слоя меди 1,7 1,9 мкм, а толщина защитного проводящего слоя из никеля 0,4 0,6 мкм.

2. Раствор для химического меднения высокочастотного диэлектрического резонатора, содержащий медь сернокислую, гидроокись натрия и формалин, отличающийся тем, что осаждение ведут из раствора состава, г/л:
Медь сернокислая 10 15
Сегнетовая соль 50 60
Гидроокись натрия 10 15
Никель хлористый 2 3
Натрий углекислый 2 3
Тиосульфат натрия 0,5 1 мг/л
Формалин 10 15 мл/лм

РИСУНКИ

Рисунок 1