Рекомендована література

1. Прищепа М. М. Мікроелектроніка. В 3 ч. Ч. 1. Елементи мікроелектроніки [Текст]: навч. посіб. / М. М. Прищепа, В. П. Погребняк. / За ред. М. М. Прищепи. – К.: Вища шк., 2004. – 431 с.: іл.

2. Прищепа М. М. Мікроелектроніка. Елементи мікросхем. Збірник задач. [Текст]: навч. посіб. / М. М. Прищепа, В. П. Погребняк. / За ред. М. М. Прищепи. – К.: Вища шк., 2005. – 167 с.: іл.

3. Ермолаев Ю. П., Пономарев М. Ф., Крюков Ю. Г. Кострукции и технология микросхем: Учебник для вузов / Под ред. Ю. П. Ермолаева.- М.: Советское радио, 1980.- 256 с., ил.

4. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование: Учеб. Пособие для вузов по спец. “Конструирование и производство радиоаппаратуры” и “Конструирование и производство электронно-вычислительной аппаратуры” / Коледов Л. А., Волков В. А., Докучаев Н. И. и др.; Под ред. Л. А. Коледова, - М.: Высш. Шк., 1984.- 231 с., ил.

5. Матсон Э. А., Крыжановский Д. В. Справочное пособие по конструированию микросхем.- Минск : Выш. школа, 1982, -224 с., ил.

6. Пономарев М. Ф., Коноплев Б. Г. Конструирование и расчет микросхем и микропроцессоров: Учебное пособие для высших учебных заведений. М.: Радио и связь, 1986 , - 176 с., ил.

Розділ 7. Розрахунки і проектування конденсаторів

7.1. Короткі теоретичні відомості

7.1.1. Плівкові конденсатори

Конденсатори інтегрованих мікросхем бувають плівкові, МДН і дифузійні (на основі p-n-переходів).

Плівкові конденсатори мають, здебільшого, трьохшарову структуру (рис. 7.1,а), що складається з двох провідникових обкладинок, розділених діелектричною плівкою. Такі конденсатори конструюють для створення ємності від 20 до 5000 пФ. Конденсатори меншої ємності конструюють у вигляді гребінчатої структури (рис. 7.1,д) з одностороннім розміщенням обкладинок; ємність у таких конденсаторів утворюється через діелектрик підложки і захисного покриття. Конденсатори ємностю більшою 5000 пФ є, як правило, компонентами.

Ємність плоского конденсатора визначають за формулою

,

(7.1)

де - відносна діелектрична проникність діелектрика; Ф / м ; S_п- площа перекриття обкладинок; d – товщина діелектрика; C_П- питома погонна ємність за рахунок крайового ефекту; P – довжина периметра перекриття обкладинок. Крайовий ефект необхідно враховувати за S_п < 5 мм² .

Питома ємність діелектричного шару

.

(7.2)

Ємність гребінчатого конденсатора

,

(7.3)

де - коефіцієнт, що залежить від ширини плівкових провідників і відстані між ними; - розрахункове значення діелектричної проникності; - діелектричні проникності навколишнього середовища і підложки; L - довжина спільної межі провідників.

Температурний коефіцієнт ємності (ТКЕ) _с з урахуванням того, що лінійне розширення обкладинок і діелектрика цілком визначається коефіцієнтом лінійного розширення матеріалу підложки, розраховуть за формулою

,

(7.4)

де - ТКЛР матеріалу підложки (подвоєння пояснюється зміною як l так і b); -ТК діелектричної проникності матеріалу діелектрика; -ТКЛР матеріалу діелектрика (при розширенні діелектрика ємність зменшується).

Добротність Q конденсаторів, або обернена їй величина залежить від утрат в матеріалі діелектрика і в металевих елементах конструкції

;	(7.5)
,	(7.6)

де - еквівалентний опір утрат змінному струму; - еквівалентний опір обкладинок; r_b - опір виводів.

За умов розміщення виводів з протилежних боків конструкції конденсатора

,

(7.7)

де R=R₀l/b - опір однієї обкладинки конденсатора на постійному струмі.

Тангенс кута діелектричних утрат низкочастотних конденсаторів залежить від втрат в діелектричній плівці і, практично, не залежить від розмірів і конфігурації обкладинок конденсаторів. При конструюванні конденсаторів, що працюють на частотах вищих 10 МГц, рекомендується робити обкладинки прямокутними з виводами, розташованими з протилежних боків, і вибирати ширину виводів, рівною ширині обкладинок.

Для розрахунків конденсаторів повинні бути задані зі схемотехнічних розрахунків: ємність конденсатора С_i; відносна похибка ємності конденсатора ; максимальна робоча напруга конденсатора U_pi; робоча частота f_i; тангенс кута діелектричних утрат або добротність Q_i; умови експлуатації (термін експлуатації t_д, робоча температура T) і інші вимоги й обмеження, сформульовані в ТЗ.

Розрахунки конденсаторів проводять в такій послідовності: вибір матеріалів діелектрика і провідникових обкладинок; вибір методів нанесення шарів і формотворення; розрахунки конденсаторів; вибір форми конденсаторів і остаточне визначення розмірів конструкції.

Вибір матеріалів конденсаторів. Матеріали діелектричних плівок повинні мати хороші ізоляційні властивості, високу діелектричну проникність , малий , високу електричну міцність E_пр, достатню хімічну стійкість, ТКЛР матеріалу діелектрика повинен бути близьким до ТКЛР підложки (для усунення напруг і мікротріщин), високу відносну часову і температурну стабільність. Матеріал діелектрика вибирають з урахуванням вартості і дефіцитності, сумісності технології нанесення діелектричного шару з технологією нанесення провідникових обкладинок. Матеріали діелектричних плівок і їхні електрофізичні характеристики наведені в табл. Д.2.1.

Вибір матеріалу діелектрика зводиться до визначення власне матеріалу і вибору значення С₀. Вибирають матеріал із найбільшим значенням С₀, що необхідно для зменшення розмірів за одночасного задоволення вимог електричної міцності:

,

(7.8)

де K_з = (2…4) - коефіцієнт запасу електричної міцності; U_p - робоча напруга конденсатора.

Матеріали обкладинок конденсаторів повинні мати високу електропровідність і малу міграційну здатність атомів, хімічну стійкість. Найповніше ці вимоги задовольняє алюміній, який широко застосовується. Товшина алюмінію приблизно 0,5 мкм, що відповідає R₀ = 0,05-0,07 Ом/. У якості провідних обкладинок товстоплівкових конденсаторів використовують провідні пасти (табл. Д.1.3).

Вибір методів нанесення шарів і формотворення. При незалежності операцій формотворення контуру і нанесення діелектрика, вибір матеріалів і методів визначає відносну виробничу похибку або відносну виробничу дисперсію значення ємності конденсатора

;	(7.9)
,	(7.10)

де - відносна похибка питомої ємності C_0, залежить від ряду технологічних чинників і є характеристикою конкретного технологічного процесу . Розподіл описується нормальним законом із відносним середнім квадратичним відхиленням ; - відносна похибка площі перекриття обкладинок конденсатора, залежить від обраного методу формування малюнка і конструкції конденсатора.

У процесі експлуатації мікросхеми ємність плівкового конденсатора змінюється як під дією температури,так і в результаті старіння матеріалів. Відносну похибку ємності конденсатора під дією температури визначають за формулою

,

(7.11)

де T_max- максимальна робоча температура мікросхеми.

Відносна похибка ємності конденсатора, що є наслідком старіння діелектрика

,

(7.12)

де -коефіцієнт старіння діелектрика за 1000 годин за робочої напруги на конденсаторі; t_д - термін експлуатації мікросхеми.

Для матеріалів з однонаправленою зміною властивостей, розподіли похибок ємності під впливом температури й у результаті старіння характеризуються математичними чеканнями m_CT, m_CCT і _CT, _ССТ . Для матеріалів із двознаковою зміною властивостей відносні середньоквадратичні відхилення ємності під дією температури й у результаті старіння для нормального закону розподілення похибок , .

Допустиму відносну похибку конденсаторів _СД або дисперсію похибки визначають за формулами:

СД = С0 + S + CT + CCT ;	(7.13)
.	(7.14)

Якщо відносна похибка ємності конденсатора із схемотехнічного розрахунку _Сi > _СД, то в заданих умовах виробництва можна виготовити конденсатори заданої точності без підстроювання і підгонки.

Допустиму відносну похибку _SДi або дисперсію похибки площі перекриття обкладинок для розрахунків конденсатора, визначають за формулами:

SДi = Ci - C0 - CT - CCT;	(7.15)
,	(7.16)

де (для нормального закону); - сума відносних систематичних похибок.