3152

Рисунок 3.2 – Конструкции тонкоплѐночного (а) и толстоплѐночного (б) резисторов прямоугольной формы: 1- резистивная плѐнка; 2 – плѐночный проводник; 3 – области контактов

Рисунок 3.3 – конструкции ПР сложной конфигурации

Рисунок 3.4 – Конструкция ПР со ступенчатой (а-в) и плавной (г-е) подгонкой

21

11.“Введите погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления, %.

12.“Введите номинальную мощность рассеяния, мВт.

По командам 9-12 вводятся значения R, R, s, P, согласно электрической схеме выданного задания.

13.“Выберите метод нанесения ПР”.

14.“Выберите номер выбранного метода”.

По командам 13 и 14 вводится порядковый номер метода. Метод выбирается после анализа исходных данных, по необходимой точности изготовления.

15. “Выберите другой материал, Кф 50”.

Команда 15 сообщает о необходимости выбора материала с большим s, так как Кф 50.

16.“Расчѐт ПР сложной формы типа меандр или в виде отдельных резистивных полосок, соединѐнных проводящими перемычками”.

17.“Желаете произвести расчѐт ПР типа меандр, ответьте ДА или НЕТ”.

По командам 16 и 17 необходимо выбрать желаемый и ПР сложной формы и ввести ответ соответственно ДА или НЕТ.

18.“Расчѐт ПР сложной формы в виде отдельных резистивных полосок”.

19.“Расчѐт ПР типа меандр”.

Команды 18 и 19 утверждают тип проектируемого ПР.

20.“Желаете изменить материал ПР, ответьте соответственно ДА или НЕТ”.

По команде 20 необходимо ответить: если желаете изменить материал – ДА, если необходимо произвести расчѐт резистора повышенной точности – НЕТ.

21. “Расчѐт резистора повышенной точности”.

Команда 21 утверждает расчѐт резистора повышенной точности при ответе “НЕТ” по команде 20.

23

22. “Вычислительный комплекс ИЗОТ желает Вам успешно сдать лабораторное задание”.

Команда 22 извещает об окончании проектирования ПР.

3.3 Проектирование плѐночных конденсаторов

Обкладки плѐночных конденсаторов (ПК) должны иметь высокую проводимость, коррозионную стойкость, технологическую совместимость с материалом подложки и диэлектрика конденсатора, термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР), близкий к ТКЛР подложки и диэлектрика, хорошую адгезию к подложке и диэлектрику, высокую механическую прочность.

Наиболее часто для обкладок ПК используется алюминий, который имеет плохую адгезию к подложке. Для предотвращения отслаивания нижней обкладки вначале напыляют подслой титана и ванадия. Верхняя обкладка, напыляемая на диэлектрик, не требует подслоя. Применение золота для обкладок не рекомендуется из-за высокой подвижности атомов и возможной диффузии сквозь диэлектрик, приводящей к короткому замыканию обкладок. Материал диэлектрика ПК должен иметь хорошую адгезию к подложке и материалу обкладок, обладать высокой электрической прочностью и малыми потерями, иметь высокую диэлектрическую проницаемость и минимальную гигроскопичность, не разлагаться в процессе формирования плѐнок. В качестве диэлектрических материалов наиболее часто используют моноокись кремния и германия. В табл. 3.1 приведены основные параметры диэлектрических материалов ПК. ПК представляет собой нанесѐнную на подложку 1 трѐхслойную структуру (рис. 3.6 а) из проводящих слоѐв 2 и 4, выполняющих роль нижней и верхней обкладок конденсатора, и слоя диэлектрика 3. Обкладки конденсатора могут быть прямоугольной формы (рис. 3.6 а), в виде пересекающихся проводников, разделѐнных слоем диэлектрика (рис. 3.6 б) и гребѐнки (рис. 3.6. в). Для прецизионных конденсаторов используют специальные конструкции (рис. 3.7), допускающие для подгонки поочерѐдное отсоединение секций ПК (рис. 3.7 а) с помощью резца манипулятора или луча лазера, подсоединение или отключение секций

(рис. 3.7 б) или разрезание проводника верхней или нижней обкладок в гребенчатой конструкции (рис. 3.7 в). При активной площади диэлектрика S 10 мм2 для реализации ПК с ѐмкостью С=10…103 пФ применяют конструкцию (рис. 3.6 а), в которой контур верхней обкладки вписывается в контур нижней, а несовмещение контуров обкладок не сказывается на воспроизведении ѐмкости. Распространение диэлектрика за контуры обеих обкладок гарантирует надѐжную изоляцию обкладок при их предельном несовмещении. Для ПК небольшой ѐмкости (десятки пФ) при S=5 10 мм2 целесообразна конструкция (рис. 3.6. б), в которой ѐмкость нечувствительна к смещению обкладок из-за неточности их совмещения. Для высокочастотных ПК при S<1 мм2 помимо прямоугольной формы применяют гребенчатую конструкцию (рис. 3.6 в), в которой обкладки имеют форму гребенчатых проводников, а диэлектрик является составным типа “подложка - воздух” или “подложка – диэлектрическое покрытие”. Современная технология позволяет получать тонкоплѐночные конденсаторы с ѐмкостью С=10 104 пФ, допуском С= (5 … 20) %, рабочим напряжением Up=6…15 В, температурным коэффициентом ѐмкости ТКС=(-0,2 … 5) С-1, добротностью 10…1000 и коэффициентом старения Кст=5 10-5 –1. При этом форма ПК может быть не только прямоугольной, но и фигурной для наилучшего использования площади подложки. Толстоплѐночные конденсаторы изготавливаются только прямоугольной (квадратной) формы для конденсаторов с ѐмкостью С=50…2500 пФ и допуском С= 15 %.

Автоматизированный расчѐт и конструирование ПК производится после изучения конструктивных разновидностей ПК, взаимосвязи параметров ПК с геометрическими характеристиками и свойствами применяемых материалов. Необходимо уяснить основные аналитические соотношения, характеризующие точность воспроизведения ѐмкости,

25

добротность и электрическую прочность ПК с простой прямоугольной и сложной формами, выполняемых методами тонкоплѐночной и толстоплѐночной технологии /4, с. 17-33/

При подготовке исходных данных для расчѐта ПК необходимо использовать условные обозначения и размерности согласно приложению 4 (программа “KOND”).

Программа “KOND” предназначена для расчѐта ПК двух конструктивных разновидностей: простого и подстраиваемого с гребенчатой верхней обкладкой. После входа в систему вызывается программа “KOND”. Структурная схема алгоритма расчѐта ПК представлена на рис. 3.8. На экране дисплея высвечивается утверждение вызова программы: «Вы работаете с программой расчѐта ПК “KOND”». По команде «Введите количество конденсаторов NN » необходимо ввести количество проектируемых ПК. Дальше осуществляется ввод исходных данных для расчѐта по соответствующим командам.

Рисунок 3.6 – Конструкции ПК с обкладками прямоугольной формы (а), в виде пересекающихся проводников (б) и гребѐнки (в)

Рисунок 3.7 – Конструкция подгоняемых ПК с отсоединением секций (а, б), подсоединением и отсоединением секций (в)

Необходимо уяснить команды, требующие вмешательства студента.

1.“Введите максимальную температуру окружающей среды, С.

2.“Введите погрешность воспроизведения линейных размеров обкладок, мм.

3.“Введите рабочую частоту ПК, Гц.

4.“Введите требуемое значение добротности.

5.“Введите погрешность масок, мм.

6.“Введите длительность эксплуатации ГИС.

7.“Введите коэффициент формы обкладок ПК.

8.“Введите номинальную ѐмкость n-го конденсатора, пФ.

9.“Введите погрешность ѐмкости, %.

10.“Введите рабочее напряжение, В.

11.“Введите погрешность воспроизведения удельной ѐмкости, %.

12.“Введите величину удельного сопротивления материала обкладок, Ом.

По командам вводятся исходные данные согласно принципиаль-

13.“Выберите материал диэлектрика” –по этой команде необходимо выбрать соответствующий материал из таблицы, которая высвечивается на экране дисплея, и ввести порядковый номер.

14.“Желаете изменить материал или произвести расчѐт гребенчатого ПК, ответьте соответственно “0” или”1”. Команда 14 представляет возможность при желании изменить материал диэлектрика или рассчитать гребенчатый ПК”.

“Расчѐт ПК типа “Гребѐнка” – утверждение выбора ПК типа гребѐнка”.

15.“Вам необходимо выбрать другой материал с большим значением диэлектрической проницаемости или применить навес-

ной дискретный конденсатор”. Команда извещает, что при S>1000 мм2, необходимо выбрать другой материал или применить навесной дискретный ПК.

16.“Если желаете изменить материал, введите “Л”, в противном случае – “0”. По вашему выбору будет изменѐн материал или применѐн навесной конденсатор.

17.“Выберите из справочника навесной дискретный конденсатор”. По этой команде необходимо выбрать навесной конденсатор из таблиц, применение ПК нецелесообразно.

18.“Выбрать материал с другим значением тангенса угла диэлектрических потерь”. Команда 19 подсказывает, что расчѐтное значение добротности меньше требуемой.

19.“Желаете изменить материал или применить ПК повышенной точности. Введите соответственно “0”или “1”. По команде 20 можно осуществить расчѐт ПК повышенной точности или выбрать другой материал с меньшим ТКС и меньшим коэффициентом старения.

20.“Вычислительный комплекс ИЗОТ желает Вам успешной сдачи лабораторной работы”. Команда 21 извещает об окончании проектирования ПК.

29

3.4 Проектирование плѐночных проводников и контактных переходов

Материалы проводников и контактных площадок должны иметь малое удельное сопротивление, хорошую адгезию к подложке, высокую коррозионную стойкость. Самым распространѐнным материалом тонкоплѐночных проводников и контактных площадок в ГИС повышенной надѐжности является золото с подслоем хрома, нихрома или титана. Подслой обеспечивает высокую адгезию, а золото – нужную проводимость, высокую коррозионную стойкость, возможность пайки, сварки. Толщина золотых плѐночных проводников обычно составляет 0,5 … 1 мкм. В аппаратуре с менее жѐсткими требованиями к надѐжности в качестве проводников используют плѐнки меди или алюминия с подслоем хрома, нихрома или титана. Для предотвращения окисления меди и обеспечения условий пайки или сварки еѐ покрывают никелем, золотом или серебром. Для пайки медные контактные площадки целесообразно облуживать погружением схемы в припой, при этом остальные плѐночные элементы должны быть защищены.

Алюминий обладает достаточно высокой коррозионной стойкостью и может использоваться как с защитным покрытием никеля для обеспечения возможности пайки, так и без него, если присоединение навесных компонентов и внешних контактов осуществляется сваркой. Толщина медных и алюминиевых проводников равна 1 мкм, а толщина никелевого или золотого покрытия обычно составляет десятые – сотые доли микрометра.

В табл. 3.2 приведены основные параметры токопроводящих материалов, подслоя и покрытия, а в табл. 3.3 – параметры диэлектрических материалов, применяемых для защиты элементов тонкоплѐночных ГИС. Следует различать многослойную разводку от многоуровневой, когда создаѐтся система коммутации элементов и компонентов ГИС в несколько этажей (уровней), разделѐнных слоем диэлектрика. В каждом из уровней разводка может быть многослойной.

31

Таблица 3.2 – Параметры многокомпонентных систем проводников и контактных площадок тонкоплѐночных ГИС

Таблица 3.3 – Электрофизические параметры материалов, применяемых для защиты элементов тонкоплѐночных ГИС

Пасты для проводников и контактных площадок толстоплѐночных ГИС выбирают по табл. 3.4.

Табл. 3.4 – Удельное поверхностное сопротивление резистивных паст

Проводники, расположенные в нижнем слое при многослойной разводке соединений, не должны находиться под резисторами, подгоняемыми лазерным лучом. Минимальный размер круглого отверстия в межслойной изоляции для соединения двух уровней – 0,6 мм, квадратного отверстия – 0,5х0,5 мм.

Контактная площадка под переходом должна быть удалена от других элементов не менее чем на 0,3 мм. Пересечение проводников в однослойной разводке выполняют с помощью проволочных пере-

мычек (рис. 3.9 г, 3.9 б).

33

Рисунок 3.9 – Конструкции перемычек при однослойной разводке ГИС: (а) - проволочные и (б) – плѐночные

Проволочные перемычки используют в случае навесных компонентов с гибкими выводами, а плѐночные – с жѐсткими выводами. При этом размеры контактных площадок плѐночных перемычек должны быть на 0,2 мм больше ширины перемычки (рис. 3.9 б) с каждой стороны.

Плѐночные контакты являются наиболее распространѐнными элементами ГИС. По типу образуемого перехода плѐночные контакты делятся на две группы: контактные пары “резистивная плѐнка” – “низкоомная проводящая плѐнка” и контактные пары из двух низкоомных плѐнок. Задачи расчѐта контактных переходов возникают, главным образом, в первой группе плѐночных контактов, то есть при проектировании плѐночных резисторов. Приступая к автоматизированному проектированию плѐночных проводников и контактных переходов, необходимо ознакомиться с физическими и технологическими факторами, определяющими переходное сопротивление между резистивными и проводящими плѐнками, уяснить связь между этими факторами при однородных и неоднородных полях в зоне контакта

/5, с. 1-10/.

Для этого, необходимо изучить структурную схему алгоритма автоматизированного проектирования плѐночных контактов (рис.3.10). Используя условные обозначения и размерности параметров плѐночных контактов (приложение 4, условные обозначения и

размерности параметров в программе), подготовить исходные данные

34

для расчѐта контактов, учитывая результаты проектирования плѐночных резисторов.

Программа для расчета пленочных контактов предназначена для конструктивного расчета пленочных контактов простой (прямоугольной) формы, гантелевидной и фигурной конфигурации в диалоговом режиме.

После входа в систему вызывается команда “Runme.exe ” . При этом на экран дисплея выводится подтверждение вызова программы. Для перехода в основное меню нажмите “Enter”. Клавишами ” ” и ” ” выберите пункт основного меню “Расчет контактных площадок” и нажмите “Enter”.

Далее осуществляется ввод исходных данных для расчета по соответствующим запросам программы.

1.“Введите вашу фамилию и номер группы”.

2.“Введите имя файла результата”.

3.“Введите количество резисторов, для которых необходимо рассчитать пленочные контакты ”.

4.“Введите номинальное сопротивление i-го резистора, Ом”.

5.“Введите максимальное значение переходного сопротивления i-го резистора в процентах от номинального значения сопротивления резистора ”.

6.“Введите сопротивление квадрата резистивной пленки i-го резистора в ом/ٱ”.

7.“Введите удельное переходное сопротивление контактного

слоя * для i-го резистора, Ом/мм2 ”.

8.“Введите геометрические размеры i-го резистора, мм”.

9.“У вас были ошибки при вводе ? 1-да / 0-нет”. По запросам 4...8 вводятся R, Rдоп , *s , *, L и B (смотри 1, 2, 6). При наличии ошибок при вводе по запросам 4...8необходимо ввести “1” в ответ на запрос 9. В этом случае ввод данных повторяется. При отсутствии ошибок

Начало

Ввод исходных данных

Расчет R REAL, L MIN , LK

Да RDOP<

PMIN

Увелич. ширины

Расчет br1,Rmin1,R

вводится “0” и программа продолжит работу.

10.Расчет прямоугольного контакта”.

11.“Расчет гантелевидного резистора”.

12.“Расчет фигурных контактов”.

13.“Создан файл результатов”. Команда 13 извещает об окончании работы программы и создании файла результата расчета пленочных контактов.

3.5Проектирование пленочных катушек индуктивности

Пленочные катушки индуктивности (ПКИ) выполняются в виде плоских спиралей проводящего материала, наносимого на изоляционную или ферритовую подложку. Конструкция ПКИ приведена на рис.3.11, основные варианты топологии на рис.3.12.

Рисунок 3.11 - Конструкция пленочных микроиндуктивностей

При проектировании ПКИ необходимо учитывать следующие факторы.

Главным фактором, определяющим индуктивность L одновитковой спирали, является площадь, заключенная в ее плоскости. При условии, что связь между витками достаточно сильная, индуктивность возрастает как квадрат числа витков N; поперечные размеры проводников относительно слабо влияют на индуктивность, но существенно определяют добротность; при одинаковых геометрических размерах квадратная спираль имеет индуктивность примерно на 1215% выше круговой, уступая при этом на 10% по добротности.

38

б г Рисунок 3.12 - Топология пленочных микроиндуктивностей:

При наличии экранов или металлических пленок вблизи микроиндуктивностей необходимо оценить степень снижения величин добротности и индуктивности ПКИ из-за потерь в экране/5, с.10-13/. На рис.3.13 приведено изменение отношения добротности катушки при наличии экрана Q , к ее добротности без экрана Q в зависимости от расстояния l между ПКИ и экраном для катушки разного диаметра D2. Сплошные линии соответствуют “толстому” экрану (десятые доли мм) из латуни или алюминия, штриховые – “тонкому” (доли мкм) из алюминиевой пленки.

Если металлический элемент ГИС располагается на расстоянии от катушки, меньше ее диаметра D2, то он уменьшает также магнитное поле ПКИ, что приводит к снижению ее индуктивности. На рис. 3.14 приведена зависимость отношение индуктивности с экра-

ном L к ее индуктивности L0 без экрана для катушек с разным диа-

39

метром D2. Сплошные линии соответствуют “толстым” экранам из латуни, алюминия, ковара в виде пластины, размер которой существенно превышает диаметр ПКИ; штриховые

линии – тонкой сплошной пленке, толщиной порядка 0,5 мкм, нанесенной на изоляционную подложку, расположенную на расстоянии l от катушки.

При расчете считаются заданными:

1)величина индуктивности L;

2)величина добротности Q;

3)рабочая частота f;

4)размеры ПКИ А и B (стороны спиральной прямоугольной катушки, мм);

5)материал проводника;

Расчет производится в следующем порядке.

1.При наличии экранов из металлических пленок вблизи ПКИ, пользуясь графиками рис.3.13 и 3.14 оценивается снижение добротности и индуктивности.

2.Выбирается форма спирали

3.Выбирается внутренний диаметр ПКИ D1=0,5мм.

5.Определяется шаг спирали

где К1 –коэффициент, определяемый формулой