МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Мати – Российский государственный технологический университет имени к.Э. Циолковского»

Кафедра «Управление инновациями»

Расчет и конструирование прямоугольных резисторов и резисторов типа меандр тонкопленочных гис и микросборок

Методические указания к лабораторной работе по курсу

«Основы микроэлектроники»

Составитель: Епанешникова И.К.

Москва

УДК 621.385

ББК 32.844.1

Епанешникова И.К. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ РРЕЗИСТОРОВ И РЕЗИСТОРОВ ТИПА МЕАНДР ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГИС И МИКРОСБОРОК. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Основы проектирования электронных средств» М.: «МАТИ - РГТУ им.К.Э.Циолковского», 2014 – 12 с.

Лабораторная работа посвящена изучению вопросов конструирования и расчета тонкопленочных резисторов ГИС.

Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов заключается в определении формы, геометрических размеров и минимальной площади, занимаемой резисторами на подложке. Конструкцию резистора определяют по значению коэффициента формы. Порядок дальнейшего расчета зависит от формы резистора. Предложен расчет резистора прямоугольной формы, резистора типа "меандр" и резисторов повышенной точности с дискретной и лазерной подгонкой.

Введение

Гибридные ИМС (ГИС) представляют собой комбинацию пленочных пассивных электрорадиоэлементов с миниатюрными бескорпусными дискретными активными приборами, расположенными на общей диэлектрической подложке.

В настоящее время накоплен достаточный опыт в технологии микроэлектронных изделий, для того, что бы определить, какой из конструктивно - технологических вариантов больше всего соответствует данному типу схемы.

Наиболее подходит для изготовления по тонкопленочной технологии микросхемы, в которых число пассивных элементов намного превосходит число активных элементов. Большинство логических схем содержат значительное количество активных элементов, поэтому для их изготовления лучше использовать технологию полупроводниковых ИС. В тоже время и аналоговые схемы, состоящие обычно из множества пассивных компонентов и лишь нескольких транзисторов, лучше всего выполнять в виде гибридных ИС.

Основными конструктивными элементами и компонентами тонкопленочных ГИС являются: подложка, пленочные резисторы и конденсаторы, проводники и контактные площадки, навесные бескорпусные п/п приборы и микросхемы, навесные бескорпусные компоненты, корпус.

1.Краткие теоретические сведения по конструированию резисторов гис

Пленочные резисторы располагают на поверхности диэлектрической подложки. Конструктивно он состоит из резистивной пленки, имеющей определенную конфигурацию, и контактных площадок. При выборе материалов резистивной пленки рекомендуется стремиться к тому, что бы все резисторы одной подложки были выполнены из одного резистивного материала с одним и тем же удельным поверхностным сопротивлением ρ_s.

Удельное поверхностное сопротивление ρ_s пленки или любого другого слоя, например, диффузионного играет важную роль в расчетах, связанных с сопротивлением элементов различных конфигураций.

Рассмотрим квадрат резистивной пленки с удельным объемным сопротивлением ρ_o, толщиной d , со стороной l , шириной в, т.е. площадью поперечного сечения S, через которую протекает электрический ток.

Тогда из известного выражения:

(1)

можно получить выражение для удельного поверхностного сопротивления слоя ρ_s резистивного материала:

(2)

где - коэффициент формы резистора, заметим, что сопротивление квадрата резистивной пленки не зависит от размеров квадрата. Именно поэтому для характеристики резистивного слоя используют величину удельного объемного сопротивления ρ_о, отнесенного к толщине слоя, то есть удельное поверхностное сопротивление ρ_s, измеряемое в омах на квадрат поверхности. В этом случае сопротивление можно представить как произведение удельного поверхностного сопротивления на число квадратов со стороной b, укладывающихся по длине этой полоски.

В случае если , а так же в том случае, если в схеме имеются резисторы с номиналом ниже 200 Ом, все резисторы разбиваются на группы, выполняемые из разных материалов. Первым наносится резистивный материал с высоким удельным сопротивлением, а затем - с низким.

Расчет коэффициента формы К_ф резистора производится по формуле:

(3)

Рекомендуется ρ_s выбирать таким, чтобы К_ф>1. Допускается для низкоомных резисторов, имеющих большой допуск, коэффициент формы меньше 1, но не менее 0,2.

По значению К_ф выбирают форму пленочного резистора. При использовании свободной маски и 0,2 <К_ф<20 резисторы имеют прямоугольную форму (рис.1а, б), при К_ф>20 резистор состоит из последовательно соединенных резисторов. При использовании контактной маски или фотолитографии и при 0,2 <К_ф<50 резисторы имеют прямоугольную форму, а при К_ф>50 резисторы выполняются в виде "меандра" (рис 1в) илииз последовательно соединенных резисторов (рис 1г).

При масочном методе изготовления резисторов, изображенных на рис.1 в, г, расстояния между соседними резисторными полосками a должно быть не менее 300 мкм, длина резистивных участков 1 не должна превышать расстояние а более чем в 10 раз для обеспечения необходимой жесткости свободной маски.

Контактные площадки следует располагать с противоположных сторон резистора для устранения погрешности сопротивления проводящего и резистивного слоев (неточности при совмещении не изменяют длину резисторов).

а) Кф > 1

б) 0,2 < Кф < 1

г) Кф > 20 д) Кф > 50

Рис.1. Типовые конструкции пленочных резисторов

Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов заключается в определении формы, геометрических размеров и минимальной площади, занимаемой резисторами на подложке. Для резисторов, имеющих К_ф > 1, расчет базируется на определении расчетной ширины резистора, а затем определяют длину резистора.

При расчете резисторов типа меандр необходимо учитывать искажение электрического поля в изгибах, где плотность тока неравномерна.

С этой целью конструкцию резистора типа меандр (рис. 2) представляют в виде последовательно соединенных прямолинейных участков и изгибов:

(4)

где R_изг - сопротивление изгиба;

m - число изгибов;

1_пр - длина прямолинейного участка;

n - число звеньев меандра.

Для изгиба под прямым углом (рис.3а) R_{изг“Г”} =2.55* ρ_s ; для П-образного изгиба (рис. 3б) R_{изг“П”} =4* ρ_s

В качестве резистивных материалов тонкопленочных резисторов используют чистые металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением, а также специальные резистивные материалы - керметы, состоящие из частиц металла и диэлектрика (например, Сг и SiO) (табл. 1, 2). Сплавы имеют большее значение ρ_s по сравнению с пленками чистых металлов. На основе керметов получают высокоомные резисторы. Однако в связи с тем, что свойства керметных пленок в сильной степени зависят от технологических факторов, резисторы имеют плохую воспроизводимость номиналов и больший ТКС по сравнению с металлическими. Используется также большая группа металлооксидных сплавов системы хром-кремний, легированных небольшими добавками железа, кобальта, никеля и др., которые при сравнительно малом ТКС и высокой стабильности и воспроизводимости ρ_s, дают широкий диапазон номиналов. Наиболее часто используют сплавы PC-3001 и PC-3710.

Таблица 1