ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р2_1_м

40

– исключать П-образные конструкции резисторов. Ориентировочно при площади резисторов до 20 мм2 ёмкость

Сне превышает (1– 0,3) пФ.

4.4Плёночные конденсаторы ГИС

4.4.1 Введение

Основные оценочные параметры плёночных конденсаторов гибридных ИМС определяются в первую очередь такими параметрами применяемых диэлектриков, как диэлектрическая проницаемость отн, критическая напряжённость электрического поля Екр, диэлектрические потери в форме тангенса угла потерь tgδ. По названным параметрам диэлектрики либо не уступают, либо превосходят собственные и компенсированные полупроводники. Технологические размеры диэлектрических плат ГИМС более чем на порядок превосходят размеры кристаллов полупроводниковых микросхем и допускают исполнение конденсаторов с площадью обкладок до 1 см2. Поэтому в плёночном исполнении могут быть реализованы конденсаторы емкостью до (0,005–0,2) мкФ при рабочих напряжениях (20–30) В и добротности до (500–1000) единиц. Технологический разброс и эксплуатационные изменения ёмкости плёночных конденсаторов составляют (2–10) % и могут быть понижены конструктивными и структурными способами. Определённым недостатком плёночных структур является несовершенство формы поверхности плёнок, проявляющееся в образовании микронеровностей, локально снижающих толщину диэлектрических промежутков между обкладками и обуславливающих пробой при напряжениях ниже расчётных для средней толщины диэлектрика. Это обстоятельство определило отказ от применения многослойных плёночных структур конденсаторов, с одной стороны, а с другой стороны — ограничивает минимальнодопустимую толщину диэлектрика hд.

Применение конденсаторов в цифровой микроэлектронике ограничено сопутствующими функциональными узлами, к которым следует отнести генераторы, фильтры, развёртывающие уст-

42

водов конденсаторов на рисунках 4.7, б, г и характеризуется отсутствием вклада размеров выводов в площадь перекрытия обкладок S. Площадь перекрытия обкладок S в этих конструкциях (при соответствующих напусках) не зависит от погрешности совмещения обкладок.

В топологических конфигурациях, изображённых на рисунках 4.7, в и 4.8, следует учитывать вклад от перекрытия вывода от верхней обкладки с нижней обкладкой в суммарную ёмкость конденсатора.

Емкость трёхслойного конденсатора определяется по формуле общего вида:

где Сп — удельная погонная емкость вследствие влияния краевого рассеяния электрического поля;

Р — периметр площади перекрытия обкладок.

Второе слагаемое в формуле (4.41) при типовых отношениях Р∙hд/S<<1 пренебрежимо мало и может не учитываться при А≈В ≥

≥ 0,2 мм.

Ёмкость гребенчатого конденсатора (см. рис. 4.9) определяется по формуле

44

бражённым на рисунках 4.7, в, г и 4.8.

На сравнительно низких частотах, когда выполняется условие

(1/ωС) >> (r1 ≈ r2),

плотность тока между обкладками «равномерна» вдоль измерения А конденсатора. На этом частотном участке можно полагать, что сопротивление каждой из обкладок составляет 1/3 от сопротивления на постоянном токе и общее сопротивление обкладок равно 2∙А/3∙В.

На высоких частотах, когда имеет место неравенство

(1/ωС) << (r1 ≈ r2),

удалённые от вывода части обкладки выключаются для ёмкостного тока, что, в свою очередь, соответствует сокращению активной площади конденсатора. Длину участка Ас обкладки, на котором происходит спад плотности тока на порядок, можно оценить по формуле

где R□ — поверхностное сопротивление материала обкладок. Аналитическое описание спада плотности перетекающего

между обкладками конденсатора тока от расстояния до вывода представляется гиперболическими функциями с определяющей экспонентой вида

I(x) ≈ Io∙exp (– 2,5∙x/Ac).

С учётом допустимого ограничения изменения плотности тока уровнем (10–20) % и соответственно снижения эффективной площади обкладок и снижения ёмкости, можно представить зависимость между допустимой длиной Адоп обкладки конденсатора и граничной частотой применения конденсатора Fгр соотношением

45

Снижение эффективной площади конденсатора эквивалентно снижению отношения между реактивной и активной составляющими сопротивления конденсатора на повышенных частотах и, следовательно, снижению добротности Q конденсатора. Выражение (4.44) может быть применено для оценки допустимого удаления периферийных участков обкладок от их вывода по учёту влияния сопротивления обкладок. В пределах размера обкладки, определяемого формулой (4.44), сопротивление потерь в обкладках определяется по формуле

Потери в плёночном конденсаторе П определяются суммой потерь в обкладках и в диэлектрике, представляемыми выражением следующего вида:

где tgδд — тангенс угла потерь в диэлектрике; принимается по справочным данным материала. Через коэффициент потерь П определяется добротность конденсатора Qс:

Справочные значения tgδд в основном не отражают частотной зависимости потерь в диэлектрике. Поэтому оценки полной добротности конденсатора добротности весьма приблизительны и подлежат экспериментальной проверке.

Рабочее напряжение Uр плёночного конденсатора определяется напряжением пробоя межобкладочного слоя диэлектрика Р по формуле общего вида для пробоя диэлектриков:

в которой Кз = (2–4) — коэффициент запаса по пробою. Допустимое относительное отклонение ёмкости конденса-

тора δC представляется суммой производственного отклонения δCп и эксплуатационного отклонения δCэ.

46

Эксплуатационное относительное отклонение δCэ определяется температурными δСt и временными (старение δCст) изменениями. Температурный коэффициент емкости ТКЕ с учетом того, что линейное расширение обкладок и диэлектрика полностью подчиняется расширению материала подложки, можно определить по выражению

αс = 2αп + αε – α д,

где αп — справочный температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР материала подложки (удвоение αп объясняется изменением измерений А и В);

αε — справочный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости материала диэлектрика;

αд — справочный температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР материала диэлектрика (при расширении диэлектрика емкость уменьшается).

Относительное температурное изменение ёмкости определяется по формуле

в которой ∆T — температурный интервал применения конденсатора.

Для заданного температурного диапазона применения ∆T, определив эксплуатационную погрешность δCэ = δСt + δCст, можно определить допустимую относительную производственную погрешность:

По выражению (4.49) определяется соответствие требований проектированию конденсатора без принятия мер компенсации эксплуатационного отклонения. При (δC – δCэ) ≤ 0 для удовлетворения требований по точности исполнения необходимо применять меры по подгонке ёмкости конденсатора после его изготовления. При (δC – δCэ) > 0 допустимое производственное отклонение представляется через составляющие производственных отклонений по следующему выражению:

48

Элементы подгонки при прочих равных условиях снижают добротность конденсатора, повышают частотную зависимость сопротивления, повышают трудоёмкость изготовления микросхемы. Как вариант решения проблемы коррекции номинала следует рассматривать параллельное включение отдельных конденсаторов, часть из которых используется в качестве секций подгонки.

Учитывая сравнительно низкие значения удельных ёмкостей плёночных конденсаторов, в проектировании ГИМС с ёмкостными элементами следует рассматривать альтернативное применение навесных конденсаторов.

4.4.3 Функциональные параметры конденсаторов ГИМС

Проектными параметрами плёночных конденсаторов являются:

–рабочее напряжение конденсатора Uр, В;

–номинальная ёмкость С, пФ;

–допустимое относительное отклонение ёмкости δC;

–допустимый температурный диапазон ∆Т, град;

–временной интервал эксплуатации конденсатора ∆Тв, час;

–допустимые потери (добротность Q) в конденсаторе;

–граничная частота конденсатора Fгр, Гц.

К проектированию конденсаторов необходимо подготовить перечень исходных ограничений, в число которых включаются:

–перечисленные функциональные параметры;

–абсолютные технологические допуски на формирование линейных размеров (∆L, ∆hд), совмещение слоёв (∆C), относительный технологический допуск удельной ёмкости (δСуд) или диэлектрической проницаемости δεд;

–ограничения на электрофизические свойства материалов

(R□, отн, tgδ, Екр, ТКЕ, коэффициент старения или интегральный по времени эксплуатации допуск δСст) доступных в принятой технологии производства конденсаторов.

4.4.4 Материалы тонкоплёночных конденсаторов

В производстве тонкоплёночных конденсаторов применяются материалы электрофизические, параметры которых приведены в таблице 4.10. В таблице приведены совместимые с диэлектрической плёнкой материалы обкладок.

49

Таблица 4.10 — Параметры материалов тонкоплёночных конденсаторов