ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р2_1_м

50

Диэлектрический слой конденсаторов должен иметь высокое значение диэлектрической проницаемости, низкое значение tgδ, высокую химическую стойкость, высокое качество адгезии к смежным в структуре материалам, сравнимые коэффициенты ТКЛР слоёв структуры.

Материал обкладок для достижения повышенных добротностей конденсаторов, наряду с хорошей адгезией, стойкостью к образованию химических соединений, пониженной миграционной подвижностью атомов, пониженной по сравнению с диэлектрическим материалом температурой формирования слоя, должен иметь высокую электропроводность. Согласно данным таблицы 4.9, наиболее распространённым является алюминий. Применение в качестве нижней обкладки тантала исключительно связано со спецификой танталовой технологии при использовании в качестве диэлектрика Т2О5.

4.4.5 Проектирование тонкоплёночных конденсаторов

При площади перекрытия обкладок 5 мм2 и более, по рабочему напряжению Up определяется необходимая толщина диэлектрика:

hД ≥ Kз∙Up/Екр,

где Кз = 2 4 — коэффициент запаса; принимается в зависимости от условий эксплуатации (чем более жесткие условия, тем большее значение принимает коэффициент).

Минимальная толщина диэлектрика, таким образом, ограничивается электрической прочностью, а максимальная — возможностями пленочной технологии. Чаще всего толщина диэлектрика находится в пределах от 0,3–0,5 до 1 мкм.

По толщине и диэлектрической проницаемости определяется удельная ёмкость Суд:

51

По заданной номинальной ёмкости С и значению Суд определяется необходимая площадь S перекрытия обкладок конденсатора:

S = C/Cуд.

По верхней рабочей частоте Fp и сопротивлению R□ обкладок рекомендуемой таблицей структуры по формуле (4.44) определяется граничное значение длины в перекрытии обкладок Адоп. Принимается размер А ≤ Адоп и определяется необходимая ширина В перекрытия обкладок конденсатора:

Если значение В < A, то производится взаимная замена значений размеров А и В с целью снижения сопротивления обкладок и достижения более высокого значения добротности конденсатора.

По значениям длины A, ширины B площади перекрытия обкладок учётом технологических погрешностей определяется относительное проектное отклонение ёмкости конденсатора δCпр от номинального значения по формуле

где δCуд — погрешность воспроизведения удельной емкости (составляет 5–10 %;

δСt = αс∙∆T — температурная погрешность емкости;

δCСТ — погрешность емкости, обусловленная старением тонкопленочных конденсаторов (не превышает 2–3 %).

Если выполняется условие

δС ≥ δCпр,

то выбор размеров по заданным ограничениям электрической прочности, номинального значения ёмкости и относительной погрешности считается завершённым. В противном случае проверяется выполнение неравенства

52

ипринимается решение об увеличении толщины диэлектрика hД

иповторении расчёта размеров для коррекции составляющих (∆В/B + ∆L/A) в выражении (3.50) в сторону снижения.

Если неравенство (4.50) не выполняется, то необходимым является переход к конструкциям с подгонкой номинала ёмкости или применению компонентного исполнения. При прочих равных условиях, как отмечалось ранее, составляющие (∆В/B + ∆L/A) минимизируются при выполнении условия А = В = √S, если иные ограничения это условие не исключают.

Потери в конденсаторе определяются по формуле (4.46) с

учётом (4.44, 4.45).

Если допустимая норма потерь не задана или согласуется с проектной оценкой, то проектирование конденсатора полагается завершённым и может исполняться эскиз топологии конденсатора.

Впротивном случае анализируется причина несоответствия конденсатора по вносимым потерям. Если определяющее влияние на потери оказывают обкладки конденсатора, то предпринимается коррекция длины А в сторону уменьшения с одновременным увеличением размера В и повышение толщины плёнок обкладок. Иначе необходимо рассматривать возможность применения иных материалов слойного состава конденсатора. И в одном

ив другом случаях должны повторятся оценки погрешности исполнения конденсатора из-за изменения размеров А и В.

Геометрические размеры топологических слоёв конденсатора определяются по размерам верхней обкладки (Ав, Вв) с учетом технологических погрешностей линейных размеров и совмещения формулам:

для нижней обкладки:

Ан = Ав + (2–4)∙(∆L + ∆C); Вн = Вв + (2–4)∙(∆L + ∆C), (4.55)

для слоя диэлектрика:

Ад = Ан + (2–4)∙(∆L + ∆C); Вд = Вн + (2–4)∙(∆L + ∆C). (4.56)

53

При расчете конденсаторов с площадью перекрытия обкладок до (1–5) мм2 следует оценивать влияние краевого эффекта, корректируя размеры обкладок с учётом выражения (4.41).

С учетом краевого эффекта для получения заданной емкости конденсатора необходимо уменьшить площадь перекрытия S. Соответствие расчётных оценок погрешности и потерь фактическим значениям для таких размеров ухудшается.

4.4.6 Подгоняемые плёночные конденсаторы

Конструкции конденсаторов со ступенчатой подгонкой ёмкости изображены на рисунке 4.12. Вследствие опасности замыкания обкладок плавная подгонка конденсаторов не применяется. Ёмкость ступенчато подгоняемых конденсаторов для исключения угрозы замыкания обкладок при подгонке изменяется в сторону уменьшения за счет исключения отдельных секций.

Проектирование подгоняемого конденсатора направлено на расчёт площади и размеров не подгоняемой секции конденсатора Sн, площадей Sc, размеров секций ступенчатой подгонки и числа секций подгонки n.

Выбор размеров основывается на следующих расчётных отношениях:

–к проектированию конденсатора материалы структуры выбраны, определены сопротивление R□ обкладок и значение Суд;

–определяется длина А и ширина В верхней обкладки конденсатора по формулам (4.52), (4.44) и производственное отклонение ёмкости δСп определяется по формуле (4.53) для заданного номинального значения ёмкости конденсатора С;

–определяется полное расчётное значение ёмкости вместе с секциями подгонки по формуле Ср = С∙ (1 + δСп);

–определяется число секций подгонки n = δСп/ δС. Примечание. Полученное число секций n округляется в

сторону завышения до целого значения:

– определяется ёмкость отдельной секции подгонки: Сc =

=2∙С∙δС;

–определяется ёмкость неподгоняемой части конденсатора Сн по формуле Сн = Ср – n∙Cc;

–определяется площадь секции подгонки: Sc = Cc/Cуд;

54

–определяется линейный размер секции подгонки квадратной формы: Ас = Вс = √Sc;

–определяется площадь неподгоняемой части конденсатора: Sн = Cн/Суд;

–определяется размер ширины В неподгоняемой части конденсатора по формуле В = Sн/А.

Добротность или потери подгоняемого конденсатора по влиянию обкладок секций, как уже отмечалось, ухудшаются. Учитывая, что емкость неподгоняемой секции составляет в тонкоплёночных конденсаторах до 80 %, можно полагать, что добротность конденсатора в первом приближении определяется в основном добротностью неподгоняемой секции. Оценка потерь (добротности) неподгоняемой секции выполняется по формуле

(4.47) с учётом (4.44).

По результатам расчёта размеров обкладок по перекрытию с применением формул (4.52), (4.53) доопределяются размеры нижних обкладок и диэлектрика для неподгоняемой и подгоночных секций.

При применении конструкции секций для переменного дво- ично-взвешенного шага подгонки число секций подгонки Nв рассчитывается по формуле

Nв = log2 (δСп / δС)

с округлением в сторону завышения до целого. Ёмкость первой наименьшей секции подгонки устанавливается равной 2∙С∙δС, а ёмкость каждой последующей секции принимается вдвое большей предыдущей. Соответственно изменяются площади и размеры подгоночных секций.

Пример. Для заданной номинальной ёмкости конденсатора 500 пф с допустимой погрешностью ±2 % определить размеры конструкции конденсатора при следующих значениях параметров: R□ = 0,05 Ом; Up = 20 B; Кз = 2; рабочая частота Fp ≤ 2 МГц; δСуд = 10 %; материал структуры: плёнка SiO2; В = ±10 мкм = = С.

Результаты расчета: εД = 5,8∙8,86∙10–14ф/см; Екр = 3∙106 В/см; tgδ = 0,01; hД = 0,15∙10–4 см; Суд = 3,425∙104 пф/см2; S= 1,46∙10–2см2;

Адоп ≤ 0,4 см; В ≥ 0,0365 см (принимаются значения А= В = 1,2 мм);

вносимые потери в рассматриваемом примере незначительно, то вполне допустимо отношение А/В > 2,5, демонстрируемое на рисунке.

При выборе размещения подгоночных секций следует сохранять рациональную форму конденсатора с отношением B/А < 1. Подгоночные секции размещаются вдоль одной стороны обкладки при числе до трёх и размещаются вдоль двух или трех сторон при большем их числе.

4.4.7 Материалы толстоплёночных конденсаторов

Электрофизические свойства рекомендуемых к применению в толстоплёночных микросхемах конденсаторных и изолирующих паст приведены в таблице 4.11.

Таблица 4.11 — Параметры диэлектрических паст

56

Окончание табл. 4.11

Согласно табличным данным, параметры конденсаторных паст по большинству параметров сопоставимы, различаясь значением удельной ёмкости. Температура вжигания изолирующих паст сопоставима с температурой вжигания проводящих паст. Нижнюю обкладку необходимо исполнять с более высокой температурой вжигания, а верхнюю — с более низкой.

4.4.8 Проектирование толстоплёночных конденсаторов

Толстоплёночные конструкции конденсаторов, как и резисторов, отличаются в связи со специфическими ограничениями технологии формирования слоёв. Вследствие значительного производственного разброса удельной ёмкости не имеет смысла вводить ограничения на размеры иначе, чем по критериям электрической прочности и ожидаемого минимального значения ёмкости. Подгонка ёмкости для толстоплёночных конденсаторов также мало эффективна. Вместе с тем толстоплёночные конденсаторы могут быть встроены в конструкции толстоплёночных ГИМС в качестве блокировочных или разделительных элементов, когда требуемые номиналы технологически достижимы и позволяют исключить однотипные компоненты. К проектированию толстоплёночных конденсаторов исходными данными являются функциональные параметры:

– номинальная емкость конденсатора С, пФ;

57

–рабочее напряжение Upaб, В. Технологические ограничения:

–по погрешностям линейных размеров ∆В, мкм;

–по погрешностям совмещения ∆С, мкм;

–по толщине паст h, мкм;

По параметрам паст, согласно таблицам 4.10, 4.6, 4,7. Последовательность проектирования:

–в зависимости от диапазона номинальных значений ёмкости выбирается диэлектрическая паста ПК-1000-30 или ПК-12 из табл. 4.10 и проводящие пасты нижней и верхней обкладок из таблицы 4.6;

–определяется площадь верхней обкладки конденсатора:

S = C/Cуд.

Для обкладок квадратной формы определяются линейные размеры верхней обкладки:

Ав = Bв = √S

и геометрические размеры нижней обкладки конденсатора:

Ан = Вн=Ав + 2∙p,

где р — перекрытие между нижней и верхней обкладками. Определяются геометрические размеры диэлектрика между

обкладками:

АД = ВД = Ан + 2∙f,

где f — перекрытие между нижней обкладкой и диэлектриком. Размеры перекрытий p и f принимаются в соответствии с нормами, представленными в таблице 4.9. Размеры окон шаблонов для учёта растекания паст (для обкладок) должны быть уменьшены на (1–2) толщины пасты после вжигания, подобно тому как это принималось в проектировании толстоплёночных резисторов.

Оценка потерь в толстоплёночном конденсаторе выполняется по формуле (4.47) с учётом (4.44). Для повышения добротности при прочих равных условиях следует уменьшать отношение

58

размеров А/В. В формообразовании топологических областей конденсаторов следует учитывать направленность нанесения слоёв через сеточные трафареты, как это оговаривалось для конструкций резисторов.

4.5 Индуктивные элементы ГИС

4.5.1 Введение

Индуктивные плёночные катушки выполняются в виде плоских спиралей из проводящего материала, наносимого на изоляционную или ферритовую подложку. На рисунке 4.14 показаны два типа спиралей: круглой (а) и квадратной (б) форм.

Рисунок 4.14

Основными параметрами пленочных катушек являются: индуктивность L, добротность Q, собственная резонансная частота Fp, температурный коэффициент индуктивности (ТКИ). Параметры плоских катушек сильно зависят от электропроводности и магнитных свойств окружающей среды, так как магнитное поле катушки рассеяно по плоскости катушки и окружающему её пространству. При конструировании пленочных катушек необходимо учесть свойства материала подложки, а также наличие экранов или других металлических элементов конструкции узла, расположенных вблизи катушки. Специфической чертой пленочных

59

катушек является частичная взаимная компенсация электромагнитных полей при уменьшении среднего диаметра катушки. Для ослабления влияния взаимного размагничивания следует увеличивать отношение Dвн/Dн. С учётом сокращения числа витков, при ограниченном габарите катушки, оптимальное по добротности отношение диаметров представляется равенством

Dвн/Dн ≈ 0,4.

Повышение индуктивности достигается увеличением наружного диаметра катушки Dн, который обычно принимается не более 10 мм. При этом индуктивность при шаге t, равном 50 мкм, не превышает (1–5) микрогенри. Обычно нижний предел рабочей частоты плоских катушек без ферромагнитного сердечника составляет (1–5) МГц. Частотная граница, при которой плоская катушка перестаёт быть сосредоточенным радиоэлементом, оценивается по неравенству

Fp < [3/(Lo√εОТН)],

где частота Fp [ГГц] соответствует длине Lo[см] проводника в катушке.

Расчёт индуктивности L[нГ] плоской катушки выполняется по эмпирической формуле:

L= 25∙DСР∙N2/ (1 + 3∙h / DСР) ≈ 10∙ (k/t)2∙D3вн, (4.57)

где DСР = 0,5∙ (DН + DВН) — средний диаметр витка в катушке, см; N — число витков катушки;

h — 0,5∙ (DН –DВН) = N∙t — условная толщина обмотки, см; t — шаг витка, см;

k — коэффициент, определяемый по формуле (4.60).

При прочих равных условиях индуктивность квадратной катушки до 10 % больше индуктивности круглой катушки, но уступает последней по добротности из-за большей длины спирали и наличия изгибов. Из-за малого значения индуктивности L плоские катушки можно использовать при рабочих частотах более (30–50) МГц. В изображённых на рисунке топологических кон-