Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Пленочные конденсаторы
Такие конденсаторы относятся к числу наиболее распространенных элементов ГИС. Конструктивно пленочные конденсаторы представляют собой трехслойную структуру металл-диэлектрик-металл (МДМ) и состоят из нижней и верхней обкладок, разделенных слоем диэлектрического материала.
К конструкции конденсаторов предъявляются следующие конструктивно-технологические требования: минимальные габариты; воспроизводимость характеристик в процессе производства; совместимость технологических процессов изготовления конденсаторов с технологическими процессами изготовления других элементов ГИС.
Рис. 1. Конструкции тонкопленочных конденсаторов:
а-в - плоский с тонкопленочным диэлектриком; г - подложка в качестве диэлектрика конденсатора; д - гребенчатый конденсатор; е — полосковый конденсатор; ж - плоский с компенсатором; з, и - плоские с двусторонним и односторонним расположением выводов; 1 - диэлектрик; 2,3 - обкладки конденсаторов; 4 - подложка ГИС; 5 - компенсатор.
Конструкция, изображенная на рис. 1,а характерна для конденсаторов с повышенной емкостью (сотни-тысячи пикофарад). Ее особенностью является то, что контур верхней обкладки полностью вписывается в контур нижней (L < L1, В < В1). Площадь взаимного перекрытия обкладок S = BL. В этой конструкции неточность совмещения контуров обкладок не сказывается на емкости; контур диэлектрика заходит за пределы обеих обкладок, что гарантирует надежную изоляцию обкладок по периферии конденсатора при предельном несовмещении обкладок.
Пленочный конденсатор большой емкости может иметь сложную конфигурацию. Это позволяет конструктору при разработке топологии микросхемы полностью использовать свободные участки площади подложки.
Конструкция, изображенная на рис. 1,б, характерна для конденсаторов небольшой емкости (десятки пикофарад), когда для ее получения достаточна площадь взаимного перекрытия двух коммутационных проводников, разделенных пленкой диэлектрика. Емкость такого конденсатора зависит от смещения обкладок из-за неточности совмещения.Емкость пленочного конденсатора (пФ):
C = 0,0885εrS/d = C0S, (1.10)
где S - площадь взаимного перекрытия обкладок, см2; εr - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; d —толщина диэлектрика, см; С0 = 0,0885 εr/d - удельная емкость, пФ/см2. Удельная емкость С0определяется диэлектрической проницаемостью применяемых материалов (εr ≈ 3...25) и толщиной диэлектрика d.
При площади пленочного конденсатора менее 5 мм2 начинает сказываться краевой эффект, причем тем сильнее, чем меньше площадь. Если расчетная площадь конденсатора менее 1 мм2, то его можно выполнять в виде двух последовательно соединенных конденсаторов (рис. 1, в). При малых емкостях (единицы или доли пикофарад), когда расчетная площадь пленочного МДМ-конденсатора мала и технология не позволяет выполнить его в виде трехслойной пленочной структуры, можно использовать в качестве диэлектрика подложку (рис. 1, г), сконструировать гребенчатый конденсатор (рис. 1, д) или сформировать конденсатор в виде двух параллельных проводящих полосок (рис. 1, е).
При малой площади верхней обкладки конденсатора (менее 5 мм2) для устранения погрешности емкости, вызванной смещением вывода верхней обкладки при совмещении топологии верхней и нижней обкладок, с противоположной стороны вывода делают компенсатор (рис. 1, ж).
Потери в обкладках зависят от расположения выводов нижней и верхней обкладок относительно друг друга. На рис. 1, з приведена конструкция с двусторонним, а на рис. 1, и - с односторонним расположением выводов. При работе на высоких частотах предпочитают конструкцию с двусторонним расположением выводов, так как на частотах выше 10 МГц емкость конденсатора с ростом частоты падает медленнее при двустороннем расположении выводов по сравнению с односторонним расположением.
Температурный коэффициент емкости ТКС (1/°С) пленочных конденсаторов определяется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости диэлектрика, которая для большинства используемых диэлектрических материалов составляет от -60·10-6 до +500·10-6 1/°С.
Коэффициент старения характеризует изменение емкости конденсатора вследствие изменений свойств пленочного диэлектрика и материала обкладок с течением времени. Для применяемых материалов он равен (1...5)·10-5 ч-1.
Рабочее напряжение пленочного конденсатора Uр обеспечивается подбором материала диэлектрической пленки с требуемым значением электрической прочности (пробивной напряженности электрического поля) Eпр и необходимой толщиной пленки d. Для большинства диэлектрических материалов Eпр = (1...9)-106 В/см. Толщина диэлектрика, выбираемая из условия обеспечения заданного рабочего напряжения:
d = KзUp/Enp, (1.11)
где Кз == 3...10 - коэффициент запаса, обеспечивающий надежностные характеристики. Коэффициент запаса Кз = 10 берется для расчета конденсаторов повышенной надежности. Добротность пленочного конденсатора Q зависит от его конструкции и используемых материалов:
Q = (tgδд + tgδов) (1.12)
где tgδд = ωСrд — тангенс угла диэлектрических потерь в диэлектрике на частоте 1 МГц для большинства используемых материалов диэлектриков (tgδд = 10-2...10-3); tgδов = ωС(r0 + rВ) — тангенс угла потерь в обкладках и выводах. Сопротивление обкладок r0 зависит от конструкции конденсатора, проводимости материалов обкладок и их геометрических размеров, а также картины распределения линий тока в обкладках. Для конденсатора с двусторонним расположением выводов r0 « (rОН + rОВ)/3, где rОН + rОВ - сопротивления нижней и верхней обкладок, рассчитываемые по формуле (1.3). Добротность пленочных конденсаторов Q = 10...100.
Характеристики конденсаторов определяются свойствами применяемых материалов. К диэлектрику конденсаторов предъявляются следующие требования: высокие — диэлектрическая проницаемость ε, электрическая прочность и сопротивление изоляции, малые — температурный коэффициент диэлектрической проницаемости αε и диэлектрические потери, хорошая адгезия, совместимость с технологическими процессами изготовления других элементов микросхемы.
Диэлектрик конденсатора формируется методами термического напыления, ионно-плазменного и реактивного распыления.
Для изготовления диэлектрических тонких пленок применяют монооксиды кремния SiO и германия GeO, оксиды алюминия Аl2О3, тантала Та2О5, титана TiO2 и редкоземельных металлов. Высокие удельные емкости имеют титанаты бария и кальция.
При изготовлении диэлектрических слоев толстопленочных конденсаторов используют пасты, которые содержат ти-таиат бария или диоксид титана, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость. Титанат бария позволяет получить удельную емкость С0 ≈ 8000 пФ/см2 при толщине пленки около 25 мкм. Конденсаторы на основе титаната бария характеризуются большими диэлектрическими потерями на Высоких частотах, поэтому их применяют только в качестве блокировочных и разделительных. Пленки на основе диоксида титана обеспечивают С0 ≈ 1000 пФ/см2 и малые потери на частотах до 500 МГц. Стеклоэмали, без добавок имеют малую диэлектрическую проницаемость и используются в качестве изоляционных материалов в местах пересечения проводников.
Стеклоэмалевые пленки обладают монолитной структурой, поэтому стеклоэмалевые конденсаторы характеризуются повышенной надежностью. Отсутствие микроотверстий в диэлектрической пленке обеспечивается двукратной печатью и вжиганием.
Материал обкладок конденсатора должен удовлетворять следующим требованиям: иметь низкое электрическое сопротивление обкладок, особенно для высокочастотных конденсаторов, ТКЛР, близкий ТКЛР подложки и диэлектрика, хорошую адгезию как к подложке, так и к ранее сформированным пленкам, обладать низкой миграционной подвижно-стою атомов, высокой коррозионной стойкостью.
Для изготовления обкладок тонкопленочных конденсаторов применяют алюминий А99 (ГОСТ 11069 - 74) с подслоем титана или ванадия. Обкладки конденсаторов изготавливают из паст с высоким содержанием (более 70%) таких металлов, как палладий, серебро, реже золото и др. Проводники, содержащие золото, имеют ρS ≈ 0,005 Ом/квадрат.
Подгоняемые конденсаторы
Рис. 1. Конструкции подгоняемых пленочных конденсаторов:
а, б, в, д, в -— подгонка в сторону уменьшения емкости путем отрезания подгоночных выступов верхней обкладки и секций; г — подгонка в сторону увеличения емкости подключением подгоночных секций; 1 — верхняя обкладка; 2 — подгоночные секции; 3 — нижняя обкладка; 4 — диэлектрик; (стрелки указывают места резки)
Иногда возникает необходимость конструирования пленочных конденсаторов с повышенной точностью воспроизведения емкости, превосходящей технологические возможности способа их изготовления, а также конденсаторы, емкость которых может изменяться в определенных пределах. В этом случае в конструкции конденсатора приходится предусматривать кроме основной секции с неизменяемой емкостью участок, емкость которого можно каким-либо способом изменять. От обычных конденсаторов они отличаются наличием секционированных верхних обкладок. На рис. 1, а-е показаны конструкции подгоняемых пленочных конденсаторов. Подгонка может осуществляться как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения емкости. Конструкция подгоняемого конденсатора имеет подгоночные секции. На рис. 1, а, б показаны конструкции, в которых верхняя обкладка имеет удаляемые при подгонке выступы и подгоночные секции (рис. 1, в). Различные площади выступов (рис. 1, б) позволяют осуществлять подгонку более точно.
Подгоночные секции можно произвольно размещать по сторонам верхней обкладки, однако необходимо стремиться к сохранению оптимальной формы конденсатора. Если число секций не превышает трех, то их размещают на одной стороне, в противном случае — на двух и трех сторонах верхней обкладки.
При подгонке возможно увеличение емкости конденсатора с помощью проволочных перемычек (рис. 1, г). Добавочная емкость определяется площадью обкладки дополнительно подключаемой секции. На рис. 1, д, е изображена «матричная» конструкция конденсатора со ступенчатым изменением емкости в широком диапазоне. Обкладки 1 и 3 конденсатора представляют собой гребенки, которые разделены общим диэлектрическим слоем 4. В местах пересечения пленочных проводников, принадлежащих разным слоям, образуются секции конденсатора, которые можно отсоединить путем разреза проводника на заданном участке.
Число секций матричного конденсатора (рис. 1, д) n = С max/Cc, где Сmax — начальная максимальная емкость матричного конденсатора; Сс — емкость секции.
Определив число секций n, найдем число проводников нижней n1 и верхней n2 обкладок-гребенок: n = n1n2.
Плёночные индуктивные элементы
Такие элементы широко распространены в аналоговых ИМС. Индуктивные элементы входят в состав колебательных контуров автогенераторов, полосовых фильтров, цепей коррекции частотных характеристик и т. д. Топология пленочных индуктивных спиралей ГИС представлена на рис. 1. Для.повышения добротности спирали образующие их проводники должны быть большой толщины (30 — 100 мкм). С этой целью проводят электрохимическое осаждение меди или золота (в ответственных изделиях) на тонкий подслой титана или ванадия.
Рис 1. Конструкции пленочных индуктивных спиралей круглой (а, б) и квадратной (в) формы
Индуктивность круглой пленочной спирали при DH ≥ 3,5 DBH :
L = ( 25 Dср n2 ) / ( 1 + 3h / Dср ) (1.1)
где Dcp = 0,5 (DH + DBH) — средний диаметр витка, см; h = nt + b — ширина спирали, см; t — шаг спирали, см; b — ширина проводника, см; n — число витков спирали; L — в нГн.
При одинаковых габаритных размерах и числе витков индуктивность квадратной спирали в 1,27 раза больше индуктивности круглой спирали, поскольку площадь квадрата со стороной DH (рис. 1) больше площади круга диаметром DH в 1,25 раза.
В современных ГИС площадь, занимаемая одной спиралью, обычно не превышает 1 см2. Максимальное число витков, которые можно разместить на этой площади, определяется разрешающей способностью технологического процесса создания спирали, в частности значением bmin. При bmin ≈ 50 мкм индуктивность пленочных спиралей составляет примерно 10 мкГн, а добротность при оптимальном соотношении внутреннего и наружного диаметров спирали DBH/DH ≈ 0,4 равна 80—120.
На конструктивные и электрические характеристики пленочных спиралей влияют значения собственной емкости С и сопротивления r. От собственной емкости зависит собственная резонансная частота f0 « с/ ( 4l (εr ) 1/2), где с = 3·1010см/с — скорость света; с / (εr ) 1/2 — скорость распространения электромагнитной волны между витками спирали; l — полная длина пленочного проводника спирали, см.
Толщина пленочной спирали зависит от рабочей частоты и определяется глубиной проникновения δ электромагнитной волны в материал пленочного проводника (скин-эффект) : δ = K ( 1/f )1/2, где К — коэффициент, зависящий от материала спирали; f — рабочая частота.
Для изготовления пленочных спиралей применяют материалы с высокой электропроводностью.
Элементы коммутации
Такие элементы (проводники и контактные площадки) служат для электрического соединения компонентов и элементов ГИС между собой, а также для присоединения к выводам корпуса.
Электрофизические свойства коммутационных проводников и контактных площадок в значительной степени определяются свойствами применяемых материалов, к которым предъявляются следующие требования: высокая электропроводность; хорошая адгезия к подложке; высокая коррозионная стойкость; обеспечение низкого и воспроизводимого переходного сопротивления контактов; возможность пайки или сварки выводов навесных компонентов и проволочных перемычек, используемых для электрического соединения контактных площадок платы с выводами корпуса; совместимость технологии нанесения пленочных коммутационных проводников и контактных площадок с технологией изготовления других элементов микросхем. Самым распространенным материалом тонкопленочных проводников и контактных площадок в ГИС повышенной надежности является золото с подслоем хрома, нихрома или титана. Подслой обеспечивает высокую адгезию, а золото — нужную электропроводность, высокую коррозионную стойкость, возможность пайки и сварки. Толщина пленочного проводника обычно составляет 0,5—1,0 мкм.
В аппаратуре с менее жесткими требованиями к надежности в качестве проводников используют пленки меди или алюминия с подслоем хрома, нихрома, ванадия или титана. Для предотвращения оксидирования меди и улучшения условий пайки или сварки медные контактные площадки покрывают хромом, никелем, золотом или ванадием. Для пайки их целесообразно облуживать погружением схемы в припой, при этом остальные пленочные элементы должны быть защищены.
Алюминий обладает достаточно высокой коррозионной стойкостью — и может использоваться как с защитным покрытием никеля или ванадия для обеспечения возможности пайки, так и без него, если присоединение навесных компонентов и создание внешних контактов осуществляются сваркой. Толщина медных и алюминиевых проводников — 1 мкм, а толщина никелевого или золотого покрытия — десятые-сотые доли микрометра. В толстопленочных ГИС для формирования коммутационных проводников и контактных площадок применяют проводниковые пасты.