Расчет тонкопленочных конденсаторов
2. Цель работы: Приобрести навыки в расчете тонкопленочных конденсаторов.
3. Краткие теоретические сведения.
Конденсаторы являются широко распространенными элементами пленочных микросхем.
Большинство характеристик конденсаторов (величина номинала, стабильность, рабочее напряжение, температурная и временная стабильность, частотные свойства, добротность, полярность, надежность и др.) зависят от выбранных материалов и технологии изготовления.
Материал, применяемый для изготовления диэлектрических слоев, должен иметь хорошую адгезию к материалам подложки и обкладок, не вступать с ними в химические реакции. Диэлектрическая пленка должна быть достаточно плотной, иметь высокую
электрическую прочность, малые диэлектрические потери, незначительную величину ТКЛР, сравнимую с ТКЛР подложки, иметь высокую диэлектрическую проницаемость и не разлагаться при нагревании. Лучше других этим требованиям удовлетворяют диэлектрики, характеристики которых приведены в таблице 3.1 «Основные характеристики диэлектрических материалов».
Таблица 3.1
Кроме материалов, приведенных в этой таблице, для изготовления тонкопленочных конденсаторов могут применяться окислы тантала, двуокись титана, титанат бария и др. Эти материалы имеют большее значение диэлектрической проницаемости, чем окись
кремния SiO или окись германия GeO и на их основе можно изготовлять конденсаторы большой емкости. Однако, из-за больших диэлектрических потерь добротность таких конденсаторов низка, в связи, с чем их можно применять только в низкочастотных цепях и
цепях постоянного тока. Все большее применение для изготовления конденсаторов находят окислы редкоземельных металлов: лантана, иттрия и др. Для обеспечения наименьших потерь на высоких частотах, обкладки конденсаторов чаще всего напыляют из материалов с низким электрическим сопротивлением. Материал обкладок должен легко испаряться, иметь низкую подвижность атомов при образовании пленки и невысокую энергию испаренных частиц (во избежание диффузии и внедрения атомов металла в диэлектрик).
Практика показала, что для нанесения обкладок наилучшим материалом является алюминий, применение которого обеспечивает более высокий процент выхода годных тонкопленочных конденсаторов по сравнению с другими металлами. Это объясняется сравнительно низкой температурой испарения алюминия и невысокой подвижностью
его атомов на поверхности подложки. Удельное поверхностное сопротивление алюминиевой пленки достаточно мало и при ее толщине 2500-5000 Å находится в интервале 0,2-0,06 Ом/□. Это обеспечивает высокую добротность тонкопленочных конденсаторов.
Рекомендуется одновременно с изготовлением обкладок конденсаторов наносить и тонкопленочные проводники. При этом ускоряется и упрощается техпроцесс изготовления микросхем и сокращается расход алюминия. Следует помнить, что при температуре выше 180°С в алюминиевых пленках образуются игольчатые кристаллы, способные в ряде случаев проколоть тонкую диэлектрическую пленку. Поэтому
температуру подложки и термообработки нельзя выбирать слишком высокой.
Конденсаторы с малой величиной емкости рекомендуется проектировать в виде двух пересекающихся проводящих полосок, разделенных слоем диэлектрика.
Желательно, чтобы все конденсаторы, расположенные на одной подложке, были изготовлены на основе одной диэлектрической пленки. Для повышения точности и надежности конденсаторов необходимо выбирать наиболее простую форму обкладок. Суммарная площадь, занимаемая конденсатором на микроплате, не должна превышать
2 см2, минимальная площадь конденсатора равна 0,5 * 0,5мм2.
Емкость пленочного конденсатора определяется по формуле:
где d – толщина диэлектрика, см; S – площадь перекрытия верхней и нижней обкладок, см2, она называется активной площадью конденсатора; ε – относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика.
Емкость на единицу площади называется удельной емкостью конденсатора
Расчет пленочных конденсаторов сводится к определению его активной площади. Эта площадь рассчитывается по формуле:
Конструкция пленочного конденсатора определяется площадью S (возможные варианты конструкции показаны на рис. 3.1).
Рисунок 3.1 – Разновидности конструкций тонкопленочных конденсаторов;
1- диэлектрик, 2 – нижняя обкладка, 3 – верхняя обкладка.
При S ≥ 5 мм2 используется конструкция рис. 3.1а, у которой площадь верхней обкладки меньше, чем нижней.
При 1 ≤ S ≤ 5 мм2 используется конструкция, представляющая собой пересечение пленочных проводников (рис. 3.1б).
При 0,1 ≤ S ≤ 1 мм2 используются конструкции, представляющие собой последовательное соединение конденсаторов (рис. 3.1,в).
Для повышения точности и надежности пленочных конденсаторов форму обкладок необходимо выбирать простой, чтобы периметр их был по возможности меньше.
Расстояние между выводами обкладок конденсатора должно быть предельно увеличено
4 Порядок выполнения работы
4.1 Выписать в таблицу 4.1 номиналы всех конденсаторов, входящих в устройство.
4.2. Произвести расчет размеров обкладок и диэлектрика конденсаторов.
4.3 Занести данные расчетов в таблицу 4.1.
Таблица 4.1
| № п/п | Поз обозн. | Наименование материала | Удельная емкость | Номинал | Размер верхней обкладки | Размер нижней обкладки | Размер диэлектрика | Площадь конденсатора |
| С1 | ||||||||
| С5 |
4.4 Начертить в масштабе рассчитанные конденсаторы.
5 Содержание отчета
5.1 Наименование работы.
5.2 Цель работы.
5.3 Таблица 4.1 с расчетными данными.
5.4 Чертежи в масштабе конденсаторов.
5.5 Выводы по проделанной работе.
6 Контрольные вопросы
6.1 Что понимается под термином «удельная емкость конденсатора»?
6.2 Изобразите и поясните возможные конструкции пленочных конденсаторов.
6.3 Как определяется площадь обкладки конденсатора?
6.4 Что является источником неточности пленочного конденсатора?
Лабораторная работа 3