Влияние конструкции пленочного конденсатора на его параметры

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ПЛЕНОЧНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

Цель работы: исследование влияния частоты, материала и конструкции на емкость пленочного конденсатора.

Теоретическая часть

Пленочный конденсатор является широко распространенным элементом интегральных микросхем и представляет собой последовательно нанесенные на подложку и друг на друга пленки проводника (обкладки) и диэлектрика (см.рис.1.1). Емкость плоского конденсатора определяется по формуле:

С= (пф); (1.1)

где e - диэлектрическая проницаемость;

N - число обкладок;

S - площадь перекрытия обкладок, см²;

d - расстояние м99ежду обкладками (толщина диэлектрика), см.

Диэлектрики с большой величиной e обладают большой нестабильностью и ярко выраженной зависимостью от температуры. Известны материалы со значениями e до 300 и выше. Чаще используются диэлектрики с e = 4. . . 23.

Минимальное значение толщины диэлектрической пленки ограничивается требованиями однородности труктуры диэлектрической пленки и концентрацией дефектов на единицу площади, рабочим напряжением, требуемой точностью емкости, качеством пленки и связанным с ней выходом годных, эксплуатационной надежностью конденсатора. Максимальное значение толщины ограничено механической прочностью сцепления пленки с подложкой. С ростом толщины уровень механических напряжений, обусловленных разностью ТКЛР пленки и подложки увеличивается. Толщина диэлектрической прослойки должна находиться в пределах от 0,1 до 1 мкм; наиболее рационально выбирать ее от 0,2 до 0,8 мкм.

Пленочные конденсаторы характеризуются совокупностью следующих параметров: номинальным значением емкости C, удельной емкостью С₀, тангенсом диэлектрических потерь tg d, сопротивлением изоляции R_ИЗ, рабочим напряжением U_p, температурным коэффициентом емкости TKЕ, коэффициентом остаточной поляризации K и др.

Пленочные конденсаторы изготовляются методами вакуумного напыления, катодного и ионно-плазменного распыления, электролитического осаждения из газовой среды.

В качестве обкладок применяют металлические пленки меди, алюминия, тантала, титана и др. Применение алюминия в качестве обкладок пленочного конденсатора обеспечивает более высокий процент выхода годных конденсаторов. Это объясняется сравнительно низкой температурой испарения алюминия и невысокой подвижностью его атомов по поверхности подложки.

При создании пленочных конденсаторов основная задача сводится к увеличению удельной емкости при одновременном увличении рабочего напряжения и других эксплуатационных параметров. Это достигается за счет выбора используемых материалов, технологического способа формирования конденсатора и самой струтуры и геометрии пленочного конденсатора.

Основным элементом пленочного конденсатора, определяющим его параметры и свойства, является диэлектрик. В качестве изоляционного слоя используют диэлектрические пленки: моноокись кремния SiO, моноокись германия GeO, двуокись титана TiO₂, окись тантала Ta₂O₅, окись алюминия Al₂O₃. Наиболее часто в качестве диэлектрика применяют моноокись кремния. Пленки моноокиси кремния имеют высокое пробивное напряжение (до 150 В/мкм) и диэлектрическую проницаемость, равную 5-6.

Для получения тонкопленочных конденсаторов с высокими удельными емкостями в качестве диэлектриков используют окиси некоторых металлов, таких как титан, тантал, алюминий. Из них наиболее широко применяются окиси алюминия и тантала.

Если требуется получить малые емкости, то желательно применять гребенчатые конденсаторы, так как размеры слоистого конденсатора при малых емкостях очень малы (см.рис.1.2). Емкость гребенчатого конденсатора расчитывается по формуле:

C=b*e_p*l_СР; (1.2)

где b - коэффициент, зависящий от ширины пленочных проводников и расстояния между ними;

l_СР - длина совместной границы;

e_p - расчетное значение диэлектрической проницаемости.

e_p=(1+e_п)/2 - без покрытия; (1.3)

e_p=(e_д+ e_п)/2 - с покрытием.

Рис. 1.1 Рис. 1.2

Электрический конденсатор, как и любой другой элемент радиоаппаратуры, должен сохранять свои заданные свойства во всем диапазоне температур. Важно знать, как изменяется емкость пленочного конденсатора при различных температурах окружающей среды. Для количественной оценки зависимости емкости от температуры используют температурный коэффициент емкости:

ТКЕ =(a_C)= ; (1.4)

где t₁ - исходная температура;

t₂- температура после нагрева.

Влияние основных факторов на значение ТКЕ можно определить аналитически, если воспользоваться выражением:

a_C=a_e+a_S+a_d; (1.5)

где a_e - температурный коэффициент диэлектрической проницаемости;

a_S- температурный коэффициент площади верхней обкладки (верхней и нижней обкладки);

a_d- температурный коэффициент пленки.

В процессе изготовления пленочные конденсаторы с целью стабилизации их параметров подвергают термообработке, в результате которой происходит упорядочение структуры диэлектричской пленки.

Емкость пленочного конденсатора зависит от частоты и имеет сложный вид. С ростом частоты уменьшается емкость конденстора за счет снижения диэлектрической проницаемости диэлектрика. Увеличение емкости обусловлено наличием индуктивности конденсатора, так как ток в цепи конденсатора возрастает за счет компенсации емкостного сопротивления индуктивным сопротивлением. На индуктивность конденсатора большое влияние оказывает индуктивность выводов.

Добротность пленочного конденсатора Q существенно зависит от конструкции и используемых материалов:

Q=(tg d_Д+tg d_О.В)^-1; (1.6)

где tg d_Д=wCr_Д - тангенс угла диэлектричских потерь в диэлектрике;

tg d_О.В=wC(r_О+r_В)- тангенс угла потерь в обкладках и выводах.

Сопротивление обкладок r_О зависит от конструкции конденсатора, проводимости материалов обкладок и их геометрических размеров, картины распределения линий тока в обкладках. Для конденсатора с двусторонним расположением выводов r_О (r_ОН+r_ОВ)/3, где r_ОН и r_ОВ - сопротивления нижней и верхней обкладок.

Влияние конструкции пленочного конденсатора на его параметры

Емкость пленочного конденсатора определяется диэлектрической проницае­мос­тью, толщиной диэлектрика и площадью электродов, то есть формой конденса­тора.

Форма конденсатора бывает различной. Конструкция пленочного конденсатора, представленная на рис.1.3, а, применяется в том случае, когда требуемая площадь S не менее 10 мм² (емкости- сотни и тысячи пикофарад). Ее особенностью является то, что контур верхней обкладки полностью вписывается в контур нижней обкладки. Эта конструкция имеет следующие положительные качества: неточность совмещения контуров обкладок не сказывается на величине емкости; контур диэлектрика заходит за пределы обеих обкладок. В этом случае гарантируется надежная изоляция обкладок по периферии конденсатора при предельном их несовмещении. Пленочный конденсатор большой емкости может иметь сложную конфигурацию, отличную от прямоугольной, причем линии периметра обкладок обязательно пересекаются под прямым углом.

Если расчетная величина активной площади конденсатора S меньше 1 мм², то рекомендуется конструировать гребенчатый конденстор, внешний вид которого показан на рис.1.3, г.

Конденсатор в виде двух перекрещивающихся под углом 90^°пленочных проводников, разделенных слоем диэлектрика, применяется при значениях S, находящихся в интервале от 5 до 10 мм² (для емкостей - десятки пикофарад) и его конструкция показана на рис.1.3, б. Здесь для получения необходимой емкости достаточна площадь взаимного перекрытия двух коммутационных проводников, разделенных пленкой диэлектрика. Емкость рассматриваемого конденсатора нечувствительна к смещению обкладок из-за неточности совмещения. При активной площади пленочного конденсатора менее 5 мм² начинает сказываться краевой эффект, причем тем сильнее, чем меньше площадь. Если расчетная площадь конденсатора менее 1 мм², его можно выполнять в виде двух последовательно соединенных конденсаторов (рис.1.3, в). При малых емкостях (единицы или доли пикофарад), когда расчетная площадь пленочного МДМ-конденсатора слишком мала и технология не позволяет его выполнить в виде трехслойной пленочной структуры, можно формировать конденсатор в виде двух параллельных проводящих полосок (рис.1.3, д).

1 2 3 2 4

а) д)

5 1 2 3

1 2

3

б) е)

1 2 3

1 2 3

в) ж)

2 4

1 2 3

г) з)

Рис. 1.3 Разновидности конструкций тонкопленочных конденсаторов:

а) - с активной площадью перекрытия обкладок S=5мм²; б) - с S=1...5мм²;

в) - с S<1мм²; г) - гребенчатая; д) - в виде двух параллельно расположенных проводящих пленок; е) - с компенсатором; ж) - с двусторонним расположением выводов верхней и нижней обкладок; з) - с односторонним расположением выводов; 1 - диэлектрик; 2 - нижняя обкладка; 3 - верхняя обкладка; 4 - подложка; 5 - компенсатор

При малых размерах площади верхней обкладки конденсатора (менее 5мм²) для устранения погрешности емкости, вызванной смещением вывода верхней обкладки при совмещении топологии верхней и нижней обкладок, с противоположной стороны вывода делают компенсатор (см.рис.1.3, е).

Потери в обкладках зависят от расположения выводов нижней и верхней обкладок по отношению друг к другу. На рис.1.3, ж приведена конструкция с двусторонним, а на рис.1.3, з - с односторонним расположением выводов. На высоких частотах предпочтительным является вариант конструкции с двусторонним расположением выводов, так как на частотах выше 10 Мгц емкость конденсатора с ростом частоты падает медленнее при двустороннем расположении выводов.

Экспериментальная часть

В лабораторной работе используется стенд, состоящий из 4-х различных по номиналу и конструкции конденсаторов.

В работе используется прибор Е7-20.

Порядок выполнения работы

1. Исследовать влияние частоты на емкость и добротность конденсаторов.

а) собрать схему измерения согласно рис. 2.1.

«I» «I'»

Сx

«U» «U'»

Рис. 2.1

б) определить емкость и добротность конденсаторов на заданных частотах. Полученные данные занести в таблицу 2.1. Измерения проводить при амплитуде выходного сигнала U= 1 В.

Таблица 2.1.

Частота	Конденсаторы
Гц
	C	Q	C	Q	C	Q	C	Q

в) по данным табл. 2.1. построить графики зависимостей емкости и добротности от частоты. Сделать выводы.

2. Определение типа материалов диэлектрического слоя.

а) для конденсаторов 3 и 4 рассчитать относительную диэлектрическую проницаемость по формуле:

e= ; (2.1)

где C - емкость конденсатора, пф;

d- толщина диэлектрического слоя,см (d₃=d₄=0,5мкм);

S- площадь перекрытия пластин, см² (S₃=2,5мм²; S₄=48мм²).

б) по полученным значениям e₃ и e₄ в справочной литературе найти материалы диэлектрического слоя и их основные характеристики занести в таблицу.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Название лабораторной работы.

2. Цель лабораторной работы.

3. Схемы измерения.

4. Результаты измерения (таблицы, графики).

5. Расчет диэлектрической проницаемости и данные материалов.

6. Выводы.

Литература

1. Ермолаев Ю.П., Пономарев М.Ф., Крюков Ю.Г. Конструкции и технология микросхем; Под ред. Ю.П.Ермолаева: Учебник для вузов.-М:Сов.радио,1980.- , с., ил.

2. Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем,микропроцессоров и микросборок: Учебник для вузов,-М.:Радио и связь, 1989.-400 с., ил.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какими свойствами обладают диэлектрики с большой величиной ε?

2. Назовите факторы, ограничивающие минимальное и максимальное значения толщины диэлектрической пленки.

3. Параметры, характеризующие пленочные конденсаторы.

4. какие металлические пленки применяют в качестве обкладок?

5. К чему сводится основная задача при создании пленочных конденсаторов?

6. За счет чего достигается выполнение основной задачи при создании пленочных конденсаторов?

7. Какие диэлектрические пленки используют в качестве изоляционного слоя пленочного конденсатора?

8. Какие материалы используют в качестве диэлектриков для получения конденсаторов с высокими удельными емкостями?

9. Какие конструкции конденсаторов желательно применять, если требуется получить малые емкости?

10. Какой обработке подвергают пленочные конденсаторы в процессе изготовления для стабилизации их параметров?

11. Как зависит емкость пленочного конденсатора от частоты?

12. От каких факторов зависит добротность пленочного конденсатора?

13. Чем определяется емкость пленочного конденсатора?

14. Приведите разновидности конструкций тонкопленочных конденсаторов. В каких случаях применяется та или иная конструкция?