реферат, рефераты скачать Информационно-образоательный портал
Рефераты, курсовые, дипломы, научные работы,
реферат, рефераты скачать
реферат, рефераты скачать
МЕНЮ|
реферат, рефераты скачать
поиск
Расчет тонкопленочного конденсатора

Расчет тонкопленочного конденсатора

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

В некоторых типах гибридных ИМС наряду с резисторами наиболее

распространенными пассивными элементами являются пленочные конденсаторы,

которые во многом определяют схемотехнические и эксплуатационные

характеристики ИМС. Так, качество и надежность большинства линейных

гибридных ИМС в значительной мере зависят от качества и надежности

тонкопленочных конденсаторов, что определяется их конструкцией и

технологией изготовления.

Конструктивно-технологические особенности и основные параметры. В

гибридных ИМС применяют тонкопленочные и толстопленочные конденсаторы с

простой прямоугольной (квадратной) и сложной формами (рис. 1). Пленочный

конденсатор представляет собой многослойную структуру, нанесенную на

диэлектрическую подложку (рис. 1, а). Для ее получения на подложку 1

последовательно наносят три слоя: проводящий 2, выполняющий роль нижней

обкладки, слой диэлектрика 3 и проводящий слой 4, выполняющий роль верхней

обкладки конденсатора.

[pic] [pic]

в)

Рис. 1. Конструкции пленочных конденсаторов с обкладками прямоугольной

формы (а) в виде пересекающихся проводников (б) и «гребенки» (в)

Пленочные конденсаторы характеризуются совокупностью следующих параметров:

номинальным значением емкости С; допуском на емкость ±6С; рабочим

напряжением Up; добротностью Q или тангенсом угла потерь ;

сопротивлением утечки , коэффициентом остаточной поляризации ,

температурным коэффициентом емкости ТКС; коэффициентом старения ;

диапазоном рабочих частот ; интервалом рабочих температур ;

надежностью и др.

Конкретные значения этих параметров зависят от выбора используемых

материалов для диэлектрика и обкладок, технологического способа

формирования самой структуры и конструкции. Конструкция конденсатора должна

обеспечивать воспроизводимость параметров при минимальных габаритах в

процессе изготовления и совместимость изготовления с другими элементами.

Конструкция (рис. 1, а), в которой контур верхней обкладки вписывается в

контур нижней обкладки, предназначена для реализации конденсаторов

повышенной емкости (сотни - тысячи пикофарад). Ее особенностью является то,

что несовмещение контуров обкладок не сказывается на воспроизведении

емкости (для устранения погрешности из-за площади вывода верхней обкладки

предусмотрены компенсаторы 5), а распространение диэлектрика за контуры

обеих обкладок гарантирует надежную изоляцию обкладок при их предельном

несовмещении.

Для конденсаторов небольшой емкости (десятки пикофарад) целесообразна

конструкция (рис. 1, б) в виде пересекающихся проводников одинаковой

ширины, разделенных слоем диэлектрика. Емкость конденсатора данной

конструкции нечувствительна к смещению обкладок из-за неточности их

совмещения.

Для реализации высокочастотных конденсаторов применяют гребенчатую

конструкцию (рис. 1, в), в которой обкладки имеют форму гребенчатых

проводников, а диэлектрик является составным типа «подложка — воздух» или

«подложка — диэлектрическое покрытие».

Значение емкости пленочного конденсатора определяют по известной формуле

где — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

S—площадь перекрытия диэлектрика обкладками; d— толщина диэлектрика.

Для конденсаторов многослойной структуры, состоящей из последовательно

нанесенных диэлектрических и проводящих слоев, емкость

где п — количество диэлектрических слоев.

Подобно материалу резистивной пленки слой диэлектрика, параметры и d

которого определяют емкость конденсатора, с точки зрения технологичности,

воспроизводимости и стабильности свойств характеризуется оптимальным

отношением для каждого материала и способа его нанесения. Поэтому

емкость С конденсатора удобно выражать через удельную емкость

где Co=0,0885 /d—постоянная величина для каждого материала.

Как следует из ( ), для изготовления конденсаторов с малой занимаемой

площадью необходимо применять материалы, характеризующиеся максимальным

значением Со, т. е. материалы с максимальной диэлектрической проницаемостью

и минимальной толщиной d. Однако минимальная толщина d диэлектрического

слоя даже в случае выполнения требований по технологичности и

воспроизводимости ограничена значением рабочего напряжения на

конденсаторе.

Известно, что электрическая прочность конденсатора определяется

выражением

где — напряженность электрического пробоя диэлектрика (постоянная

величина для каждого материала).

Следовательно, для обеспечения нормальной работы конденсатора необходимо,

чтобы

, что возможно при соответствующем выборе толщины диэлектрика.

Минимальную толщину диэлектрика определяют из выражения ( ), если

:

где —коэффициент запаса, принимаемый равным 2—3 для

большинства структур пленочных конденсаторов.

Поэтому рабочее напряжение конденсатора обеспечивается выбором

соответствующего материала диэлектрика с определенным значением и

необходимой толщиной диэлектрического слоя d.

Допуск, на номинальную емкость С определяется относительным изменением

емкости С конденсатора, обусловленным производственными погрешностями и

дестабилизирующими факторами из-за изменения температуры и старения

материалов. В процессе изготовления пленочного конденсатора возможен

разброс его удельной емкости Со и геометрических размеров обкладок. Из

выражений ( ) и ( ) следует, что максимальное значение

технологической погрешности емкости

где — абсолютные погрешности воспроизведения

диэлектрической проницаемости, толщины диэлектрика и площади конденсатора

соответственно.

Поскольку воспроизведение удельной емкости Со и площади S конденсатора

достигается взаимно независимыми технологическими операциями,

математическое ожидание относительного отклонения емкости и

относительное среднеквадратическое отклонение емкости

определяются выражениями

где — относительные и

абсолютные среднеквадратические отклонения удельной емкости и площади.

Погрешность воспроизведения удельной емкости Со зависит от

технологических факторов нанесения слоя диэлектрика, а погрешность

воспроизведения площади S кроме технологических факторов зависит от

конструкции конденсатора и формы обкладок. В общем случае

где — относительные среднеквадратические отклонения линейных

размеров А и В, определяющих площадь S=AB; — коэффициент

корреляционной связи между отклонениями размеров А и В.

Когда размеры А и В верхней обкладки конденсатора, площадь которой

определяет его емкость, формируются в процессе одной технологической

операции (рис. 1 а),

Для конструкции рис. 1 б емкость конденсатора определяется площадью

перекрытия диэлектрика обеими обкладками, линейные размеры которых

формируются независимо,

Следует отметить, что существенно зависит также от формы верхней

обкладки конденсатора (рис. 1 , а). При

где —коэффициент формы обкладок (при квадратной форме

обкладок, когда А =В и

, значение минимально).

При этом значение , вычисляемое по ( ), не должно превышать

максимально допустимого, т.е.

Отсюда следует, что при выбранном из топологических соображений значении

площадь верхней обкладки

Выражение ( ) может быть использовано для определения

максимального значения

исходя из обеспечения требуемой точности конденсатора:

В данном случае при заданной технологии значение определяется из

формулы для полной относительной погрешности емкости ус конденсатора:

Здесь —относительная погрешность удельной емкости в

условиях конкретного производства (зависит от материала и погрешности

воспроизведения толщины диэлектрика);

— относительная погрешность площади (зависит от формы,

площади и погрешности линейных размеров обкладок);

—относительная температурная погрешность (зависит в основном от

ТКС материала диэлектрика); —относительная погрешность,

обусловленная старением пленок конденсатора (зависит от материала и метода

защиты).

Добротность Q пленочного конденсатора обусловлена потерями энергии в

конденсаторе:

где — тангенс угла диэлектрических потерь в

конденсаторе, диэлектрике, обкладках и выводах соответственно. Потери в

диэлектрике обусловлены свойствами материала диэлектрика на определенной

частоте f и определяются суммой миграционных и дипольно-релаксационных

потерь:

где — удельное сопротивление пленки диэлектрика; — время

релаксации; — значения относительной диэлектрической

постоянной на высоких и низких частотах.

Тангенс угла в обкладках и выводах конденсатора

где — последовательное сопротивление обкладок; —

сопротивление выводов.

В практических расчетах — справочная величина, а

определяется в зависимости от конфигурации конденсатора, материала и формы

обкладок.

Сопротивление утечки конденсатора обусловлено наличием тока утечки

, до которого уменьшается ток в цепи при зарядке конденсатора, и

определяется отношением напряжения U, приложенного к конденсатору, к

значению этого тока:

где — начальный ток в зарядной цепи; — активное

сопротивление зарядной цепи.

Наличие в диэлектрике конденсатора различных дефектов и неоднородность

его структуры (слоистость, пористость, присутствие примесей, влаги и т. д.)

обусловливает в нем определенное количество свободных зарядов, способных

перемещаться под действием поля. Часть из них вызывает поляризацию

диэлектрика, которая выражается коэффициентом остаточной поляризации:

где — остаточная разность потенциалов, возникающая на обкладках

конденсатора после его разрядки.

Температурный коэффициент емкости ТКС характеризует отклонение емкости,

обусловленное изменением температуры на величину . Его среднее

значение в интервале температур аналитически определяют путем

разделения левой и правой частей выражения ( ) на :

где — температурные коэффициенты обкладок конденсатора,

диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрика соответственно.

Поскольку все слои конденсатора жестко сцеплены между собой, а нижняя

обкладка—с подложкой, . Так как значение ТКЛР подложек мало

и ему соответствует то ТКС

определяется , т. е.

Коэффициент старения определяет изменение емкости конденсатора, которое

происходит вследствие деградационных явлений в пленке диэлектрика за время

:

где — коэффициент старения диэлектрической проницаемости.

Современная технология позволяет получать тонкопленочные конденсаторы

любой конструкции (см. рис. 1) с емкостью 100.103 пФ, допуском ±(5—20)%,

, ТКС=

, добротностью Q=10—100 и . При этом

форма конденсатора может быть не только прямоугольной, но и фигурной для

наилучшего использования площади подложки.

РАСЧЕТ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ.

Исходными данными для расчета тонкопленочных конденсаторов являются:

номинальная емкость С,[пФ]; допуск на номинал ± С[%]; максимальное

рабочее напряжение [В]; рабочая частота [Гц]; тангенс угла

потерь ; диапазон рабочих температур [°С]; технологические

данные и ограничения, в том числе погрешность воспроизведения удельной

емкости и линейных размеров обкладок или их

относительные cреднеквадратические отклонения

коэффициент старения ; продолжительность работы или

хранения и др.

Методика расчета

1. По заданной технологии и данным таблицы выбирают материал

диэлектрика. Критериями выбора материала являются максимальные значения

и минимальные значения ТКС, . Отметим, что на

выбор материала диэлектрика существенно влияет область применения ИМС.

Так, конденсаторы на основе ИБС и АСС, которые обладают наибольшей

диэлектрической постоянной , применяют в линейных ИМС на частотах

до 10 МГц, когда требуется высокая степень интеграции, повышенная

стабильность параметров и надежность в эксплуатации. В ИМС частотной

селекции и БИС, работающих при высоких температурах, целесообразно

использование конденсаторов на основе БСС, которые обладают наименьшим

ТКС и наибольшими значениями Q, в широком диапазоне частот и

температур.

Конденсаторы на основе SiO и GeO, имевшие ранее широкое

распространение ввиду простоты технологии, в настоящее время находят

ограниченное применение из-за недостаточно высокой стабильности и

надежности.

2. Из условия обеспечения электрической прочности с помощью ( )

определяют минимальную толщину диэлектрика. Значение d должно

находиться в пределах 0,2—0,8 мкм.

3. Определяют удельную емкость конденсатора исходя из условий

электрической прочности:

4. В зависимости от требуемых значений С, и С и руководствуясь

рекомендациями ( ) выбирают конструкцию и форму конденсатора.

5. Определяют относительную температурную погрешность

а по ( ) — относительную погрешность обусловленную

старением.

6. Используя ( ), определяют допустимую погрешность площади

конденсатора при условиях

При этом

7. По конструктивно-технологическим данным на ограничение линейных

размеров ( ) и выбранному значению с помощью (

) определяют максимальное значение удельной емкости .

8. Выбирают минимальную удельную емкость из условия

которое обеспечивает заданное значение Up и требуемое значение

6С.

9. По заданному значению С; и полученному по ( ) значению Со

определяют коэффициент, учитывающий краевой эффект:

10. Определяют площадь перекрытия диэлектрика обкладками конденсатора с

учетом коэффициента К:

При этом, если в результате расчетов по ( ), ( )

S2см2, то требуется выбрать другой диэлектрик с большим

значением либо использовать дискретный конденсатор.

11. С учетом коэффициента определяют размеры верхней обкладки. Для

обкладок квадратной формы . Полученные и

округляют до значений, кратных шагу координатной сетки с учетом

масштаба топологического чертежа.

12. С учетом допусков на перекрытие определяют размеры нижней обкладки

и диэлектрика

где q — размер перекрытия нижней и верхней обкладок; f — размер

перекрытия нижней обкладки и диэлектрика. Для конструкции рис. 1, б

.

13. Определяют занимаемую конденсатором площадь

14. По выражениям ( ), ( ), ( ) и данным табл.

определяют диэлектрические потери (полученное значение не

должно превышать заданного), а с помощью ( ), ( )

оценивают обеспечение электрического режима и точности конденсатора в

заданных условиях эксплуатации.

При проектировании группы конденсаторов расчет начинают, как правило, с

конденсатора, имеющего наименьшее значение емкости. В этом случае

целесообразно пользоваться программой расчета на ЭВМ.



© 2003-2013
Рефераты бесплатно, рефераты литература, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты медицина, рефераты на тему, сочинения, реферат бесплатно, рефераты авиация, курсовые, рефераты биология, большая бибилиотека рефератов, дипломы, научные работы, рефераты право, рефераты, рефераты скачать, рефераты психология, рефераты математика, рефераты кулинария, рефераты логистика, рефераты анатомия, рефераты маркетинг, рефераты релиния, рефераты социология, рефераты менеджемент.