Главная  Журналы 

0 1 2 3 4 [ 5 ] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

Из (11.1.49) и (1.1.50) определяем необходимое количество секций:

«с > 3,3 Ig (°""~min Рп \/?max - Rmin Рг

□ min

(1.1.51)

И длину самой короткой секций

oi = (max-i?mln)%Dmax- (1.1.52)

Если /ci</min, TO принимается /ci = /niin и из (1.1.52) рассчитывается необходимая ширина секций bc>b.

При малом разбросе ро (~10%) выражения (1.1.48), (1.1.51) можно упростить, положив ратах/рат1п«Д.

Пример. Рассчитать ступенчато подгоняемый тонкопленочный резистор с исходными данными предыдущего примера. Контуры резистора формируются методом фотолитографии.

1. Определим ширину резистора b исходя из допустимой мощности рассеяния:

"{PoKnRme.x / -120.Ы02ПУ -1,1мм.

- - ------- 120.1.1020

2. Определим длину основной части резистора:

ЯтяхЬ 1020.1,1

= 1,85 мм.

pQ max 600

3. Определим количество однотипных секций для подгонки и длину секций.

1 max

980 - 680 600

~ -Tz:! 12;

Pq min ~ 1020-980 400 (1020-980). 1,1 600

0,075 MM.

RmdiX - min

. (max - /?min) b

pQ max -

Так как /с </mm = 0,1 (см. табл. 1.1.1), то примем /с = 0,1 мм и определим ширину секций

Ь = Ра max min/(/?max- ?min) = 600-0,1/(1020-980) = 1,5 мм.

4. Определим количество секций с переменной длиной и длину самой короткой секции. Выше было показано, что при сопротивлении секции Лс1тах = -Дтих-Rmin, необходимо принять /с 1==/с = 0,1 мм и 6с =1,5 мм.

Из соотношения

я Мп - min Pq max

\ "max-Rmin Pq min

= 3,3Ig

/ 980- 680 600 980 400"

[ 1020 -

-f-I »3,6

следует «0 = 4.

Длины подстроечиых секций равны: /ci = /miii = 0,l мм; /c2 = 2/ci = 0,2 мм; /сз = = 4?ci = 0,4 мм; /с4=6/с1=0,6 мм.

Особенности проектирования толстопленочных резисторов. Толстопленочные резисторы имеют только прямоугольную форму, что обусловлено особенностями толстопленочной технологии. В процессе производства толстопленочных резисторов трудно обеспечить приемлемую точность сопротивления без подгонки. Обычно /?*min«0,5/?*max. Необходимую точность резистора достигают с

помощью плавной подгонки. При проектировании толстопленочных резисторов используется методика расчета плавно подгоняемых резисторов. Полученные в результате расчета геометрические размеры резистора округляются до величин, кратных шагу координатной сетки.

§ 1.2. Конденсаторы

В гибридных ИС используются пленочные и навесные безвыводные конденсаторы. Конденсаторы характеризуются следующими основными параметрами: номинальная емкость С„о„ и допустимые отклонения от номинала ±б(АС/С),-,□„%, или область допустимых значений емкости Cmin • - - Сшах] температурный коэффициент емкости (ТКЕ) ас; коэффициент старения /Сет с; рабочее напряжение t/pae; добротность Q или тангенс угла потерь tg6; сопротивление утечки Яу] диапазон рабочих частот; диапазон рабочих температур и др.

К конструкции конденсаторов предъявляется ряд требований конструктивно-технологического характера: минимальные габариты; воспроизводимость характеристик в процессе производства; совместимость технологических процессов изготовления конденсаторов с технологическими процессами изготовления других элементов микросхемы.

Пленочные конденсаторы. Рассмотрим основные конструкции тонко- п толстопленочных конденсаторов и установим связь между их электрическими параметрами, свойствами материалов и геометрическими размерами элементов конструкции.

Конструкция, изображенная на рис. 1.2.1, а, характерна для конденсаторов с повышенной емкостью (сотни-тысячи пикофа-рад). Ее особенностью является то, что контур верхней обкладки полностью вписывается в контур нижней обкладки {Ао>ао, Во>Ьо). Площадь взаимного перекрытия обкладок 5о = аоЬо. Эта конструкция имеет следующие положительные свойства:

1. При правильном выборе размеров обкладок неточность совмещения контуров обкладок не сказывается на величине емкости, так как при этом условии устраняется влияние погрешности базировки масок.

2. «Слабые» места конструкции, характерные для области вывода верхней обкладки, сосредоточены на узком участке. В области ступенек возможны короткие замыкания между обкладками .ч обрывы верхнего вывода из-за нарушения цельности пленок. Вероятность брака пропорциональна ширине вывода Ьв.

3. Контур диэлектрика заходит за пределы обеих обкладок. В этом случае гарантируется надежная изоляция обкладок по периферии конденсатора при предельном несовмещенпи обкладок.

Пленочный конденсатор с большой емкостью может иметь любую форму обкладок с необходимой площадью So- При разработке топологии микросхемы конструктор может полностью использовать свободные участки площади подложки. Пример топологии 2* 35



конденсатора со сложной формой обкладок показан на рис 12 2 Имкость конденсатора С по максимуму ограничена с одной стороны габаритной площадью S, с другой - выходом годных и надежностью, так как вероятность появления дефектов в диэлектрике пропорциональна площади S.


Ю S)

Рис. 1.2.1. Основные конструктивные разновидности пленочных конденсаторов: / - подложка: 2 - нижняя обкладка; 3 - диэлектрик; 4 - верхняя обкладка; 5 -вывод

верхней обкладки; 6 - вывод нижней обкладки

Конструкция пленочного конденсатора, изображенная на рис. 1.2.1, б, характерна для конденсаторов с небольшой емкостью (десятки пикофарад), когда 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.

В высокочастотных конструкциях применяются гребенчатые конденсаторы (рис. 1.2.3). Роль обкладок выполняют пленочные проводники в форме гребенки. Здесь используется составной диэлектрик подложка-воздух или подложка-диэлектрическое покрытие.

Емкость пленочного конденсатора (пФ) рассчитывается по известной формуле

С = 0,08858д5оМ=Со5о, (1-2.1)

где So = aobo - площадь взаимного перекрытия обкладок, см; 8д - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; d - толщина диэлектрика, см; Со=0,0885ед/ - удельная емкость, пФ/см. Величина удельной емкости Со определяется диэлектрической проницаемостью применяемых материалов едй::3...25 и тол-

щиной диэлектрика d, ограниченной по минимуму рабочим напряжением требуемой точностью емкости, качеством пленки (выходом годных) и эксплуатационной надежностью. Максимальное значение d в тонкопленочных конденсаторах ограничено механической прочностью сцепления пленки с подложкой. С ростом толщи-


Ы1 й


Рис. 1.2.2. Конструкция пленочного конденсатора со сложной формой обкладок:

1 - вывод нижней обкладки; 2 - диэлектрик; 3-верхняя обкладка; 4 - вывод верхней обкладки

Рис. 1.2.3. Конструкция гребенчатого

конденсатора: / - подложка; 2. 3 - элементы обкладок конденсатора; i. 5 -выводы; f -диэлектрическое покрытие

иы пленки увеличивается уровень механических напряжений, обусловленных разностью температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) пленки и подложки. Кроме того, при увеличении d требуется одновременно увеличивать толщину верхней обкладки /ов для предотвращения ее разрывов на ступеньках (см. рис. 1.2.1, а). Толстые металлические пленки также отслаиваются из-за больших механических напряжений.

Емкость гребешкового конденсатора определяется погонной емкостью между соседними элементами гребешка Со и средней длиной изолирующего канала между элементами гребешков / (штриховая линия на рис. 1.2.3). Погонная емкость определяется по методике, изложенной в § 3.3.

Отклонение емкости конденсатора от номинального значения обусловлено производственными погрешностями, изменением температуры и старением материалов. В процессе изготовления пленочного конденсатора возможен разброс удельной емкости Со и геометрических размеров обкладок. Из выражения (1.2.11) следует ЛС ДСр i АSq Дёд Arf I Д-?о 22)"



Так как погрешности удельной емкости Со и площади конденсатора 5о определяются взаимно независимыми технологическими операциями, то математическое ожидание относительного отклонения емкости М{АСС) и относительное среднеквадратическое отклонение емкости ас = ас1С могут быть определены по следующим формулам:

М (АС/С) = 7И (А Со/Со) + М{А SJS,);

С2, = (Т2 +(Т2

(1.2.3) (1.2.4)

где 7H(ACo/Co), M{ASo/So) - математические ожидания ACq/Cq и ASo/So; <Jc„ = (JcJCo, cts„=cts„/5o, стс„, cts„ - относительные и абсолютные среднеквадратические отклонения удельной емкости и площади. В общем случае

где Оао, стьо - относительные среднеквадратические отклонения линейных размеров, определяющих площадь So, Га„ьо - коэффициент корреляционной связи между отклонениями размеров йо и bo. Для конструкции на рис. 1.2.1, а ГаоЬо ~ + так как размеры йо и bo формируются в процессе одной технологической операции. Наоборот, для конструкции на рис. 1.2.1, б характерно ГаоЬо потому что размеры Оо и bo формируются при выполнении несвязанных технологических операций. Погрешность емкости в процессе производства составляет ±(10...20)%•

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) определяет отклонение емкости, обусловленное изменением температуры на величин ну AT. Разделив левую и правую части выражения (1.2.2) на АГ„ получим формулу для определения среднего значения ТКЕ в интервале температур AT:

ТКЕ = ас = а,-а,+2а,

где «бд - ТК диэлектрической проницаемости диэлектрика; ai, - соответственно ТКЛР диэлектрика и обкладок. Так как обкладки пленочных конденсаторов жестко сцеплены с подложкой, то изменение их размеров при изменении температуры практически полностью контролируется подложкой. Следовательно, щщи ас~аед-ai+2ai, где щ,- ТКЛР подложки.

Материалы подложек пленочных микросхем имеют обычно достаточно малый ТКЛР (аг„=(4...8)]0-б°С-). Такого же порядка и «гд. Поэтому ТКЕ пленочных конденсаторов практически полностью определяется ТК диэлектрической проницаемости диэлектрика. Для широко применяемых материалов аед»(-60... ...-1-500) Ю°С-. Напыляемые пленки имеют достаточно большой разброс бд и вследствие изменения стехиометрического состава материала в процессе напыления. ТКЕ толстопленочных конденсаторов определяется составом стеклоэмали.

Коэффициент старения определяет изменение емкости конденсатора, которое происходит вследствие деградационных явлений в пленочном диэлектрике:

Kc==(ACiqiAt,

где АС - абсолютное изменение емкости за временной интервал At-

Величина Кае практически определяется изменением свойств диэлектрика с течением времени, т. е. /Сстс~ст8д, где Котвд - коэффициент старения диэлектрической проницаемости. Для типовых материалов Яствд» (1 ... 5) 10" 1/ч.

Рабочее напряжение конденсатора [/раб обеспечивается выбором соответствующего материала диэлектрика с определенным значением пробивной напряженности электрического поля Япроб и необходимой толщиной диэлектрической пленки d. В рабочих условиях конструкция конденсатора должна обеспечивать рабочую напряженность электрического поля в диэлектрике £раб=£проб/Кз, где КзЗ - коэффициент запаса, определяющий уровень надежности конденсатора. В конденсаторах с повышенной надежностью /Сз«10.

Толщина диэлектрика, выбираемая из условия обеспечения заданного уровня рабочего напряжения,

d = г/раб/Раб = г/раб -з/пРоб- (1 -З.б)

Для широко применяемых диэлектриков £проб~ ... 2,5-10 В/см. Добротность пленочного конденсатора

<L2.7)

где Гд, Гоэкв, - сопротивления, отображающие потери энергии в диэлектрике, металлических обкладках и выводах соответственно; tgбд=шCrд - тангенс угла диэлектрических потерь в диэлектрике (справочная величина); tgбов = соС(Гоэкв + Гв) - тангенс угла потерь в обкладках и выводах.

Сопротивление обкладок Гоэкв зависит от конструкции конденсатора, проводимости материалов обкладок и их геометрических размеров, а также от закона распределения тока в обкладках. Анализ эквивалентной электрической схемы конденсатора с двусторонним расположением выводов (рис. 1.2.4) позволяет определить эквивалентное сопротивление обкладок

•(•о1 + -о2)/3,

(1.2.8)

где Гоь Го2 - сопротивления нижней и верхней обкладок соответственно. При равных сопротивлениях обкладок Го\=То2-Го, оэкв~2/-о/3. Коэффициент 2/3 обусловлен неравномерным распределением тока в обкладках (рис. 1.2.4). Сопротивления обкладок и выводов рассчитываются по формуле (1.1.2). Добротность пленочных конденсаторов составляет 10 ... 100.





0 1 2 3 4 [ 5 ] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47