|
| |
|
Главная Журналы Материалы. Электрофизические свойства конденсаторов в значительной степени определяются свойствами применяемых материалов. К диэлектрику конденсаторов предъявляются следующие требования: высокая диэлектрическая проницаемость Ед, малый температурный коэффициент диэлектрической проницаемости а«д, высокая пробивная напряженность электрического поля Япроя, низкие диэлектрические потери, высокое сопротивление изоляции.   /8ых Рис. 1.2.4. Примерная картина распределения токов в обкладках пленочного конденсатора хорошая адгезия, совместимость с технологическими процессами изготовления других элементов микросхемы. Основным требованием, предъявляемым к материалам обкладок, является высокая проводимость. Другие требования обусловлены особенностями конструкции и технологии изготовления пленочных конденсаторов. Диэлектрические пленки тонкопленочных конденсаторов формируются напылением, осаждением или электрохимическим окислением. Характерной особенностью напыленных и осажденных пленок является зернистая структура. Пленки, полученные окислением, имеют поры. В результате миграции атомов металлов обкладок в пространстве между зернами диэлектрика или в порах окисной пленки возможно существенное снижение сопротивления изоляции диэлектрических пленок и локальные короткие замыкания обкладок как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации микросхем. Чтобы уменьшить количество дефектов в диэлектрике, применяют многослойные диэлектрические пленки. Для изготовления диэлектрических пленок применяют моноокись кремния SiO, моноокись германия GeO, халькогенидное стекло ХГ-44, окислы алюминия AI2O3, тантала ТагОб, титана TiO, окислы редкоземельных металлов. Высокие удельные емкости позволяют получить титанаты бария и кальция. Основные характеристики наиболее широко используемых диэлектрических материалов и некоторые параметры пленочных конденсаторов приведены в табл. 1.2.1. Материалы обкладок должны иметь малую миграционную способность атомов. Для устранения теплового разрушения диэлектрика в процессе нанесения верхней обкладки необходимо применять материал с низкой температурой испарения. Нижняя обкладка конденсатора должна иметь мелкокристаллическую структуру. Не допускается образование кристаллов, выступы которых снижают толщину и соответственно электри- ческую прочность диэлектрика. Большинству треОозаний, предъявляемых к материалам обкладок, удовлетворяет алюминий. Атомы и мельчайшие частицы алюминия, попавшие в межзеренные области диэлектрика, интенсивно окисляются, что способствует устранению проводящих цепочечных структур между обкладками. Кроме того, участки алюминиевых обкладок ib областях коротких за-мыка1кий самоизолируютоя от /короткозамьвмающих мостиков вследствие термического испарения алюминия при иротекании тока карюткого замыкания. При .взготовлении диэлектрических слоев толстопленочиых конденсаторов шспользуют ласты, содержащие ib качестве иапояиите-лей титанат бармя 1ил;и двуокись титана, «оторые и-меют высокую диэЛ(бкт1рическую прон1ща©мость. Т.ипанат бария поз1вол1»ет получить удельную емкость Со «8000 пФ/см ири толщине пленни около 25 МКМ. Конденсаторы на основе титаната бария характеризуются 1больш1НМ1и диэлектричбским1и .потерями ла высоких частотах, потому применяютоя В к-ачестве блокировочных и раздея1ителыных. Пленки с наполнителем из двуокиси титана обеспечивают Со» «1000 лФ/ом 1н малые потери на частотах (вплоть до 500 МГц. СтбКлоэмаЛИ без яаполмителей имеют мадую диэлектричеокую проницаемость (едл;10) /и тспользуются (В качестве изол1яцианных материалов в местах пересечеиия ироводнинов. Стеклоэмалевые пленки имеют плотную монолитную структуру, поэтому стеклоэмалевые пленочные конденсаторы характеризуются повышенной надежностью. Отсутствие микроотверстий в диэлектрической пленке обеспечивается с помощью двухслойной печати. Прн этом один слой заполняет пустоты в другом слое. Обкладки толстопленочных конденсаторов изготовляются-из стекло-эмалей с высбким содержанием (более 70%) таких металлов, как палладий, золото, палладий-золото и др. Проводники, содержащие золото, имеют ро»0,005 Ом/П. Методика проектирования пленочных конденсаторов. Исходными данными для проектирования являются: номинальная емкость Сно.м; допустимые отклонения емкости ±б(ДС/С)доп, обусловленные как производственными погрешностями, так и услов1!ями эксплуатации: рабочее напряжение [Ураб, добротность Q пли тангенс угла диэлектрических потерь tg б, условия эксплуатации. Кро.че того, при изготовлении ГИС частного применения используются определенные технологические процессы и пленочные структуры, для которых из статистической обработки опытных данных должны быть известны М(Со), Ос» или ±б(ДСо/Со), среднеквадратическое отклонение или поле рассеяния геометрических размеров обкладок. Удельные емкости соответствуют определенным значениям t/раб (см. табл. 1.2.1). Для выбранного конструктивно-технологического варианта исполнения конденсатора по (1.2.1) определяется площадь взаимного перекрытия обкладок So. Геометрические размеры обкладок и диэ.тектрика выбираются с учетом особенностей конструкций, описанных в § 1.2, и конструктивно-технологических огра-инчепни, предс1авленных в табл. l.l.l. Производственная погрешнос1ь емкости конденсатора определяется по (1-2.4), (1,2.5) с учетом особенностей конструкции н технологии изготовления. Для определения поля рассеяния емкости конденсатора с учетом условий эксплуатации используется методика, аналогичная методике расчета поля рассеяния резистора (см. § 1.1). 99999965 о о. § g -&g-<S : Ч « g, a u я ~ 5S so . к <y Ь nj CU t; О) 3 5 2Ео& «Же э- W ft S ВС te a. « X a> 3 a: § К £ S Й я о „ о = н; ш to w "I 1§ о о* о о о" I О : о- о о о ю со о о о о о о ООО ООО ООО Ю ОЮ -. to О О оо юо о о u:i о ю §т 1С1 о о о > о о" о о о о о"
о oo « к si» В- о о. а: ч <1> IS-! If tR В сз и: н о я а; в о о Величина добротности Q определяется по (1.2.7). Необходимые данные для расчета берутся из табл. 1.2.1. При необходимости может быть выполнена проверка электрической прочности конструкции. Для этого по известным Со и Ед оа-считывают толщину диэлектрика й( = 0,0885ед/Со, определяют £раб = /раб/ и сравнивают с £проб- При этом должно выполнятся условие /Сз = Конструкции подгоняемых конденсаторов. Подгонка емкости осуществляется изменением (штощадя обкладок в сторону уменьшения емкости. Минимальная трудоемкость подгонки будет тогда, когда нижняя граница Cmin поля допуска Д = Стах-Cmin «привязана» к нижней границе C*min поля рассеяния емкости ДС* = = С*тах-C*min, Характерной для определенного производства. Для подстройки конденсатора емкостью С*,- необходимо уменьшить емкость на величину С*,-CmaxAC*i:C=-Cmin- На рис. 1.2.5,а показана топология подгоняемого конденсатора, в котором верхняя обкладка имеет выступы для подго51ки емкости, удаляемые, например, лучом лазера. Различные площади выступов позволяют осуществлять подгонку более эффективно.  Рис. 1.2.5. Варианты подгонки пленочных конденсаторов при изменении емкости в сторону уменьшения (а) и увеличения (б); г - вывод нижней обкладки; 5 - верхняя обкладка; J -вывод BepxHeii обкладки; -диэлектрик; 5 - элемент подгонки; 6 - перемычка Возможно также увеличение емкости конденсатора в процессе подгонки путем подключения дополяительных конденсатор.ных секций с помощью перемычек, как это показано на рис. 1.2.5,6. Величина добавочной емкости определяется площадью обкладки подключаемой секции. Объемные конденсаторы. В гибридных ИС широко применяются навесные керамические и стеклокераглические конденсаторы с металлизированными выводами, расположенными непосредственно на боковых или торцевых поверхностях конденсатора (рис. 1.2.6). Применяется два способа установки л монтажа навесных конденсаторов. Первый предусматривает приклеивание конденсатора к подложке и монтаж с помощью проволочек диаметром до 0,15 MiM. При втором конденсатор непосредственно припаивается к контактным площадкам, расположенным на подложке. Этот спо- соб используется в основном при установке конденсаторов на достаточно толстые керамические подложки (0,8 мм). Тонкие подложки могут разрушаться как в процессе производства, так и при эксплуатации микросхем из-за больших механических напряжений, возникающих в элементах конструкции. Нелуженый Металт/зилованныв naSepXHOcmu Луженый \ Ион1пттнЫ5 ловерхнооти Рис. 1.2,6. Примеры конструкций навесных конденсаторов ГИС Для использования в герметизированных микросхемах предназначены керамические конденсаторы К10-9, К10-9м, КЮ-ЗЗ, стекло-керамичеоюие конденсаторы типа К22-4 и матрицы керамически. конденсаторов К10-27. Номинальные значения емкостей этих конденсаторов находятся в пределах от единиц пикофарад до 0,47 мкФ. ТКЕ определяется в основном составом керамики. Имеются конденсаторы как с положительным, так и с отрицательным ТКЕ. Конденсаторы с большой емкостью (С~0,01 мкФ) характеризуются низкой точностью и высокой нестабильностью, поэтому применяются в качестве блокировочных и разделительных. Диапазон рабочих температур для большинства типов конденсаторов от -60 до +85° С, Конденсаторы типа К10-17 нормально работают при температуре +125° С. Навесные конденсаторы выпускаются в двух нсполнбниях: обычном и водородоустойчивом. Водородоустойчивое исполнение указывается в обозначении конденсатора буквой С. Например-конденсатор К10-9-М47-360 пФ 20%-15-С, ОЖО.460 068 ТУ нелуженые, В водородоустойчйвых конденсаторах обкладки выполняются из благородных металлов, слабо поглощающих водород. Применение навесных конденсаторов обусловлено двумя причинами: низкой надежностью тонкопленочных конденсаторов и достаточно большой площадью при С>10 000 пФ. Вероятность безотказной работы конденсаторов К10-9 в течение 1000 ч при температуре +85° С при достоверности 0,9 не менее 0,999, гарантийный срок службы в составе микросхемы 10 ООО ч. Габаритные размеры навесных конденсаторов от 1,4X2X1,2 мм до 8X8X2,5 мм. В фильтрах источников вторичного электропитания, цепях развязки и блокировки применяются бескорпусные танталовые оксидно-полупроводниковые конденсаторы К53-15, К53-16. Они характеризуются следующими параметрами: диапазон номинальных емкостей -0,01 ... 33 мкФ; рабочие напряжения от 1,6 до 30 В; откло- нения емкости от номинала - ±20; ±30; +50 ... -207о; интервал рабочих температур от -60 до +85° С; габаритные размеры от 1,7X3,2X1 мм до 10X8X5,2 мм. § 1.3. -структуры с распределенными параметрами Основные разновидности JC-структур, /?С-структуры с распределенными параметрами используются в микроэлектронных конструкциях в качестве фильтров, фазосдвигающих и времязадаю-щих элементов, а также в качестве элементов частотно-зависимой обратной связи при построении активных фильтров. Применяется в основном две разновидности /?С-структур: Rl-C-R2 и СУ- R-C2 (рис. 1.3.1). По конструктивно-технологическому исполнению /?;-С-/?2-структура подобна пленочному конденсатору с вы-сокоомными обкладками, имеющими сопротивления \Ri и R2 между выводами 1-2 и 3-4 соответственно. Х X у X / X X -Дтёнтртети ти, -Pesi/cmSmu ши; m-G-RZ a) GJ-R-CZ ff) Рис, 1.3,1. Конструкции /?С-структур с распределенными параметрами Структура типа C1-R-C2 состоит из двух конденсаторов с емкостями С\ и Сг, имеющими общую обкладку из высокоомного материала с сопротивлением R между выводами 1 и 3. Различают iC-структуры с постоянными и переменными по длине конструкции погонными параметрами. В пленочных RC-структурах изменение погонных сопротивлений и емкостей может осуществляться изменением как толщин резистивной и диэлектрической пленок, так и их профиля (ширины). В практике используется последний, наиболее управляемый в процессе производства вариант. При этом профиль структуры может изменяться плавно или ступенчато. /?С-структуры с переменными погонными параметрами позволяют улучшить характеристики фильтров. Примеры топологии iC-структур с постоянными и переменными погонными параметрами приведены на рис. 1.3.2. В микросхемах применяются четырех-, трех- и двухполюсные 8С-структуры с распределенными параметрами. Электрические характеристики этих структур (амплитудно-частотная, фазочаСтотная 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 |