- •Расчёт и проектирование элементов гибридных интегральных микросхем
- •443086 Самара, Московское шоссе, 34.
- •Конструирование и расчет тонкопленочных резисторов Конструктивно-технологические особенности
- •Конструктивно-технологические особенности
- •Добротность тпк
- •Определение технологического допуска
- •Определение геометрических размеров тпр
- •Расчет и конструирование подстраиваемых тпк
- •Оценка частотных свойств плёночных резисторов
- •Проектирование резисторов сложной формы
- •18 27
- •Конструирование и расчет тонкоплёночных конденсаторов
Добротность тпк
О качестве ТПК на рабочей частоте можно судить по величине угла потерь или обратной ей величине, называемой добротностьюQ:
(39)
Потери энергии в ТПК складываются из следующих составляющих:
- потерь энергии в диэлектрических слоях: в основном диэлектрическом слое ТПК, в подложке, в защитном слое;
- потерь энергии в металлических элементах ТПК: обкладках, выводах конденсатора.
В связи с этим эквивалентную схему ТПК можно представить в виде последовательного соединения емкости без потерь С, эквивалентного сопротивления диэлектрических потерь rэ.д и эквивалентного сопротивления потерь в металлических элементах конденсатора rэ.м (рис.11).
- температурный коэффициент сопротивления материала пленки; - относительное изменение сопротивления резистивной пленки в результате старения, %.
Определение технологического допуска
Так как все материалы, в том числе и резистивные, изменяют свои свойства в процессе старения и под воздействием температуры окружающей среды, заданное в электрической схеме значение допуска на номинал резистора необходимо скорректировать. В результате получим значение технологического допуска (допуска на изготовление):
где - относительная погрешность, обусловленная воздействием температуры окружающей среды в процессе эксплуатации;
- относительная погрешность, обусловленная наличием переходного сопротивления контактов ТПР, обычно составляет 1...2% (величину необходимо выбрать, а после определения ширины ТПР - уточнить).
Погрешность вызвана медленным изменением структуры пленки во времени и ее окислением. Она зависит от материала пленки и эффективности зашиты, а также от условий хранения и эксплуатации микросхем.
Определение геометрических размеров тпр
Коэффициент формы ТПР определяется из соотношения
R/R□
При определении размеров резистора необходимоучитывать ограничения выбранного вида технологии, рассеиваемую резистором мощность и допуск на номинал.
При Кф >сначала определяется ширина ТПР из соотношения
b = max {b', b'', b''' } (6)
Здесь b' - минимальная допустимая ширина резистивиой полоски (технологическое ограничение), выбирается из таб.1;
b" - минимальная допустимая ширина резистора, обеспечивающая его нормальную работу при заданной рассеиваемой мощности,
b'' > (7)
Определение b'''. Величина b'" определяется из условия обеспечения заданной точности ТПР. Размеры резистора должны быть таковы, чтобы его сопротивление при заданных технологических погрешностях R□, иc заданной вероятностью ФR попало в заданный допуск .
При изготовлении пленочных резисторов возникают погрешности воспроизведения геометрии, т.е. коэффициента формы, и получения расчетного значения сопротивления квадрата R□. Как правило, все отклонения носят случайный характер и распределяются по нормальному закону [4]. Следовательно, отклонение номиналов резисторов случайно и имеет нормальный (гауссовский) закон распределения.
На основании выражения (1) дисперсию номинала резистора можно выразить через дисперсии R□, l и b:
R□+(8)
где R□ - относительное среднеrквадратическое отклонение R□, определяемое технологическим процессом (см. табл. 1); - относительное среднеквадратическое отклонение длины ТПР;- относительное среднеквадратическое отклонение ширины ТПР.
Часть электрического поля конденсатора проходит по подложке, часть по воздуху или защитному слою.
Ёмкость компланарного конденсатора рассчитывается [2] по формуле , где- расчетное значение диэлектрическойпроницаемости, ;,- диэлектрическая проницаемость подложки и защитного слоя соответственно; - коэффициент, зависящий от соотношения размерова, b и d; l - длина совместной границы обкладок.
Коэффициент приd<<a и d<<b определяется из выражения
.
Произведение коэффициентов исоставляет погонную емкость конденсатора, показанного на рис. 10, а:
Полная емкость
При расчете конструкции компланарных конденсаторов размеры а и b следует брать в 3-5 раз больше зазора d, который, в свою очередь, определяется разрешающей способностью технологического процесса изготовления. Разработка конструкции конденсатора начинается с определения d, а и b затем определяются значения , и
,
.
Величины ,,и заданы или выбраны ранее.
При конструировании ТПК со ступенчатой подгонкой (рис. 9,6) ненастраиваемую часть Сосм определяют по формуле
откуда
, ,
Величина емкости подстраиваемой части ТПК, состоящей из секций, определяется из выражения
а необходимое число секций
Площадь одной подгоночной секции вычисляется по формуле
размеры А' и В' определяются конструктором ( А'В' = Sc ). Размеры А' и В' не рекомендуется брать меньше 0,2 мм. Если это условие не удается выполнить, то следует использовать TTIK с плавной подгонкой (рис. 9, а).
Расчет конструкции компланарного конденсатора
Компланарные конденсаторы (рис. 10) используются в колебательных LC - контурах на основе плоских спиральных индуктивностей для частот более 50 МГц и в интегральных микросхемах СВЧ - диапазона. Обкладки этих конденсаторов расположены на подложке в одной плоскости и разделены небольшим зазором.
Значение (реальная дисперсия), определяемое выражением(8), не должно превышать допустимое значение дисперсии номинала резистора при заданном значении допуска и заданном значениивероятности выхода годного резистора ФR [2], т.е. должно выполняться соотношение
(9)
Величину , исходя из закона нормального распределения
погрешности сопротивления резистора, можно определить [4] из соотношения
(10)
где технологический (суженный) допуск на номинал резистора(4); Z- аргумент интеграла вероятностей ФR [1],
Величина Z определяется по заданному значению ФR из табл. 3.
Зная значение, заданные значения R□ , ,и заменяявеличину l на , из выражения (8) с учетом неравенства (9) получаем
(11)
Подставив это значение в выражение (6), определим ширину резистора b, а из выражения l = BKф - его длину.
В знаменателе выражения (11) может получиться "ноль" или отрицательное число. Это значит, что при выбранных технологичес-ких параметрах обеспечить требуемую точность резистора за счет увеличения его размерив невозможно, необходима подгонка.
Если длина резистора l > (5,..8) мм, целесообразно выполнять его изогнутым в виде "меандра" или использовать другую конструкцию (см. рис.1).
Таблица 3
Значение интеграла вероятностей
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
Ф(x) |
x |
Ф(x) |
x |
Ф(x) |
x |
Ф(x) |
0,00 02 04 06 08 |
0,0000 0226 0451 0676 0901 |
0,60 62 64 66 68
|
0,6039 6194 6346 6494 6638 |
1,20 22 24 26 28 |
0,9103 9155 9205 9252 9297 |
1,80 82 84 86 88 |
0,9891 9899 9907 9915 9922 |
0,10 12 14 16 18 |
1125 1348 1569 1790 2009 |
0,70 72 74 76 78 |
6778 6914 7047 7175 7300 |
1,30 32 34 36 38 |
9340 9381 9419 9456 9490 |
1,90 92 94 96 98 |
9928 9934 9939 9944 9949
|
0,20 22 24 26 28 |
2227 2443 2657 2869 3079 |
0,80 82 84 86 88 |
7421 7538 7651 7761 7867 |
1,40 42 44 46 48 |
9523 9554 9583 9610 9636 |
2,00 05 10 15 20 |
9953 9963 9970 9976 9981 |
0,30 32 34 36 38 |
3286 3491 3694 3893 4090 |
0,90 92 94 96 98 |
7969 8068 8163 8254 8342 |
1,50 52 54 56 58 |
9661 | 9684 9706 9726 9745 |
2,25 30 35 40 45 |
9985 9988 9991 9993 9995 |
0,40 42 44 46 48 |
4284 4475 4662 4847 5027 |
1,00 02 04 06 08 |
8427 8508 8586 8661 8733 |
1,60 62 64 66 68 |
9763 9780 9796 9811 9825 |
2,50 60 70 80 2,90 |
9996 9998 9999 9999 0,9999 |
0,50 52 54 56 58 |
5205 5379 5549 5716 0,5879 |
1,10 12 14 16 18 |
8S02 8868 8931 8991 0,9048 |
1,70 72 74 76 73 |
9838 9850 9861 9872 0,9882 |
3,00 20 40 60 3,80 |
1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 |
Если конструируется ТПК с плавной подгонкой, то конструкция его может быть такой, как на рис. 8 а, или на рис, 9 а. Процесс подгонки заключается в удалении части верхней обкладки ТПК при помощи электроэрозии или «факельным разрядом. Расчетное значение емкости такого ТПК определяется по формуле
где С - номинальное значение емкости ТПК; - относительное среднсквадратическое отклонение емкости ТПК после изготовления.
Для выбранного техпроцесса находится из соотношений (33) и (34); при этом предварительно необходимо определить
С0 = min {C'0 , C''0}
(35)
Подставляя полученное из (35) значение в (34) и заменяя величину В на В = А/Кф , получим уравнение с одним неизвестным А. Значения,, заданы или выбираются из табл. 5. Решение уравнения (34) относительно А позволяет найти один из размеров верхней обкладки ТПК
(36)
при Кф = 1 (квадратная форма верхней обкладки) получим
(37)
Второй размер верхней обкладки определяем как
Площадь ТПК, при которой обеспечивается заданная точность:
S = AB (38)
а величина удельной емкости C0''' = С / S.
Подставив величину C0''' в (29), получим значение С0, а изсоотношения - площадь ТПК. Задаваясь одним из размеров верхней обкладки (А или В) из (38) найдем другой размер.
Если в схеме несколько ТПК, то С0 определяется для каждого из них, затем выбирается наименьшее значение. Оно и принимается за значение С0 для всех ТПК.