4.4.2 Конструкции плёночных конденсаторов гимс

Различают три варианта конструкций плёночных конденсаторов:

• конденсаторы трехслойной структуры с двумя проводящими обкладками 1, 2, разделёнными слоем диэлектрика 3 (см. рис. 4.7, 4.8);

• конденсаторы многослойной структуры, отличающиеся от трёхслойной повышенным числом проводящих и диэлектрических пленок (обычно не исполняются в составе плат ГИМС из-за повышенного процента брака, а при необходимости заменяются на конденсаторы-компоненты или выносятся за пределы платы ГИМС);

• гребенчатые конденсаторы (см. рис. 4.9), у которых емкость образуется «за счет краевого эффекта».

Топологические формы трёхслойных конденсаторов, изображенные на рисунках 4.7,б — 4.7, г и 4.8, отличаются ориентацией и формой выводов от обкладок. Топология обкладок и выводов конденсаторов на рисунках 4.7, б, г и характеризуется отсутствием вклада размеров выводов в площадь перекрытия обкладок S. Площадь перекрытия обкладок S в этих конструкциях (при соответствующих напусках) не зависит от погрешности совмещения обкладок.

Втопологических конфигурациях, изображённых на рисунках 4.7,в и 4.8, следует учитывать вклад от перекрытия вывода от верхней обкладки с нижней обкладкой в суммарную ёмкость конденсатора.

Емкость трёхслойного конденсатора определяется по формуле общего вида:

С = ε_д∙S/h_д + Сп∙Р, (4.41)

где  Сп — удельная погонная емкость вследствие влияния краевого рассеяния электрического поля;

Р — периметр площади перекрытия обкладок.

Второе слагаемое в формуле (4.41) при типовых отношениях Р∙h_д/S<<1 пренебрежимо мало и может не учитываться при А≈В ≥ ≥ 0,2 мм.

Ёмкость гребенчатого конденсатора (см. рис. 4.9) определяется по формуле

С = Сп ∙ ε_{с р} ∙ Р, (4.42)

где  Сп — погонная емкость гребенчатого конденсатора;

ε_ср — усреднённая диэлектрическая проницаемость окружающей среды;

Р — периметр границ обкладок.

а

б

Емкость Сп определяется шириной проводящих элементов b1 и b2 и расстоянием между ними (d) (рис. 4.9, б). Ориентировочно Сп мож-но определить с помощью графиков, изображённых на рисунке 4.10. Проницаемость ε_ср зависит от диэлектрических проницаемостей материала подложки ε_п и защитного покрытия ε_з (если оно имеется) и оценивается по формуле ε_сp = 0,5∙ (ε_п + ε_з). Гребенчатая конструкция применяется для значений ёмкости менее 10–30 пФ, когда линейные размеры обкладок конденсатора оказываются неприемлемо по точности исполнения малыми.

Плотность ёмкостного тока в обкладках плёночных конденсаторах вследствие конечного их омического сопротивления зависит от частоты и пространственных координат. На рисунке 4.11 приведены зависимости плотности тока в верхней и нижней обкладках для электрических моделей, соответствующих конденсаторам, изображённым на рисунках 4.7,в, г и 4.8.

На сравнительно низких частотах, когда выполняется условие

(1/ωС) >> (r1 ≈ r2),

плотность тока между обкладками «равномерна» вдоль измерения А конденсатора. На этом частотном участке можно полагать, что сопротивление каждой из обкладок составляет 1/3 от сопротивления на постоянном токе и общее сопротивление обкладок равно 2∙А/3∙В.

На высоких частотах, когда имеет место неравенство

(1/ωС) << (r1 ≈ r2),

удалённые от вывода части обкладки выключаются для ёмкостного тока, что, в свою очередь, соответствует сокращению активной площади конденсатора. Длину участка Ас обкладки, на котором происходит спад плотности тока на порядок, можно оценить по формуле

Ас ≤ (1,5–2)√[hд/(2∙ω∙ε_д∙R□)], (4.43)

где R□ — поверхностное сопротивление материала обкладок.

Аналитическое описание спада плотности перетекающего между обкладками конденсатора тока от расстояния до вывода представляется гиперболическими функциями с определяющей экспонентой вида

I(x) ≈ Io∙exp (– 2,5∙x/Ac).

С учётом допустимого ограничения изменения плотности тока уровнем (10–20) % и соответственно снижения эффективной площади обкладок и снижения ёмкости, можно представить зависимость между допустимой длиной Адоп обкладки конденсатора и граничной частотой применения конденсатора Fгр соотношением

Адоп = (0,03–0,06)√[hд/(π∙Fгр∙ε_д∙R□)]. (4.44)

Снижение эффективной площади конденсатора эквивалентно снижению отношения между реактивной и активной составляющими сопротивления конденсатора на повышенных частотах и, следовательно, снижению добротности Q конденсатора. Выражение (4.44) может быть применено для оценки допустимого удаления периферийных участков обкладок от их вывода по учёту влияния сопротивления обкладок. В пределах размера обкладки, определяемого формулой (4.44), сопротивление потерь в обкладках определяется по формуле

Rkm ≈ [2∙R□m∙Адоп/(3∙B)]. (4.45)

Потери в плёночном конденсаторе П определяются суммой потерь в обкладках и в диэлектрике, представляемыми выражением следующего вида:

Пс = ω∙С∙Rkm + tgδ_д, (4.46)

где tgδ_д — тангенс угла потерь в диэлектрике; принимается по справочным данным материала. Через коэффициент потерь П определяется добротность конденсатора Qс:

Qс = 1/П. (4.46а)

Справочные значения tgδ_д в основном не отражают частотной зависимости потерь в диэлектрике. Поэтому оценки полной добротности конденсатора добротности весьма приблизительны и подлежат экспериментальной проверке.

Рабочее напряжение Uр плёночного конденсатора определяется напряжением пробоя межобкладочного слоя диэлектрика Р по формуле общего вида для пробоя диэлектриков:

Uр = hд∙Екр/ Кз, (4.47)

в которой Кз = (2–4) — коэффициент запаса по пробою.

Допустимое относительное отклонение ёмкости конденсатора δC представляется суммой производственного отклонения δCп и эксплуатационного отклонения δCэ.

Эксплуатационное относительное отклонение δCэ определяется температурными δС_t и временными (старение δC_ст) изменениями. Температурный коэффициент емкости ТКЕ с учетом того, что линейное расширение обкладок и диэлектрика полностью подчиняется расширению материала подложки, можно определить по выражению

α_с = 2α_п + α_ε – α _д,

где α_п — справочный температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР материала подложки (удвоение α_п объясняется изменением измерений А и В);

α_ε — справочный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости материала диэлектрика;

α_д — справочный температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР материала диэлектрика (при расширении диэлектрика емкость уменьшается).

Относительное температурное изменение ёмкости определяется по формуле

δС_t = α_с∙∆T, (4.48)

в которой ∆T — температурный интервал применения конденсатора.

Для заданного температурного диапазона применения ∆T, определив эксплуатационную погрешность δCэ = δС_t + δC_ст, можно определить допустимую относительную производственную погрешность:

δCп = δC – δCэ. (4.49)

По выражению (4.49) определяется соответствие требований проектированию конденсатора без принятия мер компенсации эксплуатационного отклонения. При (δC – δCэ) ≤ 0 для удовлетворения требований по точности исполнения необходимо применять меры по подгонке ёмкости конденсатора после его изготовления. При (δC – δCэ) > 0 допустимое производственное отклонение представляется через составляющие производственных отклонений по следующему выражению:

δCп = (δS + δCуд.i) ≤ (δC – δCэ). (4.50)

Плёночные конденсаторы трёхслойной структуры по толщине применённых плёнок классифицируются как тонкоплёночные и толстоплёночные.

По обеспечению заданной точности исполнения, как и резисторы, плёночные конденсаторы проектируются, как элементы без подгонки номинала и с подгонкой номинала. Специфичность структуры конденсатора ограничивает возможности подгонки номинала изменением площади перекрытия обкладок специальными секциями, вынесенными за пределы основной площади конденсатора. Варианты конструктивных исполнений конденсаторов представлены на рисунке 4.12. При выборе конструктивного исполнения элементов подгонки предпочтительно выбрать решения, при которых добавление или исключение секции подгонки не будет сопровождаться механическим или тепловым воздействием на межобкладочный диэлектрик, создающим угрозу короткого замыкания обкладок.

Рисунок 4.12

Элементы подгонки при прочих равных условиях снижают добротность конденсатора, повышают частотную зависимость сопротивления, повышают трудоёмкость изготовления микросхемы. Как вариант решения проблемы коррекции номинала следует рассматривать параллельное включение отдельных конденсаторов, часть из которых используется в качестве секций подгонки.

Учитывая сравнительно низкие значения удельных ёмкостей плёночных конденсаторов, в проектировании ГИМС с ёмкостными элементами следует рассматривать альтернативное применение навесных конденсаторов.