4.4.3 Функциональные параметры конденсаторов гимс

Проектными параметрами плёночных конденсаторов являются:

• рабочее напряжение конденсатора Uр, В;

• номинальная ёмкость С, пФ;

• допустимое относительное отклонение ёмкости δC;

• допустимый температурный диапазон ∆Т, град;

• временной интервал эксплуатации конденсатора ∆Тв, час;

• допустимые потери (добротность Q) в конденсаторе;

• граничная частота конденсатора Fгр, Гц.

К проектированию конденсаторов необходимо подготовить перечень исходных ограничений, в число которых включаются:

• перечисленные функциональные параметры;

• абсолютные технологические допуски на формирование линейных размеров (∆L, ∆hд), совмещение слоёв (∆C), относительный технологический допуск удельной ёмкости (δСуд) или диэлектрической проницаемости δε_д;

• ограничения на электрофизические свойства материалов (R□, e_отн, tgδ, Екр, ТКЕ, коэффициент старения или интегральный по времени эксплуатации допуск δС_ст) доступных в принятой технологии производства конденсаторов.

4.4.4 Материалы тонкоплёночных конденсаторов

В производстве тонкоплёночных конденсаторов применяются материалы электрофизические, параметры которых приведены в таблице 4.10. В таблице приведены совместимые с диэлектрической плёнкой материалы обкладок.

Диэлектрический слой конденсаторов должен иметь высокое значение диэлектрической проницаемости, низкое значение tgδ, высокую химическую стойкость, высокое качество адгезии к смежным в структуре материалам, сравнимые коэффициенты ТКЛР слоёв структуры.

Материал обкладок для достижения повышенных добротностей конденсаторов, наряду с хорошей адгезией, стойкостью к образованию химических соединений, пониженной миграционной подвижностью атомов, пониженной по сравнению с диэлектрическим материалом температурой формирования слоя, должен иметь высокую электропроводность. Согласно данным таблицы 4.9, наиболее распространённым является алюминий. Применение в качестве нижней обкладки тантала исключительно связано со спецификой танталовой технологии при использовании в качестве диэлектрика Т₂О₅.

4.4.5 Проектирование тонкоплёночных конденсаторов

При площади перекрытия обкладок 5 мм² и более, по рабочему напряжению Up определяется необходимая толщина диэлектрика:

h_Д ≥ Kз∙Up/Екр,

где Кз = 24 — коэффициент запаса; принимается в зависимости от условий эксплуатации (чем более жесткие условия, тем большее значение принимает коэффициент).

Минимальная толщина диэлектрика, таким образом, ограничивается электрической прочностью, а максимальная — возможностями пленочной технологии. Чаще всего толщина диэлектрика находится в пределах от 0,3–0,5 до 1 мкм.

По толщине и диэлектрической проницаемости определяется удельная ёмкость Суд:

Суд = ε_д/ h_д. (4.51)

По заданной номинальной ёмкости С и значению Суд определяется необходимая площадь S перекрытия обкладок конденсатора:

S = C/Cуд.

По верхней рабочей частоте Fp и сопротивлению R□ обкладок рекомендуемой таблицей структуры по формуле (4.44) определяется граничное значение длины в перекрытии обкладок Адоп. Принимается размер А ≤ Адоп и определяется необходимая ширина В перекрытия обкладок конденсатора:

В= S/A. (4.52)

Если значение В < A, то производится взаимная замена значений размеров А и В с целью снижения сопротивления обкладок и достижения более высокого значения добротности конденсатора.

По значениям длины A, ширины B площади перекрытия обкладок учётом технологических погрешностей определяется относительное проектное отклонение ёмкости конденсатора δCпр от номинального значения по формуле

δCпр = δCуд + δС_t + ∆В/B  + ∆L/A + δC_CT, (4.53)

где δCуд — погрешность воспроизведения удельной емкости (составляет 5–10 %;

δС_t = α_с∙∆T — температурная погрешность емкости;

δC_СТ — погрешность емкости, обусловленная старением тонкопленочных конденсаторов (не превышает 2–3 %).

Если выполняется условие

δС ≥ δCпр,

то выбор размеров по заданным ограничениям электрической прочности, номинального значения ёмкости и относительной погрешности считается завершённым. В противном случае проверяется выполнение неравенства

(δC – δCуд – δС_t – δC_CT) ≥ (0,01–0,02) (4.54)

и принимается решение об увеличении толщины диэлектрика h_Д и повторении расчёта размеров для коррекции составляющих (∆В/B  + ∆L/A) в выражении (3.50) в сторону снижения.

Если неравенство (4.50) не выполняется, то необходимым является переход к конструкциям с подгонкой номинала ёмкости или применению компонентного исполнения. При прочих равных условиях, как отмечалось ранее, составляющие (∆В/B  + ∆L/A) минимизируются при выполнении условия А = В = √S, если иные ограничения это условие не исключают.

Потери в конденсаторе определяются по формуле (4.46) с учётом (4.44, 4.45).

Если допустимая норма потерь не задана или согласуется с проектной оценкой, то проектирование конденсатора полагается завершённым и может исполняться эскиз топологии конденсатора.

В противном случае анализируется причина несоответствия конденсатора по вносимым потерям. Если определяющее влияние на потери оказывают обкладки конденсатора, то предпринимается коррекция длины А в сторону уменьшения с одновременным увеличением размера В и повышение толщины плёнок обкладок. Иначе необходимо рассматривать возможность применения иных материалов слойного состава конденсатора. И в одном и в другом случаях должны повторятся оценки погрешности исполнения конденсатора из-за изменения размеров А и В.

Геометрические размеры топологических слоёв конденсатора определяются по размерам верхней обкладки (Ав, Вв) с учетом технологических погрешностей линейных размеров и совмещения формулам:

для нижней обкладки:

Ан = Ав + (2–4)∙(∆L + ∆C); Вн  = Вв + (2–4)∙(∆L + ∆C), (4.55)

для слоя диэлектрика:

Ад  = Ан + (2–4)∙(∆L + ∆C); Вд  = Вн + (2–4)∙(∆L + ∆C). (4.56)

При расчете конденсаторов с площадью перекрытия обкладок до (1–5) мм² следует оценивать влияние краевого эффекта, корректируя размеры обкладок с учётом выражения (4.41).

С учетом краевого эффекта для получения заданной емкости конденсатора необходимо уменьшить площадь перекрытия S. Соответствие расчётных оценок погрешности и потерь фактическим значениям для таких размеров ухудшается.