Тонкопленочные конденсаторы

Наряду с резисторами пленочные конденсаторы относятся к числу наиболее массовых элементов ГИС. По конструкции пленочные конденсаторы чаще всего представляют собой трехслойную структуру металл – диэлектрик – металл и состоят из нижней и верхней обкладок, разделенных слоями диэлектрического материала.

К конструкции конденсаторов предъявляют ряд конструктивно - технологических требований: минимальные габариты, воспроизводимость характеристик, совместимость технологии их изготовления с процессами производства других элементов ГИС. Для конденсаторов повышенной емкости, (100 – 1000) пФ, используются конструкции:

1- слой диэлектрика; 2- нижняя обкладка; 3- верхняя обкладка.

Конструкции имеют следующие особенности:

1. контур верхней обкладки полностью вписывается в контур нижней обкладки;

2. при правильном выборе размеров обкладок неточность совмещения контуров не сказывается на величине емкости, т.к. при этом условии устраняется влияние погрешности базированной масок;

3. «слабое» место конструкции – это вывод верхней обкладки. В области ступенек вывода верхней обкладки возможны короткие замыкания между обкладками или обрывы верхнего вывода из-за нарушения целостности пленки. Вероятность брака пропорциональна ширине верхнего вывода " b ".

4. Контур диэлектрика заходит за пределы обеих обкладок. В этом случае гарантируется надежная изоляция обкладок по периферии конденсатора даже при предельном несовмещении обкладок.

Пленочный конденсатор большой емкости может иметь любую форму обкладок, используя полностью свободные участки площади подложки между проводниками и элементами.

Потери в обкладках и воспроизводимость зависят от расположения выводов верхней и нижней обкладок по отношению друг к другу. При высоких частотах предпочтительным является вариант с двухсторонним расположением выводов. Емкость такого конденсатора на частотах > 10 МГц c ростом частоты падает медленно.

При малых размерах площади верхней обкладки конденсатора (< 5мм²) для устранения погрешности емкости, вызванной смещением вывода верхней обкладки, необходимо с противоположной стороны вывода сделать компенсатор:

При небольшой емкости конденсатора, когда его площадь меньше 1 мм², начинает сказываться краевой эффект. В результате этого емкость конденсатора определяется не столько площадью, сколько периметром. Поэтому для конденсатора небольшой емкости используют следующие конструкции:

Конструкция а) характерна для конденсаторов емкостью в десятки пФ, когда для получения необходимой емкости достаточно площади взаимного пересечения двух коммутационных проводников, разделенных диэлектриком. Емкость такого конденсатора не чувствительна к смещению обкладок из-за неточности совмещения масок.

Если расчетная площадь конденсатора меньше 1 мм², то его можно выполнить в виде двух последовательно соединенных конденсаторов (б). При малых емкостях, единицы или доли пФ, расчетная площадь не позволяет выполнить конденсаторы в виде трехслойной пленочной структуры. В этом случае применяется конструкция г) в виде двух параллельных проводников.

В высокочастотных устройствах применяются конденсаторы гребенчатой конструкции (в). В этом случае роль обкладок выполняет пленочный проводник в форме гребенок. Здесь используется составной диэлектрик подложка – воздух или подложка – диэлектрическое покрытие. В последнем случае на поверхность гребенчатого конденсатора напыляют слой диэлектрика.

Емкость пленочного конденсатора рассчитывается по формуле:

(пФ),

где - площадь взаимного перекрытия обкладок;

- относительная диэлектрическая проницаемость;

- удельная емкость (пФ/см²).

Минимальное значение (толщина диэлектрика) ограниченно требованиями сплошности пленки, рабочим напряжением, требуемой точностью емкости, качеством пленки и эксплуатационной надежностью конденсатора. Максимальное значение ограниченно механической прочностью сцепления пленки с подложкой. Это связано с тем, что с увеличением толщины пленки повышается уровень механических напряжений, обусловленных температурным расширением пленки и подложки.

Пленочные конденсаторы характеризуются следующими параметрами:

1. Отклонение емкости конденсатора от номинального значения.

Этот параметр обусловлен производственными погрешностями изготовления, изменениями температуры и старением материала. В процессе производства возможен разброс удельной емкости и геометрических размеров обкладок, тогда

Обычно в процессе производства погрешность емкости составляет .

2. Температурный коэффициент емкости (ТКС).

Определяет отклонение емкости при изменении температуры . Разделим предыдущее выражение на и получим, что

,

где α- температурный коэффициент соответственно диэлектрической проницаемости, толщины диэлектрика и размеров обкладок.

Пленки прочно сцеплены с подложкой, поэтому их температурный коэффициент зависит от температурного коэффициента линейного расширения подложки. Материалы подложек пленочных микросхем имеют обычно достаточно малый ТКЛР. Также мало и . Поэтому можно считать, что . Для большинства используемых в качестве диэлектрика материалов:

.

3. Коэффициент старения.

Определяет изменение емкости конденсатора в следствии деградационных процессов в пленочных диэлектриках. Этот параметр в основном определяется изменением диэлектрической проницаемости со временем:

.

Для типовых материалов: .

4. Рабочее напряжение.

Рабочее напряжение обеспечивается подбором материала диэлектрической пленки с необходимым значением электрической прочности и необходимой толщиной пленки . Толщина диэлектрика из условия обеспечения заданного рабочего напряжения определяется по формуле:

,

где - коэффициент запаса, необходимый для обеспечения надежности конденсатора (3 – 10).

5. Добротность.

Добротность Q существенно зависит от конструкции конденсатора и используемых материалов:

,

где - тангенс угла потерь диэлектрика;

- тангенс угла потерь обкладок и выводов.

Сопротивление обкладок зависит от конструкции, проводимости материалов обкладок и их геометрических размеров, картины распределения токов в обкладках.

Для конденсаторов с двухсторонним расположением выводов ,

где и - сопротивления нижней и верхней обкладок, соответственно, которые могут быть рассчитаны по формуле для пленочного резистора: .

Добротность пленочных конденсаторов лежит в интервале от 10 до 100.

Дата добавления: 2014-01-11