Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Розрахунок плівкових конденсаторів.
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
1999
Тип роботи:
Методичні вказівки
Предмет:
САПР електронних приладів та пристроїв
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Розрахунок плівкових конденсаторів
Методичні вказівки
до курсового проектування (лабораторних і практичних занять) з курсу
САПР ЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ ТА ПРИСТРОЇВ
для студентів базового напрямку 6.0908
“ЕЛЕКТРОНІКА”
З а т в е р д ж е н о
на засіданні кафедри
напівпровідникової електроніки
Протокол № від 1999 р.
ЛЬВІВ 1999
Розрахунок плівкових конденсаторів. Методичні вказівки до курсового проектування (лабораторних і практичних занять) з курсу “САПР електронних приладів та пристроїв” базового напрямку 6.0908“Електроніка“ / Укл. Курило І.В.- Львів: Державний університет “Львівська політехніка”, 1999. - с.
Укладач Курило І.В., проф., д.ф.-м.н.
Відповідальний за випуск Матковський А.О., проф., д.ф.-м.н.
Рецензент Сиротюк С.В., доц., к.ф.-м.н.
Конструкції плівкових конденсаторів.
Поряд з резисторами конденсатори належать до числа найбільш росповсюджених елементів гібридних мікросхем. По конструкції плівковий конденсатор в більшості випадках являє собою трьохшарову структуру (рис. 1). Він складається з нижньої обкладинки 1, діелектричної плівки 2, і верхньої обкладинки 3. Вся конструкція наноситься на підкладку 4. Площа нижньої обкладинки конденсатора, яка рівна добутку b1L1, більша площі верхньої обкладинки, яка рівна добутку b2L2, а площа діелектричної плівки більше площі нижньої обкладинки. Це виключає можливість замикання обкладинок і усуває похибку від їх зміщення.
До матеріалу обкладинок плівкового конденсатора пред’являються наступні вимоги: висока електропровідність, яка забеспечує малі втрати енергії, добра адгезія, мала міграціонна рухливість атомів. Остання з цих вимог не дозволяє використовувати в якості матеріалів обкладинок золото або мідь, тому що для них характерна висока рухливість атомів. Внаслідок їх дифузії в діелектрику можуть виникати короткі замикання. Для виготовлення обкладинок не використовуються також метали з високою температурою випаровування, наприклад нікель або хром. Це пов’язане з тим, що атоми таких металів, набуваючи високу енергію при температурі випаровування, проходять діелектричний шар і викликають коротке замикання обкладинок.
Найбільш придатним матеріалом для обкладинок тонкоплівкового конденсатора є алюміній. Алюміній має порівняно невисоку температуру випаровування, а, отже, його атоми мають низьку енергію в процесі напилення. В ряду електропровідності алюміній займає третє місце після золота і срібла, тобто електричний опір обкладинок з алюмінія виявляється достатьньо малим, що забеспечує високу добротність виготовлених конденсаторів. Конденсатори з алюмінієвими обкладинками надійні, оскільки атоми алюмінія мають малу міграційну рухливість. Це пояснюється утворенням на поверхні алюмінія окисного шару Al2O3, який заважає дифузії атомів алюмінія в діелектрик. Для покращення адгезії алюмінія до підложки використовують підшарок титана або хрома.
Діелектрик, який використовується в тонкоплівкових конденсаторах, повинен володіти малими діелектричними втратами, високою електричною міцністю, доброю адгезією до підложки і до обкладинок, малим температурним коефіцієнтом емності, стабільністю фізичних параметрів у діапозоні робочих температур, достатньо високою діелектричною проникливістю. Крім цього, температурний коефіцієнт лінійного розширення діелектрика (ТКЛР) повинен бути узгоджений з відповідними коефіцієнтами підложки і матеріала обкладинки. Електричні параметри найбільш часто використовуваних тонкоплівкових конденсаторів приведені в таблиці 1.
Таблиця 1. Параметри матеріалів плівкових конденсаторів.
Матеріал
діелектрика
Матеріал
обкладинок
Діелектрична проникливість на частоті 1кГц,
(
Питома ємність
С0,пФ/см2
Тангенс кута діелектричних втрат на частоті 1кГц, tg(
Температурний коефіцієнт ємності ТКЄ*104, град-1
Електрична міцність
Емц*10-6, В/см
Стабільність в нормальних умовах за 1000 г
Роботи, %
Спосіб нанесення плівок
Моноокис кремнію
Алюміній
5 - 6
5000-10000
0,01-0,02
2 – 3,5
2 - 3
((1,5 – 6)
Термічне напилення
Моноокис германія
Алюміній
10 - 12
5000,
10000,
15000
0,001-0,005
3 - 5
1
-1
Термічне напилення
Діоксид кремнію
Алюміній
4
20000
0,5
2
5 - 10
--
Іон-плаз., реактивне розпилен-ня
Окис алюмінію
Алюміній,нікель
8
30000,
40000
0,3 – 1
3 - 4
5
--
Реактивне розпилен-ня, анодне окислення
Окис тантала
Тантал, ванадій
20 - 23
50000,
100000,
200000
0,02
4
2
(1
Реактивне розпилен-ня, анодне окислення
Боросилі-катне скло
(БСС)
Алюміній,ванадій, титан
3,9 – 4,2
15000
0,001
0,2
3 - 5
--
Термічне напилення
Алюмо- силікатне скло
(АСС)
Алюміній,ванадій, титан
5,2 – 5,5
30000
0,003
1,5
3 – 5
--
Термічне напилення
Ітрій-боритне скло (ІБС)
Алюміній,ванадій, титан
10 – 12
60000
0,007
5
2 – 3
--
Термічне напилення
Паста
ПК-12
Паста
ПП-1, ПП-2
--
10000
0,03 – 0,04
(10
150 В
(5
Сітко-графія
Паста
ПК1000-30
Паста
ПП-1, ПП-2
--
3700
0,036
(10
150 В
(5
Сітко-графія
В тонкоплівкових конденсаторах в якості матеріалів для виготовлення верхніх та нижніх обкладинок використовується проводяща паста. Діелектрична паста, як і проводяща та резистивна пасти, складається з функціонального матеріалу, постійного зв’язуючого (легкоплавких стекол) і органічних добавок. В якості функціонального матеріалу в діелектричних пастах використовують керамічні наповнювачі з високою діелектричною проникливістю (титанат барія, двоокис титана та інш.). Керування діелектричною проникливістю виконується зміною частки керамічного наповнювача в системі керамічний наповнювач – скло. Вибраний діелектричний матеріал визначає ємності, частотні властивості, полярність і розміри плівкових конденсаторів.
Конструкція плівкового конденсатора, яка показана на рис.1, використовується в тому випадку, коли площа верхньої обкладинки S складає не меньше 10 мм2. При S=5-10 мм2 рекомендується конструювати плівковий конденсатор у вигляді двох плівкових провідників 1 і 3 які перетинаються під прямим кутом і розділені діелектричним шаром 2, як показано на рис.2, а. При активній площі плівкового конденсатора меньше 5 мм2 необхідно використовувати послідовне з’єднання кількох конденсаторів (рис.2, а) або ж двосторонню конструкцію (рис.2, б), в якій діелектричним шаром 2 є матеріал підложки. При S=1 мм2 рекомендується конструювати гребінчатий плівковий конденсатор (рис. 2, с). Ємність такого конденсатора на 90% складається з паразитної ємності, яка обумовлена крайовим ефектом. Точно розрахувати її не можливо, тому що тяжко врахувати ступінь проникнення електричного поля в підложку та у повітря або в захисне покриття мікросхем.
Рис. 1
Конструкція плівкового конденсатора.
а – топологія; б – поперечне січення;
1,3 – обкладинки конденсатора; 2 – діелектрична плівка;
4 – підложка.
Ємність гребінчатого плівкового конденсатора, яка вирожена в пікофарадах, визначається по емпіричній формулі
,
де ( - коефіцієнт, який залежить від ширини плівкових провідників і відстані між ними; l – довжина спільної границі провідників, см; (р – розрахункове значення відносної діелектричної проникливості.
Для конденсатора, який не має захисного покриття, розрахункове значення відносної діелектричної проникливості
/2.
Для конденсатора, який має захисне покриття,
/2.
Де (п – відносна діелектрична проникливість матеріала підкладки; (д – відносна діелектрична проникливість шару покриття.
Конденсатори, конструкція яких виконана, як показано на рис.2, а, характеризуються більш високою точністю отримання
Рис. 2
Плівкові конденсатори малої ємності.
а – з перехрещеними плівковими провідниками; б – з використанням підложки в якості діелектричного шару; с – гребінчатої конструкції;
1,3 – плівкові провідники; 2 – діелектричний шар; 4 – підложка.
заданого номіналу ємності в порівнянні зі звичайними конденсаторами того ж самого номіналу.
Розрахунок плівкових конденсаторів.
Вихідними для визначення геометричних розмірів конденсаторів є:
Схемотехнічні данні (з принципрвої електричної схеми) – номінал конденсатора С, пФ, допуск на номінал (с, %; робоча напруга Uр, В; тангенс кута діелектричних втрат tg( або добротність Q (Q=1/tg();
Технологічні данні та обмеження;
Експлутаціонні данні – діапазон робочих температур, робоча частота fp та інш.
Розрахунок плівкових конденсаторів починають з вибору матеріалу обкладинок і матеріалу діелектрика (див. табл.1). Щоб конденсатор займав якумога меньшу площу, потрібно вибирати матеріал діелектрика з максимальною діелектричною проникливістю (, з високою електричною міцністю Е, а також з малими значеннями ТКЄ і tg(. Для забеспечення високої добротності конденсатора необхідно, щоб матеріал обкладинок мав малий питомий поверхневий опір.
Ємність конденсаторів, які складаються з двох обкладинок, розділених діелектриком (див. рис.1),
(1)
Де С0 – питома ємність; S=SВ – площа взаємного перекриття обкладинок (площа верхньої обкладинки конденсатора).
Питома ємність, виходячи з умов електричної міцності, визначається зі співвідношення
(2)
де (0=0,0885 пФ/см2 – відносна діелектрична проникливість; ( -діелектрична проникливість діелектрика; d –товщина діелектрика.
Мінімальну товщину діелектрика вибирають таким чином, щоб конденсатор надійно витримував задану робочу напругу:
(3)
де Кз – коефіцієнт запасу по напрузі (Кз=2-3).
Якщо необхідно забеспечити задану похибку ємності, тоді питома ємність конденсатора визначається зі співвідношення
(4)
де (s – відносна похибка площі конденсатора; (L=(B – абсолютні похибки розмірів обкладинок конденсатора; Кф=L/B – коефіцієнт форми конденсатора.
Максимально допустима відносна похибка площі конденсатора
(5)
де - відносна похибка питомої ємності, яка характеризує відтворюваність питомої ємності в умовах даного виробництва (залежить від матеріала та похибки товщини діелектрика і становить 3 – 5 %); - відносна похибка, яка зумовлена старінням плівок конденсатора (залежить від матеріалу та методу захисту і звичайно не перевищує 2 – 3 %); - відносна температурна похибка, яка визначається з виразу
(6)
де (С – температурний коефіцієнт ємності (ТКЄ).
Після розрахунку питомої ємності конденсатора за формулами (2) і (4) вибирають меньше з двох отриманих значень:
(7)
Потім визначають площу верхньої обкладинки
(8)
Розміри верхньої обкладинки розраховують згідно наступних співвідношень:
(9)
(10)
Розміри нижньої обкладинки:
(11)
(12)
де q – розмір перекриття верхньої і нижньої обкладинки конденсатора. Розміри діелектрика:
(13)
(14)
де f – розмір перекриття нижньої обкладинки і діелектрика. Потім визначають площу, яку займає конденсатор:
(15)
При розрахунку конденсаторів малої площі (S = 1 – 5 мм2) необхідно враховувати підвищення ємності конденсатора, яке зумовлене впливом крайового ефекту ( підвищення напруженості електричного поля на краях обкладинок). Площа конденсатора повинна бути зменьшена:
(16)
де К – коефіцієнт, який враховує крайовий ефект:
(17)
Конденсатор спроектований вірно, якщо робочий тангенс кута втрат не перевищує заданого:
(18)
Втрати в конденсаторі сладаються з втрат у діелектрику та в обкладинках:
(19)
Тангенс кута втрат в діелектрику є довідковим параметром. Втрати в обкладинках залежать від їх опору:
(20)
де Rобк – опір обкладинок конденсатора, Ом; С – ємність конденсатора, Ф; fp – робоча частота, Гц.
Повний опір обох-двох обкладинок розраховується за формулою:
(21)
де (0обк – питомий поверхневий опір матеріалу обкладинок (визначають по табл.1). Крім цього, необхідно оцінити забеспечення електричного режиму та точності конденсатора в заданих умовах експлотації, тобто
(22)
де
(23)
см (24)
(25)
де
(26)
Якщо одна з нерівностей (18), (22), (25) не виконується, то необхідно вибрати інший матеріал діелектрика, або матеріал обкладинок, або змінити конструкцію конденсатора.
Якщо в схемі є декілька конденсаторів, то для виготовлення їх в єдиному технологічному циклі доцільно вибирати для всіх конденсаторів один і той же діелектрик з однаковою товщиною і однаковою питомою ємністю С0.
Для декількох конденсаторів на одній подложці розрахунок починають з конденсатора, який має найменьший номінал ємності. Після вибору матеріала і розрахунків за формулами (2) – (5) визначають значення питомої ємності, при якому кондкнсатор буде займати мінімальну площу на підложці:
(27)
Кінцевий вибір С0 виконується за формулою
(28)
Обчислюють товщину діелектрика, яка відповідає питомій ємності, за формулою (24). Якщо товщина дієлектрика не виходить за межі можливостей тонкоплівкової технології (0,1 – 1 мкм), то продовжують подальші розрахунки, якщо ні – вибирають інший матеріал.
Якщо пораховані розміри конденсаторів виходять великими, то необхідно вибрати інший діелектричний матеріал з більш високою проникливістю (. Крім того, потрібно збільшити кількість обкладинок або використати навісні конденсатори з меньшими геометричними розмірами і достатньо хорошими електричними характеристиками.
Часто виникає потреба конструювання конденсаторів з підвищеною точністю отримання ємності, яка перевищує технологічні можливості виробництва. У цьому випадку в конструкції плівкового конденсатора потрібно передбачати крім основної секції з незмінною ємністю ділянку, ємність якої може змінюватись. Конструктивні форми таких конденсаторів показані на рис.3. Від звичайних конденсаторів вони відрізняються секціонованими верхніми обкладинками.
Від’єднуючи секції конденсатора, який зображений на рис.3 а, можна зменьшити його ємність, підганяючи її значення в заданий допуск. Від’єднання секції може відбуватись за допомогою різця мікроманіпулятора. Верхня обкладинка конденсатора, яка зображена на рис.3 б, складається з декількох не з’єднаних між собою секцій. Під’єднуючи або вимикаючи деякі секції, ємність конденсатора можна змінювати у будь-яку сторону, на відміну від першого варіанту, в якому ємність при від’єднанні секцій можна тільки зменьшуватсь.
За допомогою плівкової технології не вдається виконати конденсатори з плавною зміною ємності в широкому діапазоні. Тому для реалізації таких конденсаторів також приходиться використовувати плівкові конденсатори зі ступінчатою зміною ємності. Одна з конструкцій конденсатора, яка дозвляє в порівняно широкому інтервалі підбирати потрібне значення ємністі, показана на рис. 3, б. На рис.4 зображена інша, так звана “матрична” конструкція плівкового конденсатора з ступінчатою зміною ємності
Рис. 3. Рис. 4
Плівкові конденсатори високої Матричний плівковий
точності. конденсатор.
а – зі зменьшеною ємністю під час 1,2 – обкладинки конденсатора;
підгонки; б – зі збільшеною ємністю 3 – діелектричний шар.
під час підгонки;
1 – нижня обкладинка конденсатора;
2 – діелектричний шар; 3 – верхня
обкладинка.
в дуже широкому діапазоні. Обкладинки 1 і 2 цього конденсатора представляють собою гребінки, які розділенні загальним діелектричним шаром 3. В місцях перехрещення провідникових плівок які належать різним шарам, утворюються секції конденсатора, які можна від’єднати розривом будь-якого провідника.
Необхідне число секцій матричного конденсатора
,
де Смакс – початкова максимальна ємність матричного конденсатора; tc – крок підбору ємності, яка представляє собою ємність однієї секції.
Визначивши число секцій n, знайдемо необхідне число плівкових провідників нижньої n1 і верхньої n2 обкладинок-гребінок
Приклад.
Визначити розміри плівкового конденсатора виходячи з таких данних: С=870пФ; Up=15В; (С=15%; технологічні данні: (B=(L=0.01мм; q=0.2мм; f=0.1мм; (Co=5%; (Cст=1%; експлутаційні данні: діапазон температур від –60 до +120(С; максимальна робоча частота fp=300кГц.
Вибираємо матеріал діелектрика – моноокис кремнію (див. табл.1). Його параметри (=5, tg(=0.01, Е=2*106В/см, ТКЄ=2*10-41/(С.
Мінімальну товщину діелектрика і питому ємність С0U для забеспечення необхідної електричної міцності знайдемо з (2) і(3): d=15*10-6см, С0U=295пФ/мм2.
Визначемо (Сt, (S, C0точн згідно формул (4) - (6): (Сt=2%, (S=7%, C0точн=10657.5пФ/мм2. Таким чином згідно (7) вибираємо меньше значення С0=295пФ/мм2.
Визначемо по (24), яка товщина діелектрика відповідає вибраній питомій ємності С0: d=0.15*10-4см, що підходить для тонкоплівкової технології.
Обчислюємо площу верхньої обкладинки за формулою (8): Sв=2.949мм2.
Знаходимо коефіцієнт, який враховує крайовий ефект за формулою (17): К=1.123.
Визначаємо площу верхньої обкладинки за формулою (16): Sв=2.627мм2.
Знайдемо розміри верхньої обкладинки по формулам (9), (10): Lв=Вв=1.62мм.
Обчислюємо розміри нижньої обкладинки Lн=Вн=2.02мм.
Знайдемо розміри діелектрика Lд=Вд=2.22мм.
Визначаємо площу конденсатора Sд=4.928мм2.
Виконуємо перевірку по (18) - (26): отримаємо tg(роб<tg(, Eроб<E, (Sроб<(S
НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ
Розрахунок плівкових конденсаторів
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до курсового проектування (лабораторних і практичних занять) з курсу “САПР електронних приладів та пристроїв”
для студентів базового напрямку 6.0908 “Електроніка”
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора