Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Інші
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Електронні пристрої і системи
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Методичні вказівки
Предмет:
Твердотільна електроніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Методичні вказівки
до самостійної роботи студентів
з дисциплін «Твердотільна електроніка» та «Основи мікроелектроніки та функціональної електроніки» щодо виконання розрахунків і проектування плівкових елементів гібридних інтегрованих схем
для студентів напрямів
«Мікро- та наноелектроніка»
і «Електронні пристрої та системи»
Міністерство освіти і науки України
Вінницький національний технічний університет
Методичні вказівки
до самостійної роботи студентів
з дисциплін «Твердотільна електроніка» та «Основи мікроелектроніки та функціональної електроніки» щодо виконання розрахунків і проектування плівкових елементів гібридних інтегрованих схем
для студентів напрямів
«Мікро- та наноелектроніка»
і «Електронні пристрої та системи»
Вінниця
ВНТУ
2015
Рекомендовано до друку Методичною радою Вінницького національного технічного університету Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України (протокол № від 2015 р.)
Рецензенти:
О. В. Осадчук, доктор технічних наук, професор
С. Т. Барась, кандидат технічних наук, доцент
Методичні вказівки до самостійної роботи студентів з дисциплін «Твердотільна електроніка» та «Основи мікроелектроніки та функціональної електроніки» щодо виконання розрахунків і проектування плівкових елементів гібридних інтегрованих схем для студентів напрямів «Мікро- та наноелектроніка» і «Електронні пристрої та системи» / Уклад. Ю. С. Кравченко. – Вінниця : ВНТУ, 2015. – 29 с.
Наведені методика, основні формули і довідкові дані, необхідні для розрахунків плівкових елементів гібридних інтегрованих схем, а також практичні рекомендації щодо використання таких розрахунків при проектуванні приладів мікроелектроніки.
Призначені в якості додаткового матеріалу при організації самостійної роботи студентів напрямів «Мікро- та наноелектроніка» і «Електронні пристрої та системи» в межах дисциплін «Твердотільна електроніка» і «Основи мікроелектроніки та функціональної електроніки».
ЗМІСТ
ВСТУП.........................................................................................................
4
1 ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ ЩОДО ОРГАНІЗАЦІЇ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ СТУДЕНТІВ................................................................................
4
2 ПЛІВКОВІ ЕЛЕМЕНТИ ГІБРИДНИХ ІНТЕГРОВАНИХ СХЕМ…..
4
2.1 Підкладки тонкоплівкових ГІС…………………………………...
4
2.2 Матеріали елементів тонкоплівкових ГІС……………………….
5
2.2.1 Матеріали резисторів……………………………………...
5
2.2.2 Матеріали конденсаторів………………………………….
6
2.2.3 Матеріали провідників і контактних майданчиків……...
7
2.3 Методи формування конфігурацій елементів тонкоплівкових ГІС…………………………………………………………………………
9
2.3.1 Масочний метод…………………………………………...
9
2.3.2 Фотолітографічний метод………………………………...
9
2.3.3 Комбінований масочний і фотолітографічний метод…..
9
2.4 Конструктвні та технологічні обмеження при проектуванні тонкоплівкових ГІС……………………………………………………….
10
2.5 Конструктивний розрахунок тонкоплівкових резисторів ……
13
2.5.1 Розрахунок прямокутних смугових резисторів………….
15
2.5.2 Розрахунок резисторів складної форми………………….
18
2.6 Розрахунок тонкоплівкових конденсаторів...…………………...
20
ЛІТЕРАТУРА ……………………………………………………………..
28
ВСТУП
Чинні методичні вказівки розроблено відповідно до програми підготовки бакалаврів з електроніки за напрямами «Мікро- та наноелектроніка» і «Електронні пристрої та системи» та навчальних програм дисциплін «Твердотільна електроніка» і «Основи мікроелектроніки та функціональної електроніки».
Мета даної розробки – покращення методичного забезпечення самостійної роботи студентів в межах даних дисциплін і допомога в опануванні методиками розрахунків елементів інтегрованих мікросхем.
1 ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ ЩОДО ОРГАНІЗАЦІЇ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ СТУДЕНТІВ
Самостійна робота студентів в межах дисциплін «Твердотільна електроніка» та «Основи мікроелектроніки та функціональної електроніки» є обов’язковою складовою навчального плану підготовки бакалаврів з електроніки за напрямами «Мікро- та наноелектроніка» і «Електронні пристрої та системи», яка проводиться з метою безпосереднього практичного засвоєння студентами теоретичних знань із визначення параметрів та характеристик мікроелектронних елементів, набуття ними навичок роботи з комп’ютерного моделювання мікроелектронних структур.
Тематика і зміст самостійної роботи студентів визначені відповідно до вимог навчальних програм дисциплін і охоплюють всі найбільш принципові її розділи.
Основу самостійної роботи студентів з дисципліни «Основи мікроелектроніки та функціональної електроніки» становить курсова робота, яка виконується студентами у восьмому навчальному триместрі одночасно з вивченням ними теоретичного матеріалу.
2 ПЛІВКОВІ ЕЛЕМЕНТИ ГІБРИДНИХ ІНТЕГРОВАНИХ СХЕМ
2.1 Підкладки тонкоплівкових ГІС
Пдкладки ГІС є механічною і діелектричною основою для розташування плівкових та навісних елементів інтегрованої схеми.
Для малопотужних ГІС найчастіше використовують підкладки з боросікатного скла (С41-1 та С48-3) і ситали (СТ50-1) (табл. 2.1).
Габаритні розміри підкладок стандартизовані. Зазвичай на стандартній підкладці груповим методом виготовляють кілька плат ГІС (платою називають частину підкладки з розташованими на її поверхні плівковими елементами однієї ГІС). Ділення стандартної підкладки на частини, які кратні двом або трьом, дає ряд типорозмірів плат, основні з яих наведені в табл. 2.2.
Таблиця 2.1 – Електрофізичні параметри основних матеріалів підкладок малопотужних ГІС
Параметр
Матеріал
скло
ситал
С41-1
С48-3
СТ50-1
Клас чистоти обробки
14
14
13 – 14
Температурний коефіцієнт лінійного розширення ТКЛР
(41 ± 2)·10-7
(48 ± 2)·10-7
(50 ± 2)·10-7
Коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м·ºС)
1
1,5
1,5
Діелектрична проникність
7,5
3,2 ÷ 8
5 ÷ 8,5
Об’ємний опір, Ом·см
Таблиця 2.2 – Типорозміри плат ГІС
Номер типорозміру
Ширина, мм
Довжина, мм
Номер типорозміру
Ширина, мм
Довжина, мм
1
96
120
6
20
24
2
60
96
7
16
20
3
48
60
8
12
16
4
30
48
9
10
16
5
24
30
10
10
12
Товщина підкладок становить (0,35 ÷ 0,6) мм. Розміри підкладок мають тільки мінусові допуски в межах (0,1 ÷ 0,3) мм.
2.2 Матеріали елементів тонкоплівкових ГІС
2.2.1 Матеріали резисторів. Параметри тонкоплівкових резисторів визначаються властивостями резистивних матеріалів, товщиною резистивної плівки і умовами її формування. Для створення ГІС необхідні резистивні плівки з питомим опором ρs від десятків до десятків тисяч ом на квадрат.
В якості резистивних матеріалів використовують чисті метали і сплави з високим електричним опором, а також спеціальні резистивні матеріали – кермети, які складаються з частинок металу і діелектрика (наприклад, Cr i SiO).
Основні параметри деяких найбільш розповсюджених матеріалів тонкоплівкових резисторів наведені в табл. 2.3.
Таблиця 2.3 – Основні параметри матеріалів тонкоплівкових резисторів
Матеріал
Параметри
резистивної плівки
контактних майданчиків
питомий поверхневий опір ρs, Ом/□
діапазон номінальних значень опорів, Ом
допустима питома потужність розсіювання Р0, Вт/см2
темпера-турний коефіцієнт опору ТКR
Ніхром, дріт Х20Н80
мідь
300
50 - 30000
2
1·10-4
Ніхром, дріт
Золото з підшарком хрому
10
1 - 10000
2
- 2,25·10-4
50
5 - 50000
Сплав МЛТ-3М
Мідь з підшарком ванадію
500
50 - 30000
2
2·10-4
Кермет
К-50С
Золото з підшарком хрому
3000
1000 - 10000
2
3·10-4
5000
500 - 200000
-4·10-4
10000
10000 - 10000000
-5·10-4
Сплав
РС-3001
Золото з підшарком хрому (ніхрому)
1000
100 - 50000
2
-0,2·10-4
2000
200 - 100000
Сплав
РС-3001
3000
1000 - 200000
-3·10-4
2.2.2 Матеріали конденсаторів. Обкладинки конденсаторів повинні мати високу провідність, корозійну стійкість технологічну сумісність зз матеріалом підкладки і діелектрика конденсатора, ТКЛР, близькі до ТКЛР підкладки і діелектрика, хорошу адгезію до підкладки і діелектрика, високу механічну міцність.
Найкращим матеріалом для обкладинок конденсаторів є алюміній, який, однак, має погану адгезію до підкладки. Щоб запобігти відшарування нижньої обкладинки спочатку напилюють підшарок титану або ванадію. Верхня обкладинка, яка напилюється на діелектрик, не потребує підшарку. Застосування золота для обкладинок не рекомендується внаслідок високої рухливості атомів і можливої дифузії крізь діелектрик, яка може спричинити коротке замикання обкладинок.
В якості діелектричних матеріалів найчастіше використовують моноокиси кремнію і германію (табл. 2.4)
Таблиця 2.4 – Основні параметри діелектричних матеріалів тонкоплівкових конденсаторів
Матеріал
Параметри
для напилення діелектрика
для напилення обкладинок
питомий поверхневий плівки опір обкладинок ρs, Ом/□
питома ємність С0, пФ/см2
робоча напруга Uроб, В
електрична міцність Епр, В/cм
Моноокис кремнію
Алюміній А99
0,2
5000
60
(2 ÷ 3) ·106
10000
30
Моноокис германію
5000
10
1 ·106
10000
7
15000
5
2.2.3 Матеріали провідників і контактних майданчиків. Такі матеріали повинні мати малий питомий опір, хорошу адгезію до підкладки, високу корозійну стійкість.
Найбільш розповсюдженим матеріалом тонкоплівкових провідників і контактних майданчиків в ГІС підвищеної надійності є золото з підшарком хрому, ніхрому або титану. Підшарок забезпечує високу адгезію, а золото – необхідну провідність, високу корозійну стійкість, можливість паки і зварювання. Товщина золотих провідників зазвичай складає (0,5 ÷1) мкм.
В апаратурі з менш жорсткими вимогами до надійності в якості провідників використовують плівки міді або алюмінію з підшарком хрому, ніхрому або титану. Для запобіганню окисленню міді і покращення умов пайки або зварювання її покривають нікелем, золотом або сріблом.
Алюміній має достатньо високий рівень корозійної стійкості і може використовуватись як з захисним покриттям нікелю для забезпечення можливості пайки, так і без нього, якщо приєднання навісних компонентів і зовнішніх контактів здійснюється зварюванням. Товщина мідних і алюмінієвих провідників приблизно дорівнює 1 мкм, а товщина нікелевого або золотого покриття зазвичай складає десяті – соті долі мікрометра.
В табл. 2.5 наведені основні параметри струмопровідних матеріалів, підшарку і покриття, а в табл. 2.6 – параметри діелектричних матеріалів, що застосовуються для захисту елементів тонкоплівкових ГІС.
Таблиця 2.5 – Параметри багатокомпонентних систем провідників і контактних майданчиків тонкоплівкових ГІС
Матеріали підшарку, шару і покриття
Товщина шарів, мкм
Питомий поверхневий опір ρs, Ом/□
Рекомендуємий спосіб контактування зовнішніх виводів
Підшарок – ніхром Х2080
Шар – золото Зл999,9
0,01 – 0,03
0,6 – 0,8
0,03 – 0,05
Пайка мікропаяльником або зварювання імпульсним непрямим нагріванням
Підшарок – ніхром Х2080
Шар – мідь МВ
Покриття – нікель
0,01 – 0,03
0,6 – 0,8
0,08 – 0,12
0,02 – 0,04
Зварювання імпульсним непрямим нагріванням
Підшарок – ніхром Х2080
Шар – мідь МВ
Покриття - золото Зл999,9
0,01 – 0,03
0,6 – 0,8
0,05 – 0,06
0,02 – 0,04
Пайка мікропаяльником або зварювання імпульсним непрямим нагріванням
Підшарок – ніхром Х2080
Шар – алюміній А97
0,01 – 0,03
0,3 – 0,5
0,06 – 0,1
Зварювання подвоєним електродом
Підшарок – ніхром Х2080
Шар – алюміній А99
Покриття - нікель
0,04 – 0,05
0,25 – 0,35
0,05
0,1 – 0,2
Зварювання імпульсним непрямим нагріванням
Таблиця 2.6 – Електрофізичні параметри матеріалів, що застосовуються для захисту елементів тонкоплівкових ГІС
Матеріали діелектрику
Параметри
питома ємність С0, пФ/мм2
питомий об’ємний опір ρV, Ом · см
електрична міцність Епр, В/cм
Моноокис кремнію
17
1 ·1012
3 ·106
Халькогенідне скло
50
1 ·1012
4 ·105
Негативний фоторезист ФН-108
12
1 ·1012
1 ·105
Фоторезист ФН-11
50 – 80
3 ·1012
6 ·105
Лак поліамідний електроізоляційний
80 – 100
2 ·1012
5 ·105
Окис кремнію SiО2
100
1 ·1013
6 ·105
2.3 Методи формування конфігурацій елементів
тонкоплівкових ГІС
Для формування конфігурацій провідного, резистивного і діелектричних шарів використовують різноманітні методи: масочний – відповідні матеріали напилюють на підкладку через з’ємні маски; фотолітографічний – плівку наносять на всю поверхню підкладки, а потім витравлюють з відповідних ділянок; електронно-променевий – деякі ділянки плівки видаляють з підкладки випаровуванням за заданою програмою під дією електронного променя; лазерний – аналогічний електронно-променевому, тільки замість електронного променя використовують промінь лазера.
Найбільше розповсюдження отримали два перших методи, а також їх комбінації.
2.2.1 Масочний метод. При масочному методі рекомендується така послідовність формування шарів для виготовлення ГІС, які містять резистори, провідники, перетинання плівкових провідників, конденсатори. Напилення: 1) резисторів; 2) провідників і контактних майданчиків; 3) міжшарової ізоляції; 4) провідників; 5) нижніх обкладинок конденсаторів; 6) діелектрика; 7) верхніх обкладинок конденсаторів; 8) захисного шару. За відсутності конденсаторів виключаються операції 5 – 7, а за відсутності перетинань – операції 3 та 4.
2.2.2 Фотолітографічний метод. При фотолітографічному методі для виготовлення ГІС, що містять резистори і провідники, використовують два варіанти технології:
1) напилення резистивної плівки; напилення матеріалу провідної плівки; фотолітографія провідного шару; фотолітографія резистивного шару;нанесення захисного покриття;
2) після проведення перших двох операцій – фотолітографія провідного і резистивного шарів; фотолітографія провідного шару; нанесення захисного покриття.
При виробництві мікросхем, які містять провідники і резистори з двох різних матеріалів, рекомендується така послідовність операцій: напилення плівки першого резистивного матеріалу; напилення плівки другого матеріалу; напилення матеріалу провідної плівки; фотолітографія провідного шару; фотолітографія другого резистивного шару; фотолітографія першого резистивного шару; нанесення захисного шару.
2.2.3 Комбінований масочний і фотолітографічний метод. При поєднанні масочного і фотолітографічного методів для мікросхем, що містять резистори, провідники і конденсатори використовують два варіанти технології:
1) напилення резисторів через маску; напилення провідної плівки на резистивну; фотолітографія провідного шару; почергове напилення через маску нижніх обкладинок, діелектрика і верхніх обкладинок конденсаторів; нанесення захисного шару.
2) напилення резистивної плівки; напилення провідної плівки на резистивну; фотолітографія провідного та резистивного шарів; фотолітографія провідного шару; напилення через маску нижніх обкладинок, діелектрика і верхніх обкладинок конденсаторів; нанесення захисного шару.
Для схем, які не містять конденсаторів, застосовують один трьох варіантів:
напилення через маску резисторів; напилення провідної плівки; фотолітографія провідного шару; нанесення захисного шару;
Напилення резистивної плівки; фотолітографія резистивного шару; напилення через маску провідників і контактних майданчиків; нанесення захисного шару;
Напилення резистивної плівки; напилення через маску контактних майданчиків і провідників; фотолітографія резистивного шару; нанесення захисного шару.
2.4 Конструктивні та технологічні обмеження при проектуванні тонкоплівкових ГІС
В табл. 2.7 та 2.8 наведені основні конструктивні обмеження при використанні наступних методів створення плівкових елементів: масочного (М), фотолітографічного (Ф) і комбінованого (МФ).
Рисунок 2.1 – Типові конструкції тонкоплівкових резисторів:
а – смуговий прямокутний резистор; б – «меандр»
Таблиця 2.7 – Конструктивні та технологічні обмеження при проектуванні тонкоплівкових резисторів
Зміст обмеження
Розмір обмеження, мм
М
Ф
МФ
Точність виготовлення лінійних розмірів плівкових елементів і відстаней між ними ∆l, ∆b, ∆a, ∆L, ∆B та інших при розташуванні плівкових елементів в одному шарі, мм
± 0,01
± 0,01
± 0,01
Мінімально допустимий розмір резистора, мм
в
l
0,1
0,3
0,1
0,1
0,1
0,3
Мінімально допустимі відстані між плівковими елементами, розташованими в одному шарі, a, мм
0,3
0,1
0,3
Максимально допустиме співвідношення розмірів, l / a
10
100
30
Максимально допустима відстань між плівковими елементами, розташованими в різних шарах, с, мм
0,2
0,1
0,2
Перекриття для суміщення плівкових елементів, розташованими в різних шарах, е, мм
≥ 0,2
≥ 0,1
≥ 0,2
Мінімальна відстань від плівкових елементів до краю плати, d, мм
0,1
0,05
0,1
Мінімальна ширина плівкових провідників, і, мм
0,1
0,05
0,1
Мінімально допустима відстань між краєм плівкового резистора і краєм його контактного майданчика, j, мм
0,2
0,1
0,2
Рисунок 2.2 – Типова конструкція тонкоплівкового конденсатора
Таблиця 2.8 – Конструктивні та технологічні обмеження при проектуванні тонкоплівкових конденсаторів
Зміст обмеження
Розмір обмеження, мм
М
Ф
МФ
Мінімально допустимі відстані, мм між краями діелектрика і нижньої обкладинки конденсатора f
0,1
0,1
0,1
між краями верхньої і нижньої обкладинки конденсатора g
0,2
0,2
0,2
між краями діелектрика і з’єднанням вивода конденсатора з іншим плівковим елементом h
0,3
0,3
0,3
між краєм діелектрика і нижньою обкладинкою в місці вивода верхньої обкладинки с
0,3
0,3
0,3
Мінімальна площа перекриття обкладинок конденсаторів L × B, мм2
0,5 × 0,5
0,5 × 0,5
0,5 × 0,5
2.5 Конструктивний розрахунок тонкоплівкових резисторів
Конфігурація тонкоплівкових резисторів є досить простою, що, насамперед, визначається особливостями технології їх виготовлення. Найчастіше форма таких резисторів є прямокутною, оскільки саме така конфігурація є найпростішою за технологічним виконанням. У випадку необхідності забезпечення високих номіналів плівкових резисторів конфігурація, зазвичай, має форму «меандра» (рис. 2.2).
Конструктивний розрахунок таких резисторів полягає у визначенні форми, геометричних розмірів і мінімальної площі, яку займають резистори на підкладці. При цьому необхідно, щоб резистори забезпечували розсіювання заданої потужності при забезпеченні необхідної точності γR в умовах існуючих технологічних можливостей.
Вихідні дані для розрахунку: номінал резистора Ri, Ом; допуск на номінал γRі, %; потужність розсіювання Рі, мВт; робочий діапазон температур Tmax – Tmin, ºС; технологічні обмеження (див. табл. 2.6); крок координатної сітки.
Порядок розрахунку.
Визначають оптимальний з точки зору мінімуму площі під резисторами ГІС опір квадрату резистивної плівки:
, (2.1)
де n – кількість резисторів;
Ri – номінал і-го резистора.
2. За табл. 2.3 вибирають матеріал резистивної плівки з питомим опором, який є найближчим до значення вирахуваного . При цьому необхідно, щоб TKR матеріалу був мінімальним, а питома потужність розсіювання Р0 – максимальною.
3. Проводять перевірку правильності вибраного матеріалу з точки зору точності виготовлення резисторів.
Повна відносна похибка виготовлення плівкового резистора
, (2.2)
де – похибка коефіцієнта форми;
– похибка відтворення величини резистивної плівки;
– температурна похибка;
– похибка, зумовлена старінням плівки;
– похибка перехідних опорів контактів.
Похибка коефіцієнта форми залежить від похибок геометричних розмірів – довжини l і ширини b резистора:
. (2.3)
Похибка відтворення питомого поверхневого опору залежить від умов напилення і матеріалу резистивної плівки. В умовах серійного виробництва її значення не перевищує 5 %.
Температурна похибка залежить від TKR матеріалу плівки:
= αR (Tmax – 20 ºС), (2.4)
де αR – температурний коефіцієнт опору матеріалу плівки, 1 / ºС.
Похибка зумовлена старінням плівки і викликана повільною зміною структури плівки в часі та її окисленням. Вона залежить від матеріалу плівки і ефективності захисту, а також від умов зберігання і експлуатації. Зазвичай, не перевищує 3 %.
Похибка перехідних опорів контактів залежить від технологічних умов напилення плівок, питомого опору резистивної плівки і геометричних розмірів резистора. Зазвичай = (1 ÷ 2) %. Якщо матеріал контактних майданчиків вибрано у відповідності з табл. 2.3, то цією похибкою можна знехтувати.
Допустима похибка коефіцієнта форми
. (2.5)
Якщо значення від’ємне, то це означає, що виготовлення резистора заданої точності з вибраного матеріалу неможливе. В даному випадку необхідно вибрати інший матеріал з меншим TKR.
4. Визначають конструкцію резисторів за значенням коефіцієнта форми:
КФі = Ri / . (2.6)
При 1 ≤ КФі ≤ 10 рекомендується конструювати резистор прямокутної форми (рис. 2.1), при КФі > 10 – резистор складної форми («меандр»), а при 0,1 ≤ КФі ≤ 1 – резистор прямокутної форми, у якого довжина менша за його ширину. Конструювати резистор з КФі < 0,1 не рекомендується, оскільки він буде мати великі контактні майданчики і займати значну площу на підкладці.
Якщо в одній схемі мають місце як низькоомні, так і високоомні резистори, можна використати два резистивних матеріали, для вибору яких спочатку визначають для всіх резисторів, а потім розділяють резистори на дві групи таким чином, щоб Ri max першої групи було меншим, а Ri min другої групи – більшим за , розрахованого для всіх резисторів. Потім окремо розраховують та і вибирають матеріали для кожної резисторів окремо.
5. Подальший розрахунок проводять в залежності від форми резисторів.
2.5.1 Розрахунок прямокутних смугових резисторів. Для резисторів, які мають КФ ≥ 1 (рис. 2.3) спочатку визначають ширину, а потім довжину резистивної плівки.
Рисунок 2.3 – Прямокутний смуговий резистор
Розрахункове значення ширини повинно бути не меншим за найбільше значення однієї з трьох величин:
b розр ≥ max {bтехн; bточн; bР}, (2.7)
де bтехн – мінімальна ширина резистора, яка визначається можливостями технологічного процесу (табл. 2.7);
bточн – ширина резистора, яка визначається точністю виготовлення:
(2.8)
( - похибки виготовлення, див. табл. 2.7);
bР – мінімальна ширина резистора, за якої забезпечується задана потужність розсіювання:
. (2.9)
За ширину b резистора приймають найближче до bрозр більше значення, кратне кроку координатної сітки, прийнятому для креслення топології з урахуванням масштабу. Для тонкоплівкової технології крок координатної сітки зазвичай складає 1 або 0,5 мм. Наприклад, якщо крок координатної сітки складає 1 мм, а масштаб 20 : 1, округлення проводять до величини, кратної 0,05 мм.
Далі знаходять розрахункову довжину резистора:
. (2.10)
За довжину l резистора приймають найближче до значення, кратне кроку координатної сітки. При цьому слід оцінювати похибку, яка може утворитися, і при необхідності вибирати більше значення ширини b резистора, за якого округлення довжини дає задовільну похибку.
Визначають повну довжину резистора з урахуванням перекриття контактних майданчиків:
= , (2.11)
де е – розмір перекриття резистора і контактних майданчиків (див. табл. 2.7).
При використанні метода подвійної фотолітографії = .
Площа, яку займає резистор на підкладці
S = b. (2.12)
Для резисторів, які мають < 1, спочатку визначають довжину, а потім ширину резистора.
Розрахункове значення довжини резистора l розр за умови
l розр ≥ max {lтехн; lточн; lР}, (2.13)
де lтехн – мінімальна довжина резистора, яка визначається можливостями технологічного процесу (табл. 2.7);
lточн – довжина резистора, яка визначається точністю виготовлення:
(2.14)
( - похибки виготовлення, див. табл. 2.7);
lР – мінімальна довжина резистора, за якої забезпечується задана потужність розсіювання:
. (2.15)
Розрахункову ширину резистора визначають за формулою
. (2.16)
За ширину b резистора приймають найближче до bрозр значення, кратне кроку координатної сітки.
Повну довжину резистора з урахуванням перекриття контактних майданчиків і площу резистора визначають відповідно за формулами (2.11) та (2.12).
Для перевірки знаходять дійсну питому потужність і похибку резистора. Вочевидь, резистор спроектовано задовільно, якщо:
питома потужність розсіювання не перевищує допустимого значення :
(2.17)
похибка коефіцієнта форми не перевищує допустимого значення :
≤ ; (2.18)
3) сумарна похибка не перевищує допуску :
. (2.19)
2.5.2 Розрахунок резисторів складної форми. Резистори типу «меандр» (рис. 2.4) розраховують за умови забезпечення мінімальної площі, що займає даний резистор.
Рисунок 2.4 – Тонкоплівковий резистор типу «меандр»
Розрахунок меандру проводять після визначення ширини b в такій послідовності.
Визначають довжину середньої лінії меандру:
lсер = bКф . (2.20)
Задають відстань між резистивними смужками а. З урахуванням технологічних обмежень (див. табл. 2.7) при масочному методі аmin = 300 мкм, при фотолітографії аmin = 100 мкм (зазвичай задають а = b).
Знаходять крок однієї ланки меандру:
t = a + b. (2.21)
Визначають оптимальну кількість ланок меандру nопт з умови, що площа, яка займається резистором типу «меандр», була мінімальною. Вочевидь, це буде у випадку, коли меандр вписується в квадрат (L = B).
Якщо відношення довжини середньої лінії меандру до ширини резистивної смужки більше за 10, то оптимальна кількість ланок меандру може бути розрахована за приблизною формулою
. (2.22)
При L = B (меандр квадратної форми) і a = b вираз спрощується:
. (2.23)
Значення округлюють до найближчого цілого.
Визначають довжину меандру:
L = n (a + b). (2.24)
Розраховують ширину меандру:
B = (lcep - an) / n, (2.25)
де n – оптимальна кількість ланок меандру, округлене до найближчого цілого.
Відстань а вибирають з конструктивно-технологічних міркувань. Наприклад, при напиленні резисторів через маску розмір аmin визначається мінімально можливою відстанню між сусідніми щілинами у масці. Для забезпечення необхідної жорсткості маски вона повинна задовольняти умові
Вmax / а ≤ 10. (2.26)
Якщо ця умова не виконується, необхідно змінити відстань а і знову розрахувати nопт, L, B. Для фотолітографічного метода вказана умова не критична.
Наведені розрахункові співвідношення не враховують, що в резисторах типу «меандр» густина струму в згинах нерівномірна. Це призводить до скорочення електричної довжини плівкового резистора і зменшення опору.
Для приблизної оцінки опору меандру можна скористатися формулою
. (2.27)
Для уточненого розрахунку з урахуванням згинів конструкцію резистора типу «меандр» можна подати у вигляді послідовно з’єднаних прямолінійних ділянок і згинів. При цьому його опір можна визначити як суму опорів прямолінійних ділянок і згинів:
, (2.28)
де – опір згинів;
т – кількість згинів;
– довжина прямолінійних ділянок;
п – кількість ланок меандру.
Для згину під прямим кутом =2,55, а для П-подібного згину = 4. Звідси довжина прямолінійної ділянки однієї ланки меандру
(2.29)
Після цього корегують розміри L і B зметою забезпечення заданого номіналу резистора.
2.6 Розрахунок тонкоплівкових конденсаторів
Всі характеристики плівкових конденсаторів: ємність, робоча напруга, температурний коефіцієнт ємності, частотні властивості і розміри залежать ві вибраних матеріалів.
Ємність тонкоплівкових конденсаторів визначається площею перекриття його обкладинок (активною площею або площею верхньої обкладинки).
Рисунок 2.5 – Тонкоплівковий конденсатор
На рис. 2.5 наведена конструкція конденсатора з площею верхньої обкладинки більшої за 5 мм2. Оскільки верхні обкладинки формують масочним методом, то для усунення похибки суміщення в місці виводу верхньої обкладинки з протилежної сторони від виводу роблять компенсатор. При активній площі плівкового конденсатора меншої за 5 мм2 на параметри конденсатора починає впливати краєвий ефект. При цьому, цей вплив буде тим більший, чим менша площа. При активній площі від 1 до 5 мм2 обкладинки можна виконувати у вигляді двох смужок, що взаємно перетинаються (рис. 2.6).
Рисунок 2.6 – Тонкоплівковий конденсатор з розрахунковою
площею від 1 до 5 мм2
Якщо розрахункова площа менша за 1 мм2, конденсатор можна виконувати у вигляді послідовно з’єднаних двох або більше конденсаторів.
Мінімальна товщина діелектричного шару обмежена вимогою отримання суцільної плівки без наскрізних отворів і з заданою електричною міцністю, а максимальна товщина обмежена механічними напруженнями в наростаючій плівці. Товщину діелектрика визначають за формулою
dmin ≥ Kз Uроб / Ем , (2.30)
де Kз – коефіцієнт запасу електричної міцності (для плівкових конденсаторів Kз = (2 ÷ 3);
Uроб – робоча напруга, В;
Ем – електрична міцність матеріалу діелектрика, В / мм.
Сумарну відносну похибку ємності конденсатора визначають за формулою
, (2.31)
де – відносна похибка питомої ємності, яка характеризує відтвореність питомої ємності в умовах даного виробництва (залежить від матеріалу і похибки товщини діелектрика і становить (3 ÷ 5) %);
– відносна похибка активної площі плівкового конденсатора (залежить від точності геометричних розмірів, форми і площі верхніх обкладинок конденсатора);
– відносна температурна похибка (залежить в основному від ТКС матеріалу діелектрика);
– відносна похибка, яка обумовлена старінням плівок конденсатора (залежить від матеріалу і метода захисту і зазвичай не перевищує (2 ÷ 3) %).
Відносна температурна похибка
= αС (Tmax – 20 ºС), (2.32)
де αС – ТКС матеріалу діелектрика, який для рекомендованих даними методичними вказівками матеріалів становить 5·10-4 1 / ºС.
Відносна похибка активної площі конденсатора
, (2.33)
де – відповідно похибки площі, довжини і ширини верхньої обкладинки.
Відносна похибка активної площі конденсатора (площі перекриття обкладинок) мінімальна,якщо обкладинки мають форму квадрата. Відхилення контура верхньої обкладинки від квадрата супроводжується збільшенням .
Для врахування цих відхилень використовують коефіцієнт форми обкладинок
КФ = L / B. (2.34)
Тоді відносну похибку активної площі конденсатора при ∆L = ∆B можна визначити за формулою
. (2.35)
Для забезпечення заданої точності ємностсті при виготовленні конденсатора необхідно, щоб виконувалась умова
, (2.36)
де – максимально допустима відносна похибка активної площі, яка може мути визначена як
. (2.37)
З виразу (2.36) випливає, що при вибраному з технологічних міркувань значенні коефіцієнта форми площа верхньої обкладинки
. (2.38)
Якщо
04.10.2016 22:10-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора