Гибридные микросхемы. Расчет пленочных конденсаторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Интегральная микросхема

Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа.

Интегральная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), микросхема (ИС, ИМС, м/сх), чип, микрочип (англ. chip - щепка, обломок, фишка) - микроэлектронное устройство - электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) - ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чип компоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа» в отличие от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате. Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. В настоящий момент (2006 год) большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

История

В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробовать их объединить в один монолитный кристалл из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения - началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild SemiconductorCorporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.

Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л.Н. Колесова.

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов - эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).

Уровни проектирования.

· Физический - методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле;

· Электрический - принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т.п.);

· Логический - логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т.п.);

· Схемо- и системотехнический уровень - схемо- и системотехническая схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т.п.);

· Топологический - топологические фотошаблоны для производства;

· Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) - команды ассемблера для программиста.

В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

Классификация

Степень интеграции

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):

· Малая интегральная схема (МИС) - до 100 элементов в кристалле;

· Средняя интегральная схема (СИС) - до 1000 элементов в кристалле;

· Большая интегральная схема (БИС) - до 10000 элементов в кристалле;

· Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - до 1 миллиона элементов в кристалле;

· Ультрабольшая интегральная схема (УБИС) - до 1 миллиарда элементов в кристалле;

· Гигабольшая интегральная схема (ГБИС) - более 1 миллиарда элементов в кристалле.

В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

Технология изготовления.

Полупроводниковая микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).

· Плёночная микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

· толстоплёночная интегральная схема;

· тонкоплёночная интегральная схема.

· Гибридная микросхема - кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

Вид обрабатываемого сигнала.

· микросхема аналоговая;

· микросхема цифровая;

· Микросхема аналого-цифровая.

Аналоговые микросхемы - входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы - входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ - логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ - логики при питании ?5,2 В: логическая единица - это ?0,8…?1,03 В, а логический ноль - это ?1,6…?1,75 В.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают всё большее распространение.



1. Общая часть. Проектирование топологии гибридных микросхем

1.1 Особенности топологии и этапы разработки

В основу разработки гибридных микросхем положены функционально-узловой метод конструирования и групповые методы изготовления. Это означает, что гибридную микросхему выполняют в виде функционально - законченного узла, предназначенного для решения определенной задачи дискретного или непрерывного преобразования электрических сигналов.

Разработка гибридных микросхем представляет собой комплекс мероприятий, направленных на создание комплекта конструкторской документации, предназначенного для изготовления и контроля микросхем.

Исходными данными для проектирования являются:

1) техническое задание для разработки микросхемы или серии микросхем. Техническое задание включает технические требования (функцию, электрические характеристики и параметры разрабатываемой микросхемы, напряжение питания и т.д.); эксплуатационные требования (по климатическим и механическим воздействиям); требования по надежности (время безотказной работы, средний срок службы и т.д.); требования к сохраняемости (в складских условиях, в полевых условиях); конструктивные требования (тип и размер корпуса, масса, требования к выводам и т.д.);

2) принципиальная электрическая схема, разрабатываемая на основании технического задания и отработанная с учетом ее реализации в виде пленочной гибридной микросхемы;

3) технологические возможности и ограничения, т.е. сведения о технологических процессах и оборудовании, которые могут использоваться для изготовления гибридных микросхем.

Проектирование гибридных микросхем осуществляется в такой последовательности:

1) анализ технического задания;

2) расчет пленочных пассивных элементов с учетом схемотехнических требований и технологических возможностей;

3) разработка коммутационной схемы и определение площади подложки;

4) разработка эскиза топологии;

5) контрольно-проверочные расчеты;

6) разработка окончательного варианта топологии;

7) разработка послойных чертежей;

8) оформление и выпуск технической документации.

1.2 Проектирование топологии тонкопленочных гибридных микросхем

пленочный конденсатор гибридный микросхема

Основным завершающим этапом процесса конструирования является разработка топологического чертежа микросхемы и ее оптимизация. Топологический чертеж микросхемы представляет собой конструкторский документ, строго определяющий ориентацию и взаимное расположение всех элементов микросхемы на площади подложки, а также форму и размеры пассивных элементов. Он составляется с учетом ряда требований и ограничений, связанных с принципом работы и назначением данной микросхемы. Иначе говоря, топологический чертеж, или просто топология микросхемы, есть документ, предопределяющий оптимальное размещение элементов микросхемы на подложке, обеспечивающий изготовление микросхемы с заданными техническими и электрическими параметрами.

Топологический чертеж является основным документом, по которому можно оценить возможный характер и величину паразитных связей в микросхеме, рассчитать тепловые режимы ее элементов и микросхемы в целом, определить надежность с учетом не только режимов работы, но и рабочих температур элементов. Только по одной принципиальной схеме изделия это выполнить невозможно.

При разработке топологических чертежей микросхем необходимо учитывать следующие специфические особенности.

Все схемные элементы гибридных микросхем, кроме активных компонентов, формируются с высокой плотностью на поверхности подложки. Это приводит к увеличению паразитных взаимодействий между основными элементами схемы и к появлению новых паразитных элементов, а также к усилению теплообмена между элементами и повышению уровня собственных шумов.

Все схемные элементы гибридных микросхем, кроме навесных компонентов, должны изготовляться за один технологический цикл, что исключает предварительную отработку и удаление дефектных элементов.

Непосредственно перед разработкой топологии микросхемы составляется схема расположения, называемая также коммутационной. При ее составлении за основу принимается принципиальная электрическая схема, преобразованная с учетом конструктивных особенностей элементов, компонентов и межсоединений. Так, в частности, сокращается по возможности число пересечений проводников, в соответствии с техническими требованиями к топологии располагаются внешние контактные площадки, указываются места расположения навесных компонентов, а для присоединения их выводов предусматриваются внутренние контактные площадки. Кроме того, в некоторых случаях вводятся дополнительные контактные площадки для того, чтобы обеспечить возможность независимого контроля параметров пассивных элементов.

Исходными данными для разработки топологии гибридных микросхем являются: коммутационная схема; размер платы и тип корпуса; геометрические размеры и форма пленочных элементов; геометрические размеры компонентов; конструктивные и технологические ограничения, которые зависят от технологического метода создания пленочных элементов масочного (М), фотолитографического (Ф), комбинированного масочного и фотолитографического (МФ), электронно-ионного (ЭИ), танталового (ТА).

Начальный этап разработки топологии заключается в изготовлении эскиза, который выполняется в масштабе 10:1 или 20:1. Разработку эскиза топологии рекомендуется выполнять в два этапа. Сначала решается задача оптимального размещения элементов на подложке, причем необходимо стремиться к минимизации и равномерному использованию площади платы. После размещения элементов осуществляют межэлементные межкомпонентные соединения, или, иначе говоря, разводку (трассировку) проводников на плате. При разводке проводников межэлементного монтажа на плате исходят из определенных общих требований. Главные их них сводятся к минимизации длин проводников, числа их пересечений и монтажной емкости. Указанные требования в известной степени противоречивы. Для их удовлетворения необходимо при проектировании гибридных микросхем придерживаться ряда правил. Например, пленочные проводники должны иметь минимальную длину, высокочастотные входные и выходные проводники должны быть как можно дальше отнесены друг от друга. В каждом конкретном случае схема трассировки проводников достаточно жестко привязана к определенному размещению элементов. Если все практически возможные варианты трассировки признаны неудовлетворительными, то изменяют расположение элементов на плате. Эта операция повторяется до тех пор, пока не будет решена задача трассировки. При разработке эскиза топологии необходимо учитывать, что допускается установка навесных компонентов на пленочные проводники и резисторы, защищенные пленкой диэлектрика, но не следует их устанавливать на пленочные конденсаторы и пересечения пленочных проводников. Навесные компоненты рекомендуется располагать рядами, параллельно сторонам платы.

Разработанная топология должна соответствовать принципиальной электрической схеме; удовлетворять всем конструктивным, технологическим и электрическим требованиям; обеспечивать возможность измерений электрических параметров пленочных элементов и нормальную работу микросхемы в заданных условиях эксплуатации; иметь требуемый уровень надежности.

Проверка правильности разработки топологии гибридной микросхемы осуществляется в следующей последовательности. Сначала проверяют соответствие топологии принципиальной электрической схеме, внешних контактных площадок выводам корпуса, конструктивно-технологическим требованиям и ограничениям. Затем проверяют наличие в схеме пересечения пленочных проводников и защиту их диэлектриком, возможность контроля элементов и обеспечения нормального функционирования микросхем при заданных условиях эксплуатации. Для этого проводят оценку емкостных и индуктивных связей и тепловой расчет.

Проверка эскиза топологии сопровождается уточнением и корректировкой, в результате этого разрабатывают окончательный вариант топологии.

Завершающим этапом проектирования гибридных микросхем является разработка комплекта конструкторской документации.

Основным комплектом конструкторской документации ни гибридную микросхему называется совокупность графических и текстовых сведений, относящихся ко всей микросхеме.

В основной комплект входят: спецификация микросхемы; принципиальная электрическая схема; сборочный чертеж микросхемы; ее топологический чертеж; топологические чертежи отдельных слоев пассивной части; таблицы координат конфигурации элементов каждого слоя; технические условия; ведомость покупных изделий.

1.3 Проектирование топологии толстопленочных гибридных микросхем

Первым этапом процесса разработки топологии толстопленочной гибридной микросхемы является преобразование принципиальной электрической схемы к виду, близкому к тому, какой она будет иметь на подложке, добиваясь минимального числа пересечений линий связи. Иногда размеры подложки задаются в техническом задании, и если размеры подложки оказываются меньшими, чем требуется по расчету для однослойного размещения элементов, то используют вторую нижнюю поверхность подложки. Если и такое распределение выходит за рамки размеров подложки, то производится многослойное размещение элементов. Решение вопроса о числе слоев требует учета как технических, так и экономических факторов.

После решения задачи о размерах подложки и числа слоев приступают к рациональному размещению элементов. Эта задача допускает большое число решений. Лучший вариант расположения элементов определяется путем прикидок. При этом должны быть приняты во внимания следующие положения:

1) резисторы на плате рекомендуется ориентировать одинаково;

2) толстопленочные резисторы проектировать в виде меандра не следует;

3) близкие по номинальным сопротивлениям резисторы изготовляют из одной пасты и располагают на одной стороне подложки;

4) навесные компоненты рекомендуется располагать на одной стороне платы;

5) навесные компоненты допускается устанавливать на резисторах, защищенных диэлектриком;

6) проводники, расположенные в нижнем слое при многослойной разводке межсоединений, не должны находиться под резисторами, подгоняемыми лучом лазера;

7) место расположения навесных элементов с гибкими выводами рекомендуется указывать на плате различными знаками, выполненными резистивными или диэлектрическими пастами.

Разрабатывая эскиз топологии микросхем, следует учитывать технологические ограничения и конструктивные требования.

1.4 Тепловой режим гибридной микросхемы

Для нормальной работы микросхема должна быть сконструирована так, чтобы мощности, рассеиваемые на ее элементах, не вызывали ее разогрев до температуры выше допустимой. В гибридной микросхеме основными источниками тепла являются резисторы. Мощности, рассеиваемые конденсаторами и индуктивностями, сравнительно невелики, а элементы коммутации благодаря своей высокой теплопроводности способствуют снижению температуры. Источником тепла являются также активные элементы. Так как температурному воздействию подвергаются не только сами источники тепла, но и все элементы микросхемы, задача теплового расчета сводится к определению распределения температур по всей поверхности подложки. В качестве введения к решению таких задач целесообразно рассмотреть некоторые основные физические явления.

Существуют три механизма теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность - передача тепла путем непосредственного контакта между молекулами без значительного их смещения.

Теплопередача осуществляется в пределах какой-либо определенной среды: газа, жидкости или твердого тела. Это единственно возможный механизм теплопередачи в непрозрачных твердых телах. Конвекция является основным видом теплопередачи между поверхностью твердого тела и окружающей газообразной средой. Термин «конвекция» характеризует совместное действие явлений теплопроводности газа, аккумулирования энергии в нем и перемешивания. Тепловое излучение - передача энергии с помощью электромагнитного излучения в диапазоне волн 0,1-100 мкм. Это единственно возможный вид теплопередачи между телами, разделенными вакуумом. Почти в каждом реальном случае действуют по меньшей мере два из указанных механизма теплопередачи.

Как правило, при данной разности температур теплопроводностью можно передать большее количество тепла, чем каким-либо другим механизмом теплопередачи. Поэтому при разработке методов конструирования и самих конструкций, которые должны быть наиболее эффективны с точки зрения отвода тепла, обычно в качестве основного способа теплопередачи стремятся использовать теплопроводность. Для каждого вида теплопередачи при любой разности температур скорость передачи тепла зависит от определенных свойств материалов и конфигураций деталей, причем определяющее значение имеет коэффициент теплопроводности.

При рассмотрении задачи о теплопроводности часто пользуются электрической аналогией. При этом электрическим потенциалом ставят в соответствие температуры, а токам - скорости тепловых потоков. Следуя этой же аналогии, отношение разности температур к скорости теплового потока называют тепловым сопротивлением. Как правило, при анализе пользуются сосредоточенным сопротивлением, представляющим собой результирующее действие всех последовательных и параллельных цепей теплопередачи.

1.5 Паразитные связи в гибридных микросхемах

В микросхемах расстояния между отдельными элементами намного меньше, чем в узлах РЭА, а сами элементы размещены на подложке, проводимость и диэлектрическая проницаемость которой много больше соответствующих параметров воздуха. Поэтому связи между элементами гибридных микросхем, в том числе паразитные, мешающие их нормальному функционированию, становятся очень сильными. Паразитные связи в виде отдельных проводимостей или паразитных элементов необходимо учитывать при синтезе электрической принципиальной схемы, а также при оптимизации конструкции гибридной микросхемы.

Все виды связей и взаимосвязей можно классифицировать следующим образом.

1) связи электромагнитной природы, которые, в свою очередь, подразделяются на гальванические, емкостные и индуктивные. Эквивалентные проводимости, отражающие указанные типы связей, являются пассивными;

2) связи, обусловленные тепловыми процессами, включающие связи, возникающие за счет термоэлектрических эффектов, изменения проводимости при изменении температуры, тепловой инжекции носителей;

3) связи, обусловленные магнитоэлектрическими эффектами. Элементы гибридной микросхемы могут быть связаны друг с другом одним из указанных видов связей или их совокупностью. При расчетах такие связи удобно представлять в виде проводимости y_ij, которая в общем случае является комплексной и определяется конструкцией гибридной микросхемы, режимом ее работы, используемыми физическими явлениями и эффектами, параметрами исходных материалов.



2. Специальная часть

2.1 Конструкции пленочных конденсаторов

Наряду с резисторами конденсаторы относятся к числу наиболее распространенных элементов гибридных микросхем. По конструкции пленочный конденсатор в большинстве случаев представляет собой трехслойную структуру (рис. 1). Он состоит из нижней обкладки 1, диэлектрической пленки 2, верхней обкладки 3. Вся конструкция наносится на подложку 4. Площадь нижней обкладки конденсатора, равная произведению b₁l₁, превышает площадь верхней обкладки, равной произведению b₂l₂, а площадь диэлектрической пленки больше площади нижней обкладки. Это исключает возможность замыкания обкладок и устраняет погрешность от их смещения.

К материалу обкладок пленочного конденсатора предъявляются следующие требования:

1) высокая электропроводность, обеспечивающая малые потери энергии;

2) хорошая адгезия;

3) малая миграционная подвижность атомов.

Последнее из этих требований позволяет использовать в качестве материалов обкладок золото или медь, так как для них характерна высокая подвижность атомов. Вследствие их диффузии в диэлектрике могут возникать короткие замыкания. Для выполнения обкладок не пригодны также металлы с высокой температурой испарения, например никель или хром. Это связано с тем, что атомы таких металлов, обладая высокой энергией при температуре испарения, пронизывают диэлектрический слой и вызывают короткое замыкание обкладок. Наиболее подходящим материалом для обкладок тонкопленочного конденсатора является алюминий. Алюминий имеет сравнительно невысокую температуру испарения и, следовательно, его атомы имеют низкую энергию в процессе напыления. В ряду электропроводности алюминий занимает третье место после золота и серебра, т.е. электрическое сопротивление обкладок из алюминия оказывается достаточно малым, что обеспечивает высокую добротность изготовленных конденсаторов. Конденсаторы с алюминиевыми обкладками надежны, поскольку атомы алюминия имеют малую миграционную подвижность. Это объясняется образованием на поверхности алюминия оксидного слоя Al₂O₃, который препятствует диффузии атомов алюминия в диэлектрик. Для улучшения адгезии алюминия к подложке используют подслой титана или хрома.

Диэлектрик, применяемый в тонкопленочных конденсаторах, должен обладать малыми диэлектрическими потерями, высокой электрической прочностью, хорошей адгезией к подложке и к обкладкам, малым температурным коэффициентом емкости, стабильностью физических параметров в диапазоне рабочих температур, достаточно высокой диэлектрической проницаемостью. Кроме того, температурный коэффициент линейного расширения диэлектрика (ТКЛР) должен быть согласован с соответствующими коэффициентами подложки и материала обкладки. Электрические параметры наиболее часто применяемых тонкопленочных конденсаторов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Материал диэлектрика	Материал обкладок	Диэлектрическая принцаемость на частоте 1 кГц е	Удельная емкость С0, Ф/см2	Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 кГц, tg в	Температурный коэффициент емкости ТКЕ*104, град-1	Электрическая прочность Епр*10-6, В/см2	Стабильность в нормальных условиях под рабочим напряжением за 1000 ч работы, %	Способ нанесения пленок
Монооксид кремния	Алюминий	5-6	5000-10000	0,01-0,02	2-3,5	2-3	1,5-6	Термическое напыление
Монооксид германия	>>	10-12	5000, 10000, 15000	0,001-0,005	3-5	1	1	То же
Диоксид кремния	>>	4	20000	0,5	2	5-10	-	Ионно-плазменное распыление, реактивное распыление
Оксид алюминия	Алюминий, никель	8	30000, 40000	0,3-1	3-4	5	-	Реактивное распыление, анодное окисление
Оксид тантала	Тантал, ванадий	20-23	50000, 100000, 200000	0,02	4	2	+-1	То же
Боросиликатное стекло (БСС)	Алюминий, ванадий, алюминий, титан	3,9-4,2	15000	0,001	0,2	3-5	-	Термическое напыление
Алюмосиликатное стекло (АСС)	То же	5,2-5,5	30000	0,003	1,5	3-5	-	То же
Иттрий-боритное стекло (ИБС)	>>	10-12	60000	0,007	5	2-3	-	>>
Паста ПК-12	Паста ПП-1 ПП-2	-	10000	0,03-0,04	+-10	150 В	+-5	Сеткография
Паста ПК 1000-30	То же	-	3700	0,036	+-10	150В	+-5	>>

В толстопленочных конденсаторах в качестве материалов для изготовления верхних и нижних обкладок используется проводящая паста. Диэлектрическая паста, так же, как и проводящая и резистивная пасты, состоит из функционального материала, постоянного связующего (легкоплавких стекол) и органических добавок. В качестве функционального материала в диэлектрических пастах применяют керамические наполнители с высокой диэлектрической проницаемостью (титанат бария, двуокись титана и др.). Управление диэлектрической проницаемостью производится изменением доли керамического наполнителя в системе керамический наполнитель-стекло. Выбранный диэлектрический материал определяет емкость, рабочее напряжение, температурную и временную стабильность емкости, частотные свойства, полярность и размеры пленочных конденсаторов.

Конструкция пленочного конденсатора, представленная на рис. 1, применяется в том случае, когда площадь верхней обкладки S составляет не менее 10 мм². При S=5-10 мм² рекомендуется конструировать пленочный конденсатор в виде двух перекрещивающихся под прямым углом пленочных проводников 1 и 3, разделенных диэлектрическим слоем 2, как показано на рис. 2.а. При активной площади пленочного конденсатора меньше 5 мм² необходимо применять последовательное соединение нескольких конденсаторов (рис. 2.а) или же двустороннюю конструкцию (рис. 2.б), в которой диэлектрическим слоем 2 служит материал подложки. При S=1 мм² рекомендуется конструировать гребенчатый пленочный конденсатор (рис. 2.в). Емкость такого конденсатора на 90% состоит из паразитной емкости, обусловленной краевым эффектом. Точно рассчитать ее невозможно, так как трудно учесть степень проникновения электрического поля в подложку и в воздух или защитное покрытие микросхем.

Емкость гребенчатого пленочного конденсатора, выраженная в пикофарадах, определяется по эмпирической формуле С=в_?рl, где р - коэффициент, зависящий от ширины пленочных проводников и расстояния между ними; l - длина совместной границы проводников, см; ?_р - расчетное значение относительной диэлектрической проницаемости.

Для конденсатора, не имеющего защитного покрытия, расчетное значение относительной диэлектрической проницаемости ?_р=(1+?_n)/2. Для конденсатора, покрытого защитным слоем, ?_р=(?_д+?_n)/2. Здесь ?_n - относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки; ?_д - относительная диэлектрическая проницаемость слоя покрытия.

Конденсаторы, конструкция которых выполнена, как показано на рис. 2.а., характеризуются более высокой точностью получения заданного номинала емкости по сравнению с обычными конденсаторами того же самого номинала.

2.2 Материалы пленочных конденсаторов

пленочный конденсатор гибридный микросхема

Пленочный конденсатор состоит из двух металлических обкладок, разделенных диэлектрической пленкой.

Как показали исследования, наилучшим материалом для обкладок пленочного конденсатора является алюминий. Данный материал по сравнению с другими металлами, которые можно было бы использовать (например, никель, хром, золото), дает значительно меньшее число коротких замыканий. Это объясняется низкой температурой испарения алюминия и пониженной подвижностью его атомов на поверхности подложки из-за тенденции к окислению.

Основным элементом пленочного конденсатора, определяющим его параметры и свойства, является диэлектрик. В качестве диэлектрика применяют изоляционные материалы в виде непористых тонких пленок, обладающих необходимыми электрофизическими свойствами. Материал для изготовления диэлектрических пленок должен удовлетворять следующим основным требованиям: обладать хорошей адгезией к материалу подложки и металла и плотностью, высоким пробивным напряжением и малыми диэлектрическими потерями, не подвергаться механическому разрушению при температурных изменениях, иметь высокую диэлектрическую проницаемость и минимальную гигроскопичность, не разлагаться в процессе испарения и осаждения. Кроме того, желательно, чтобы температура испарения материала лежала в диапазоне 1000-1800⁰С, поскольку более низкая температура свидетельствует о недопустимо высокой подвижности атомов, а при более высокой температуре испарения возникают большие трудности при создании испарителей.

Исследования показали, что перечисленным требованиям удовлетворяет весьма небольшое количество диэлектриков. Наиболее часто применяют моноокись кремния SiO и моноокись германия GeO. Можно использовать также сульфид цинка ZnS, фтористый магний MgF₂ и некоторые редкоземельные окислы и фтористые соединения. Возможно применение в качестве диэлектрика пленочных конденсаторов ферроэлектрических пленок, например, титаната бария BaTiO₃ и смеси титаната бария с титанатом стронция BaTiO₃+SrTiO₃. Пленки этих соединений, полученных испарением в вакууме, могут иметь в некоторых случаях очень высокую диэлектрическую проницаемость (1000).

Несмотря на то, что моноокись кремния является пока наилучшим диэлектриком для пленочных конденсаторов, этот материал требует строго контроля во время осаждения, так как воспроизводимость характеристик пленок сильно зависит от состава исходного материала и изменения технологических факторов во время напыления.



3. Расчетная часть

3.1 Пример расчета пленочных конденсаторов

Исходными для определения геометрических размеров конденсатора являются:

схемотехнические данные (из принципиальной электрической схемы) - номинал конденсатора С, пФ; допуск на номинал Y_с, %; рабочее напряжение U_p, В; тангенс угла диэлектрических потерь tgв или добротность Q (Q=1/tgв);

технологические данные и ограничения;

эксплуатационные данные - диапазон рабочих температур, рабочая частота f_pи др.

Расчет пленочных конденсаторов начинают с выбора материала обкладок и материала диэлектрика (см. табл. 1). Чтобы конденсатор занимал как можно меньшую площадь, нужно выбирать материал диэлектрика с максимальной диэлектрической проницаемостью ?, с высокой электрической прочностью Е, а также с малыми значениями ТКЕ и tgв. Для обеспечения высокой добротности конденсатора необходимо, чтобы материал обкладок имел малое удельное поверхностное сопротивление.

Емкость конденсаторов, состоящих из двух обкладок, разделенных диэлектриком (см. рис. 1):

С=С₀S,

где С₀ - удельная емкость; S=S_в - площадь взаимного перекрытия обкладок (площадь верхней обкладки конденсатора).

Удельная емкость, исходя из условий электрической прочности, определяется из соотношения:

C_0U=?₀?/d,

где ?₀=0,0885 пФ/см² - относительная диэлектрическая проницаемость; ? - диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика; d - толщина диэлектрика.

Минимальную толщину диэлектрика выбирают таким образом, чтобы конденсатор надежно выдерживал заданное рабочее напряжение:

d?U_pK₃/E,

где К₃ - коэффициент запаса по напряжению (К₃=2-3).

Если необходимо обеспечить заданную погрешность емкости, тогда удельная емкость конденсатора определяется из соотношения:

С_{0 точн}=С(?_s/?L)²(К_ф/(1+К_ф))²,

где ?_s - относительная погрешность площади конденсатора; ?L=?B - абсолютные погрешности размеров обкладки конденсатора; К_ф=L/B - коэффициент формы конденсатора.

Максимально допустимая относительная погрешность площади конденсатора:

?_s=?_c-?_c0-?_Ccт-?_С1,

где ?_С0 - относительная погрешность удельной емкости, характеризующая воспроизводимость удельной емкости в условиях данного производства (зависит от материала и погрешности толщины диэлектрика и составляет 3-5%); ?_Сст - относительная погрешность, обусловленная старением пленок конденсатора (зависит от материала и метода защиты и обычно не превышает 2-3%); ?_С1 - относительная температурная погрешность, которая определяется выражением:



?_С1=б_С(Т_макс-20⁰С),

где б_С - температурный коэффициент емкости (ТКЕ).

После расчета удельной емкости конденсатора выбирают меньшее из двух полученных значений:

С₀?min{C_0u, С_0точн}.

Затем определяют площадь верхней обкладки:

S_в=С/С₀.

Размеры верхней обкладки рассчитывают согласно следующим соотношениям:

L_в=;

B_в=L_в/К_ф.

Размеры нижней обкладки:

L_н=L_в+2q;

В_н=В_в+2q,

где q - размер перекрытия нижней и верхней обкладки конденсатора. Размеры диэлектрика:

L_д=L_н+2f;

B_д=B_н+2 f,



где f - размер перекрытия нижней обкладки и диэлектрика. Затем определяют площадь, занимаемую конденсатором:

S_д=L_дВ.

При расчете конденсаторов малой площади (S=1-5мм²) необходимо учитывать увеличение емкости конденсатора, обусловленное влиянием краевого эффекта (увеличением напряженности электрического поля на краях обкладок). Площадь конденсатора должна быть уменьшена:

S_в=С/(КС₀),

где К - коэффициент, учитывающий краевой эффект:

К=1,3-0,6С/С₀.

Конденсатор спроектирован правильно, если рабочий тангенс угла потерь не превышает заданного:

tgв_раб?tgв

Потери в конденсаторе складываются из потерь в диэлектрике и в обкладках:

tgв_раб=tgв_д+tgв_об.

Тангенс угла потерь в диэлектрике является справочным параметром. Потери в обкладках зависят от их сопротивления:

tgв_об=2рf_рR_{об к}С,

где R_{об к} - сопротивление обкладок конденсатора, Ом; С - емкость конденсатора, Ф; f_р - рабочая частота, Гц.

Полное сопротивление обеих обкладок рассчитывается по формуле:

R_{об к}=(2/3)с_{0об к}К_ф,

где с_{0об к} - удельное поверхностное сопротивление материала обкладок. Кроме того, необходимо оценить обеспечение электрического режима и точности конденсатора в заданных условиях эксплуатации, т.е.,

Е_раб?В,

где Е_раб=U_p/dґ,

dґ=0,0885?/С₀, см; ?_Sраб??_S,

где ?_Sраб=?L (1+K_ф)/.

Если одно из неравенств не выполняется, то необходимо выбрать другой материал диэлектрика, или материал обкладок, или изменить конструкцию конденсатора.

Если в схеме имеется несколько конденсаторов, то для изготовления их в едином технологическом цикле целесообразно выбирать для всех конденсаторов один и тот же диэлектрик с одинаковой толщиной и одинаковой удельной емкостью С₀.

Для нескольких конденсаторов на одной подложке расчет начинают с конденсатора, имеющего наименьший номинал емкости. После выбора материала и вычислений определяют значение удельной емкости, при котором конденсатор будет занимать минимальную площадь на подложке:

С_0мин=С_мин/S_мин.



Окончательный выбор С₀ производят по формуле:

С₀?min{C_0u, С_0точн, С_0мин}.

Вычисляют толщину диэлектрика, соответствующую удельной емкости. Если толщина диэлектрика не выходит за пределы возможностей тонкопленочной технологии (0,1-1 мкм), то продолжают дальнейший расчет, в противном случае - выбирают другой материал.

3.2 Расчет пленочного конденсатора

Исходные данные: С=3000пФ;

U=28В;

f=1000Гц.

Допуски на линейные размеры, определяемые технологией изготовления равны:

?L=?B=0,005 см

?l_c=±0,01 см

Для получения диэлектрической пленки из таблицы выбираем материал. Из этой же таблицы находим, что С₀=5000 пФ/см², Е_пр=2*10⁶ В/см.

Из соотношения определяем площадь верхней обкладки:

S=; S==0,6 см²;

Предполагая, что конфигурация конденсатора является квадратной, определяем размеры его верхней обкладки:

L₂=B₂=; L₂=B₂==0,77 см;



Вычисляем размеры нижней обкладки конденсатора L₁=B₁;

L₁?L₂+2 (?L+l_c); L₁?0,77+2 (0,005+0,01)=0,8 см;

В₁?В₂+2 (?В+?l_c); В₁?0,77+2 (0,005+0,01)=0,8 см;

Полученное значение округляем до целого и выбираем L_д=В_д:

L_д=В_д=1 см;

Определяем площадь, занимаемую пленочным конденсатором на подложке:

S= L_д*В_д; S=1*1=1 см;

Пользуясь соотношением определяем толщину диэлектрической пленки:

d?; d?=28*10^-6;



Заключение

Для современного этапа развития интегральной электроники характерны тенденции дальнейшего повышения рабочих частот и уменьшения времени переключения, увеличения надежности, снижения затрат на материалы и процесс изготовления ИС.

Снижение стоимости ИС требует разработки качественно новых принципов их изготовления с использованием процессов, в основе которых лежат близкие по характеру физико-химические явления, что, с одной стороны, является предпосылкой для последующей интеграции однородных технологических операций производственного цикла и, с другой стороны, открывает принципиальные возможности управления всеми операциями от ЭВМ.

Необходимость качественных изменений в технологии и технического перевооружения отрасли диктуется также переходом к следующему этапу развития микроэлектроники - функциональной электронике, в основе которой лежат оптические, магнитные, поверхностные и плазменные явления, фазовые переходы, электронно-фононные взаимодействия, эффекты накопления и переноса заряда и др.

Критерием «прогрессивности» технологического процесса наряду с улучшением параметров и характеристик самого изделия является высокая экономическая эффективность, определяемая рядом частных, взаимосвязанных критериев, обеспечивающих возможность построения комплектов полностью автоматизированного высокопроизводительного оборудования с длительным сроком эксплуатации.

Наиболее важными частными. критериями являются: универсальность, т.е. возможность проведения всего (или подавляющего числа операций) производственного цикла с помощью одних и тех же технологических приемов; непрерывность, являющаяся предпосылкой для последующей интеграции (объединения) целого ряда технологических операций производственного цикла, сочетаемая с возможностью использования одновременной групповой обработки значительного количества изделий или полуфабрикатов; высокая скорость - проведения всех основных операций технологического процесса или же возможность их интенсификации, например, в результате воздействия электрических и магнитных полей, лазерного излучения и др.; воспроизводимость параметров на каждой операции и высокий процент выхода как полуфабрикатов, так и годных изделий; технологичность конструкции изделия или полуфабриката, соответствующая требованиям автоматизированного производства (возможности автоматизированной загрузки, базирования, монтажа, сборки и др.), что должно найти свое отражение в простоте формы, а также ограниченности допусков на габаритные и базовые размеры; формализация, т.е. возможность составления (на основе аналитических зависимостей параметров изделия от параметров технологического процесса) математического описания (алгоритма) каждой технологической операции и последующего управления всем технологическим процессом с помощью ЭВМ; адаптивность (жизненность) процесса, т.е. способность длительного существования в условиях непрерывного появления и развития новых конкурентоспособных процессов и возможность быстрого перестраивания оборудования под изготовление новых видов изделий без существенных капитальных затрат.
Большинству из перечисленных критериев удовлетворяют процессы, использующие электронные и ионные явления, происходящие в вакууме и разреженных газах, с помощью которых можно производить: ионное распыление металлов, сплавов, диэлектриков и полупроводников с целью получения пленок различной толщины и состава, межсоединений, емкостных структур, межслойной изоляции, межслойной разводки; ионное травление металлов, сплавов, полупроводников и диэлектриков с целью удаления отдельных локализованных участков при получении конфигурации ИС; плазменное анодирование с целью получения окисных пленок; полимеризацию органических пленок в местах, облученных электронами, с целью получения органических изоляционных слоев; очистку и полировку поверхности подложек; выращивание монокристаллов; испарение материалов (в том числе тугоплавких) и перекристаллизацию пленок; микрофрезерование пленок; микросварку и микропайку с целью подсоединения -
выводов ИС, а также герметизацию корпусов; бесконтактные методы контроля параметров ИС.

Общность физико-химических явлений, на которых базируются перечисленные процессы показывает принципиальную возможность их последующей интеграции с целью создания новой технологической базы высокопроизводительного автоматизированного производства интегральных схем и приборов функциональной электроники.



Список литературы

1. Коледов Л.А. - Конструирование и технология микросхем. М.: Высшая школа, 1984.

2. В.Г. Барышев, А.А. Столяров Методические указания. Издательство: КФ МГТУ 1987 г.

3. А.В. Нефедов, В.И. Гордеева - Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги. М.: Радио и связь, 1990.

4. Диоды, тиристоры, транзисторы и микросхемы широкого применения. Справочник. / Б.Ф. Бессарабов, В.Д. Федюк, Д.В. Федюк - Воронеж: ИПФ «Воронеж», 1994 г.

5. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА: Справ. пособие/ Э.Т. Романычева, А.К. Иванова, А.С. Куликова, Т.П. Новикова. - М.: Радио и связь, - 1984. - 256 с., ил.

6. Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем. - М.: Радио и связь, 1983.

7. Пономарёв М.Ф. Конструкции и расчёт микросхем и микроэлементов ЭВМ. М.: Радио и связь, 1982.

8. Конструирование и расчёт больших гибридных интегральных схем, микросборок и аппаратуры на их основе. Под ред. Б.Ф. Высоцкого, М.: Радио и связь, 1981.

Размещено на Allbest.ru