4 КОНСТРУЮВАННЯ І ТЕХНОЛОГІЯ ТОНКОПЛІВКОВИХ ГІБРИДНИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ

4.1 Матеріали гібридних інтегральних схем

Матеріали для підкладок. Підкладка (substrate) в конструкції гібридної інтегральної схеми (ГІС) є основою, на якій розташовуються плівкові елементи і навісні компоненти. Від її властивостей багато в чому залежить якість всієї конструкції.

Підкладки, використовувані при виготовленні гібридних інтегральних мікросхем, повинні відповідати таким вимогам: мати значну механічну міцність при невеликих товщинах; мати високий питомий електричний опір і малі втрати tg δ на високих частотах і при високій температурі; бути хімічно інертними до осаджуваних речовин; не мати газовиділень у вакуумі; зберігати фізичну й хімічну стійкість при нагріванні до 400500 оС; мати температурний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР), близький до ТКЛР осаджуваних плівок; сприяти забезпеченню високої адгезії цих плівок; мати гладку поверхню (Rz≤0,1 мкм на довжині 0,08 мм); мати високу електричну міцність; мати низьку вартість.

Основні електрофізичні й механічні властивості матеріалів, використовуваних для виготовлення підкладок гібридних ІМС, наведені в табл. 4.1.

 

  Таблиця 4.1 Електрофізичні та механічні параметри підкладок ГІС

 

Параметр

Скло

С48-3

Ситал

СТ-50-1

Кераміка

22 ХС

Глазур

Г-900-1

Сапфір

Діелектрична проникність  при Т = 20С та f = 1МГц

7,1

8,38,5

10,3

1316

8,611

Тангенс кута діелектричних втрат  при Т = 20С та

1215

1220

Менше

1719

110

= 1МГц

10

10

810

10

 

Температурний коефіцієнт лі-нійного розширення  10-8-1

4,810

5,010

7,5+0,5

7,37,8

10

6,69,0

10

Теплопровідність, Вт/(мС)

0,71,5

1,44

1213

0,7

2540

Питомий об'ємний

опір, Омсм

1 10

1 10

3 10

1 10

1 10

Електрична міцність,

кВ/мм

Більше

40

Більше

40

Більше 50

Більше

50

 

 

Клас чистоти поверхні

14

1314

11

14

14

Температура розм'якшення, С

750

1150

1400

420460

Пористість, %

0

510

0

 

Найбільш широке застосування при створенні тонкоплівкових гібридних ІМС (thin-film microcircuit) знаходять підкладки із ситалу СТ 50-1, скла С 483, Полікора та берилієвої кераміки. Як базові переважно використовуються підкладки розміром 100100 і 5050 мм із скла та 4860 мм із ситалу й кераміки. Інші типорозміри підкладок отримують розділенням сторін базової підкладки на частини. Наприклад, для підкладок з ситалу як дільник найчастіше використовують цифри 2 і 3 або кратні їм. За товщиною найбільшого поширення набули підкладки розміром 0,6; 1 і 1,6 мм. В технічно обґрунтованих випадках застосовують і більш тонкі підкладки до 0,2 мм.

Матеріали для резисторів. Параметри тонкоплівкових резисторів (thin-film resistor) в першу чергу визначаються властивостями застосовуваних для їх виготовлення матеріалів. Такі матеріали повинні забезпечувати: досить високий питомий опір формованих на їх основі плівок; високу стабільність опору тонкоплівкових резисторів в часі і в широкому інтервалі температур; високу антикорозійну стійкість напилення плівок в умовах підвищеної вологості; високу адгезію резистивних плівок до підкладки або до раніше напилених плівок; такий же ТКЛР плівок, як і ТКЛР матеріалу підкладки; стабільні властивості при напиленні на них плівок з інших матеріалів.

Електрофізичні характеристики матеріалів, застосовуваних для виготовлення тонкоплівкових резисторів гібридних мікросхем, наведено в табл. 4.2.

 

   Таблиця 4.2 Параметри матеріалів плівкових резисторів

Матеріал резистора

Матеріал контактних площадок

Питомий поверхне-вий опір ρ0, Ом/

Температур-ний коефіцієнт опору ТКО 10 4, С 1 при

Т =  60125оС

Допустима питома

потужність

розсіюван-ня Р0, Вт/см2

Діапазон номінальних значень опорів, Ом

 

Хром

Золото

10500

0,6

1

5030 000

 

Ніхром

Мідь

300

1

2

5030 000

 

Сплав МЛТ-3М

Мідь з ніхромом (ванадій)

500

2

2

5050 000

 

Тантал

Алюміній з

ванадієм

(ванадій)

20100

2

3

10010 000

 

Тантал

10

2

1015 000

Сплав

РС-3001

Золото з хромом

1000

2000

0,2

2

10050 000

200100 000

 

Сплав РС-3710

Те ж

3000

3

2

100020 0000

 

Кермет К-50С

Те ж

3000

5000

10000

+3

4

 5

2

100010 000

500200 000

10 00010 000 000

 

                     

 

Матеріали для плівкових провідників і контактних площадок. Провідники й контактні площадки в гібридних ІМС найчастіше виконують багатошаровими. При цьому для виготовлення провідного шару зазвичай використовують такі матеріали: алюміній А 99; тантал ТВЧ; мідь вакуумної плавки MB; золото Зл 999,9.

Для покращення адгезії струмопровідних матеріалів до підкладки напилюють підшар. Як матеріал підшару використовують: хром ЕРХ; ніхром (дріт) Х20Н80; ванадій ТУ 48-4-373-76.

Для захисту провідників і контактних площадок від зовнішніх впливів застосовують: ванадій; нікель; хром ЕРХ; олововмісні сплави.

В технічно обґрунтованих випадках для захисту використовують золото Зл 3 або золото Зл 999,9 ГОСТ 6835-72.

Електрофізичні характеристики деяких багатошарових систем, що застосовуються для виготовлення плівкових провідників і контактних площадок, наведено в табл. 4.3.

Матеріали для плівкових конденсаторів. Характеристики тонкоплівкових конденсаторів (thin-film capasitor) залежать як від матеріалу діелектричного шару, так і від матеріалу обкладинок.

Матеріал обкладинок конденсатора повинен задовольняти такі вимоги: мати низький електричний опір (для високочастотних конденсаторів); мати низьку рухливість атомів; мати ТКЛР, рівний ТКЛР підкладки та діелектричного шару; мати хорошу адгезію як до підкладки, так і до раніше напилених плівок; мати високу антикорозійну стійкість в умовах агресивного середовища.

 

      Таблиця 4.3 Характеристики провідних матеріалів

Матеріал підшару, шару та покриття

Товщина шару, нм

Питомий опір,

Ом/

Підшар ніхром X20Н80

Шар золото Зл. 999,9

1030

600800

0,030,05

Підшар ніхром Х20Н80

Шар мідь вакуумної плавки МВ

Захисне покриття нікель

1030

600800

80120

0,020,04

Підшар ніхром Х20Н80

Шар мідь вакуумної плавки  МВ

Захисне покриття срібло Ср.999,9

1030

4001000

80100

0,020,04

Підшар ніхром Х20Н80

Шар мідь вакуумної плавки МВ

Захисне покриття золото Зл. 999,9

1030

600800

5060

0,020,04

Підшар ніхром Х20Н80

Шар алюміній А97

1030

300500

0,060,10

 

Для виготовлення обкладинок конденсаторів найчастіше застосовуються такі матеріали: алюміній А99 ГОСТ 11069-74; тантал ТВЧ ТУ 95.311-75; титан ВТ 1-0 ТУ 1-5-111-73.

Матеріали, застосовувані для виготовлення діелектричних шарів, повинні відповідати таким вимогам: мати високе значення діелектричної проникності; мінімальний температурний коефіцієнт ємності (ТКЄ); мінімальні втрати енергії на високій частоті tg δ; мати високу волого- і теплостійкість; забезпечувати напилення щільних і однорідних плівок; мати хорошу адгезію як до підкладки, так і до матеріалів обкладинок; мати високу електричну міцність.

Електрофізичні характеристики матеріалів, застосовуваних для виготовлення діелектричних шарів, наведено в табл. 4.4.

 

4.2 Конструкції та розрахунок тонкоплівкових елементів

4.2.1 Конструкції та  розрахунок плівкових резисторів

На початковому етапі конструювання тонкоплівкових резисторів вибирають їх форму і проводять розрахунок геометричних розмірів.

Форма резистора визначається його номіналом R; опором квадрата резистивної плівки ρкв; точністю γR, пропонованою до виготовлення; площею на платі, відведеною під резистор; технологічним процесом виготовлення.

На практиці широке застосування знаходять резистори прямокутної форми. Це обумовлено в першу чергу простотою їх конструкції, а також тим, що в подібних резисторах потенціальне поле однорідне, відсутні локальні перевантаження, компенсуються похибки суміщення масок або фотошаблонів. Якщо розрахункова довжина резистора перевищує довжину відведеної під нього області, то резистор компонують у вигляді окремих резистивних плівок, з'єднаних провідними перемичками, або згинають. Резистори типу меандр істотно поступаються змієподібним щодо розсіюваної потужності.

На рис. 4.1 зображено найбільш розповсюджені конфігурації таких резисторів: прямокутна (рис.4.1, а) (використовується для резисторів з малим опором); типу меандр (рис. 4.1, б) та послідовне з'єднання резистивних плівкових смужок (рис. 4.1, в), які використовуються для резисторів великого опору. В усіх цих конфігураціях відсутні похилі та криві лінії різних радіусів, тому виготовлення фотошаблонів (або масок) резистивних шарів гібридних мікросхем значно спрощується.

Для визначення геометричних розмірів резисторів необхідно мати такі вихідні дані: номінальне значення опору R (Ом); опір квадрата резистивної плівки ρкв (Ом /); відносну похибку опору резистора γR (%); розсіювану резистором потужність Р (Вт); максимальну питому потужність розсіювання резистивної плівки Р0 (Вт / см2).

   Таблиця 4.4 Параметри матеріалів плівкових конденсаторів

Матеріал діалект-рика

Матеріал обклади-нок

Діелек-трична проник-ність ε при

f=1 кГц

Питомa ємність С0,

пФ/см2

Тангенс

кута діе-лектрич-них

втрат при

f=1 кГц, tg δ

Темпера-турний коефіці-єнт ємності ТКЄ

10 4,

 С-1

Елект-рична міц-ність Е106, В/см

Максимальна робоча частота f, МГц

Робоча напруга , В

Моноок-сид   кремнію

Алюмі-ній А99

56

5 00010 000

0,010,02

2

23

500

60

30

Моноок-сид германію

Те ж

1112

5000

10000

15000

0,001 0,005

3

С

300

10

7

5

Боросилі-катне скло (БСС)

Те ж

4

2500

5000

10000

15000

0,001-0,0015

0,35

3-4

300

24

15

10

8

Скло електро-вакуумне С41-1

Те ж

5,2

15000

20000

30000

400000

0,0020,003

0,51,8

34

300

12,6

1012,6

6,310

6,3

Пяти-оксид

танталу

Тантал

 

Алюмі-ній А99

23

60 000

100 000

 

200 000

0,02

4

2

0,1

15

10

 

3

 

Рисунок 4.1 Конфігурація плівкових резисторів: а) прямокутна; б) типу меандр;

в) послідовне з'єднання смужок; 1 підкладка; 2 резистивна плівка; 3  провідна плівка; l, b довжина, ширина резистивної плівки, відповідно; L, B  довжина та ширина меандра; а розмір між резистивними смужками; t крок однієї ланки меандра

 

При виборі матеріалу для резисторів необхідно прагнути, щоб усі резистори, розміщені на одній підкладці, мали однаковий питомий опір , який визначається з формули:

                                          (4.1)

де п кількість резисторів;

Rі номінальне значення і-го резистора.

Конструктивний розрахунок плівкових резисторів полягає у встановленні форми, геометричних розмірів та найменшої площі, яку займають резистори на підкладці. При цьому необхідно, щоб резистори забезпечували розсіювання заданої потужності при заданій точності .

Розрахунок плівкових резисторів починають з вибору матеріалу (див. табл. 4.2). Критеріями вибору матеріалу є: оптимальне значення опору квадрата резистивної плівки ρ0, максимальне значення питомої потужності розсіювання резистивної плівки Р0  та мінімальне значення ТКО. Далі проводять перевірку правильності вибору матеріалу з точки зору забезпечення точності виготовлення резисторів.

Загальна відносна похибка опору резистора визначається сумою похибок при виготовленні та конструюванні, а також похибок, зумовлених впливом умов використання:

,                      (4.2)

де   похибка коефіцієнта форми;

  відносна похибка відтворювання  резистивної плівки,

  температурна похибка;

  похибка опору, зумовлена старінням плівки;

  похибка перехідних опорів контактів.

Похибка коефіцієнта форми  залежить від похибки геометричних розмірів резистора довжини l та ширини b:

,                                          (4.3)

 

де ,   абсолютні похибки відтворення довжини та ширини резистора.

Похибка відтворення  питомого поверхневого опору , залежить від матеріалу, способу та умов нанесення резистивної плівки. В умовах серійного виробництва її значення не перевищує 5 %.

Температурна похибка залежить від ТКО матеріалу плівки та діапазонів робочих температур:

,                                                (4.4)

де   температурний коефіцієнт опору матеріалу плівки, 1/С.

Похибка зумовлена старінням плівки, викликана повільною зміною структури плівки з часом, а також її окисненням. Вона залежить від матеріалу плівки та ефективності захисту, а також її умов зберігання та експлуатації. Вона не перевищує 3 %.

Похибка перехідних опорів контактів  залежить від технологічних вимог напилення плівок, питомого опору резистивної плівки та геометричних розмірів контактного переходу; величини перекриття контактуючих плівок, ширини резистора. У більшості випадків = 1  2 %.

Допустима похибка коефіцієнта форми визначається з (4.2)

.                                  (4.5)

Якщо значення  від'ємне або дорівнює 0, то це означає, що виготовлення резистора заданої точності з вибраного матеріалу неможливе. В цьому випадку необхідно вибрати інший матеріал з меншими значеннями ,  та  або здійснювати пригонку резистора.

Конструкцію резисторів визначають за значенням коефіцієнта форми. Номінал резистора є функцією  та геометричних розмірів:

,                                    (4.6)

де   коефіцієнт форми резистора.

Коефіцієнт форми  при відомому опорі для вибраного матеріалу визначається за формулою:

.                                               (4.7)

При  рекомендується конструювати резистор прямокутної форми, при   резистор прямокутної форми, у якого довжина менша ширини, при   меандр, смуговий або типу змійки. Якщо , то площа резистора дуже велика, тому в цьому випадку рекомендується використовувати дискретні резистори, сумісні з мікрозбіркою. Конструювати резистори з  не рекомендується, тому що вони будуть мати великі контактні площадки та займати велике місце на підкладці. Порядок подальшого розрахунку залежить від форми резистора.

Розрахунок резистора прямокутної форми. Для резисторів з  спочатку розраховують ширину резистора з умови:

,                                   (4.8)

де   мінімальна ширина резистора, яка визначається можливостями технологічного процесу та наведена в додатку К;

  мінімальна ширина резистора, зумовлена точністю відтворення:

,                                          (4.9)

 

  мінімальна ширина резистора, при якій забезпечується розсіювання заданої потужності резистора:

.                                          (4.10)

 

За ширину резистора b приймають найближче більше до  значення, кратне крокові координатної сітки, прийнятому для рисунка топології з врахуванням масштабу. Для гібридних мікросхем крок координатної сітки часто складає 1 чи 0,5 мм. Наприклад, якщо крок координатної сітки 0,5 мм, масштаб 10:1, то округлення проводять до величини, кратної 0,05 мм. Коефіцієнт навантаження за потужністю розсіювання визначається зі співвідношення:

                                                   (4.11)

і не повинен перевищувати одиниці. Якщо виявилось, що К>1, то розрахунок необхідно відкоригувати.

Далі визначають розрахункову довжину резистора

.                                                 (4.12)

Слід відзначити, що за довжину резистора l приймають найближче більше до  значення, кратне кроку координатної сітки, прийнятому для креслення топології.

Далі знаходять повну довжину резистора з урахуванням перекриття контактних площадок:

,                                                (4.13)

де e розмір перекриття резистора та контактних площадок (додаток К).

Площу, яку займає резистор на підкладці, розраховують за формулою:

.                                                    (4.14)

Для резисторів, які мають Кф<1, спочатку визначають довжину, а потім ширину резистора.

Розрахункова довжина резистора  повинна бути не меншою найбільшого значення однієї з трьох величин:

                             (4.15)

Величини, які входять у праву частину нерівності , , , визначаються аналогічно причому

.                                      (4.16)

 

 .                                        (4.17)

 

За довжину резистора  приймають найближче до  ціле значення, кратне кроку координатної сітки. Повну довжину резистора з урахуванням перекриття контактних площадок розраховують за формулою (4.13).

Розрахункове значення ширини резистора

.                                              (4.18)

За ширину  резистора беруть найближче більше до  значення кратне кроку координатної сітки. Площу резистора розраховують за формулою (4.14).

Виконують перевірку проведених розрахунків. Резистор спроектовано правильно, якщо:

а) питома потужність розсіювання  не перевищує допустимого значення :

;

б) похибка коефіцієнта форми  не перевищує допустимого значення

;

в) сумарна похибка  не перевищує допуску

.

 

Розрахунок резистора типу меандр. Резистори типу меандр розраховують з умови найменшої площі, яку займає резистор. Розрахунок меандра розпочинають з розрахунку ширини b з формул (4.8)(4.10). Далі знаходять довжину середньої лінії меандра

 .                                             (4.19)

Після цього задаються відстанню а між резистивними смугами, виходячи з технологічних обмежень та знаходять крок однієї ланки меандра:

t = a + b.                                                    (4.20)

Далі визначають оптимальну кількість ланок меандра . Якщо відношення , то оптимальна кількість ланок меандра може бути розрахована за наближеною формулою:

                             (4.21)

При  (меандр квадратної форми) та a = b вираз (4.21) спрощується:

                                            (4.22)

Значення  заокруглюється до найближчого більшого цілого. Габаритні розміри меандра визначаються із співвідношень:

;                                           (4.23)

 

,                                  (4.24)

де п отримана кількість ланок меандра.

Площа, яку займає резистор типу меандр визначається як:

            .                                       (4.25)

         Приклади розрахунків плівкових резисторів наведено в додатках.

 

4.2.2 Конструкції та розрахунок плівкових конденсаторів

Поряд з плівковими резисторами конденсатори відносяться до числа найбільш розповсюджених елементів гібридних мікросхем. За конструкцією плівковий конденсатор у більшості випадків являє собою тришарову структуру (рис. 4.2). Він складається з нижньої обкладинки 1, діелектричної плівки 2 та верхньої обкладинки 3. Вся конструкція наноситься на підкладку 4. Площа нижньої обкладинки конденсатора, що дорівнює добутку , перевищує площу верхньої обкладинки, що дорівнює добутку , а площа діелектричної плівки більша за площу нижньої обкладинки. Це запобігає можливості замикання обкладинок та виключає похибку від їх зміщення.

До матеріалу обкладинок плівкового конденсатора висуваються такі вимоги: висока електропровідність, яка забезпечує малі втрати енергії, добра адгезія, мала міграційна рухливість атомів. Остання з цих вимог не дозволяє використовувати як матеріал обкладинок золото або мідь, оскільки для них характерна висока рухливість атомів. Завдяки їх дифузії у діелектрик, можливі короткі замикання обкладинок. Для виконання обкладинок не використовуються також матеріали з високою температурою випаровування, наприклад нікель або хром. Це пов'язано з тим, що атоми таких металів мають високу енергію при температурі випаровування, пронизують діелектричний шар та викликають короткі замикання обкладинок.

Рисунок 4.2 Конструкція плівкового конденсатора: 1 нижня обкладинка, 2 діелектрична плівка, 3 верхня обкладинка, 4 підкладка

 

Найкращим матеріалом для виготовлення обкладинок тонкоплівкового конденсатора є алюміній. Він має порівняно невелику температуру випаровування, а це означає, що його атоми мають низьку енергію у процесі напилення. В ряді електропровідності алюміній займає третє місце після золота та срібла, тобто електричний опір обкладинок з алюмінію достатньо малий, що забезпечує високу добротність виготовлених конденсаторів. Конденсатори з алюмінієвими обкладинками надійні, оскільки атоми алюмінію мають низьку міграційну рухливість. Це обумовлюється тим, що на його поверхні утворюється оксидний шар Al203 який заважає дифузії атомів алюмінію у діелектрик. Для покращення адгезії алюмінію використовують підшар титану чи хрому.

Конструкція плівкового конденсатора, зображена на рис. 4.2, використовується тоді, коли площа верхньої обкладинки S складає не менше як 5 мм2. При S = 15 мм2 рекомендується конструювати плівковий конденсатор у вигляді двох плівкових провідників 1 і 3, що перетинаються під прямим кутом, розділених діелектричним шаром 2, як зображено на рис. 4.3, а. При активній площі плівкового конденсатора, меншій 1 мм2, його потрібно виконувати у вигляді двох послідовно зєднаних конденсаторів, як подано на рис. 4.3, б, або в вигляді двосторонньої конструкції (рис. 4.3, в), в якій як діелектричний шар 2 використано матеріал підкладки.

При S = 1 мм2 рекомендується конструювати гребінчастий плівковий конденсатор. Ємність такого конденсатора на 90% складається з паразитної ємності, зумовленої крайовим ефектом, Точно розрахувати її неможливо, оскільки складно врахувати ступінь проникнення електричного поля в підкладку та в повітря або захисне покриття мікросхем. Ємність гребінчастого плівкового конденсатора вимірюється у пікофарадах і визначається з емпіричної формули , де   коефіцієнт, що залежить від ширини плівкових провідників та відстані між ними; l довжина спільної границі провідників, см;   розрахункове значення відносної діелектричної проникності.

 

 

Рисунок 4.3 Плівкові конденсатори малої ємності: а) з перехрещеними плівковими провідниками; б) послідовне зєднання двох конденсаторів; в) з підкладкою як діелектричний шар; г) гребінчаста конструкція; 1, 3 плівкові провідники; 2 діелектричне покриття; 4 підкладка

 

Для конденсатора, який не має захисного покриття, розрахункове значення відносної діелектричної проникності . Для конденсатора, покритого захисним шаром, . Тут   відносна діелектрична проникність матеріалу обкладинки;   відносна діелектрична проникність шару покриття.

Конденсатори, конструкцію яких виконано як показано на рис. 2.7, а, характеризуються більш високою точністю отримання заданого номіналу ємності порівняно зі звичайними конденсаторами того ж самого номіналу.

Вихідними даними для визначення геометричних розмірів конденсаторів є:

схемотехнічні дані (з принципової електричної схеми) номінал конденсатора С, пФ; допуск на номінал , % ; робоча напруга , В; тангенс кута діелектричних втрат  або добротність  ; технологічні дані та обмеження (додаток К);

експлуатаційні дані діапазон робочих температур, робоча частота  та інші.

Розрахунок плівкових конденсаторів починають з вибору матеріалу обкладинок та матеріалу діелектрика з максимальною діелектричною проникністю , з високою електричною міцністю Е, а також з малими значеннями ТКЄ та . Для забезпечення високої добротності необхідно, щоб матеріал обкладинки мав малий питомий поверхневий опір.

Питома ємність конденсатора визначається з умови електричної міцності:

,                                                 (4.27)

де = 0,0885 пФ/см відносна діелектрична проникність;

  діелектрична проникність матеріалу діелектрика; d товщина діелектрика.

Товщину діелектрика визначають з умови:

,                                              (4.28)

де   коефіцієнт запасу за напругою (= 23).

Якщо необхідно забезпечити задану похибку ємності, тоді питома ємність конденсатора визначається з співвідношення

                      ,                          (4.29)

 

де   відносна похибка площі конденсатора;

  відносні похибки розмірів обкладинки конденсатора (додаток К);

  коефіцієнт форми конденсатора.

Максимально допустима похибка активної площі конденсатора

,                         (4.30)

де   відносна похибка питомої ємності, яка характеризує відтворюваність питомої ємності в умовах даного виробництва (залежить від матеріалу та похибки товщини діелектрика та складає 35 %);

γст відносна похибка, зумовлена старінням плівок конденсатора і залежить від матеріалу та способу захисту (не перевищує 23 %);

γСt відносна температурна похибка, яка визначається з рівняння

,                                (4.31)

де   температурний коефіцієнт ємності (ТКЄ).

Після розрахунку питомої ємності конденсатора з (4.27) та (4.29) вибирають найменше з двох отриманих значень:

.                                  (4.32)

Далі розраховують площу верхньої обкладинки конденсатора:

Sв = C/C0.                                                   (4.33)

Розміри верхньої обкладинки визначаються зі співвідношень:

;                                            (4.34)

.                                               (4.35)

 

Розміри нижньої обкладки:

;                                           (4.36)

.                                           (4.37)

де   розмір перекриття нижньої та верхньої обкладинки конденсатора (=0,2 мм з додатка К). Розміри діелектричного шару:

;                                          (4.38)

,                                          (4.39)

де  розмір перекриття нижньої обкладинки та діелектрика (f = 0,1 мм з додатка К). 

Далі розраховують площу, яку займає конденсатор:

.                                               (4.40)

При розрахунку конденсаторів малої площі (S=15 мм2) необхідно враховувати збільшення ємності конденсатора, яке обумовлено впливом крайового ефекту (збільшенням напруги електричного поля на краях обкладинок). Площа верхньої обкладинки конденсатора повинна бути змінена:

                                           (4.41)

де   коефіцієнт, що враховує крайовий ефект:

.                                  (4.42)

Виконують перевірку проведених розрахунків.

1. Конденсатор спроектовано правильно, якщо робочий тангенс кута втрат не перевищує заданого:

.                                                 (4.43)

Втрати у конденсаторі складаються з втрат у діелектрику та на обкладинках:

,                             (4.44)

 

де   опір обкладинок конденсатора, Ом; С ємність конденсатора, Ф;

  робоча частота, Гц.

Повний опір обох обкладинок розраховується за формулою

,                              (4.45)

де   питомий поверхневий опір матеріалу обкладинок (встановлюють з табл. 4.4).

2. Проводимо оцінювання забезпечення електричного режиму: робоча напруженість електричного поля не перевищує Е матеріалу діелектрика

,                                                   (4.46)

де

,                                                (4.47)

.                                          (4.48) 

3. Виконуємо перевірку точності конденсатора в заданих умовах експлуатації: похибка активної площі конденсатора не перевищує задану

,                                                  (4.49)

.                                       (4.50)

Якщо будь-яка з нерівностей (4.43), (4.46) або (4.49) не виконується, то необхідно вибрати інший матеріал діелектрика або змінити конструкцію конденсатора.

Якщо у схемі є декілька конденсаторів, то для їх виготовлення в єдиному технологічному циклі доцільно вибирати для всіх конденсаторів однаковий діелектрик з однаковою товщиною та, відповідно, однаковою питомою ємністю .

Для декількох конденсаторів на одній підкладці розрахунок починають з конденсатора, який має найменший номінал ємності. Після вибору номіналу та розрахунків за формулами (4.27)(4.31) визначають значення питомої ємності, при якій конденсатор буде займати мінімальну площу на підкладці:

.                                      (4.51)

Остаточний вибір  виконують з формули

.                     (4.52)

Розраховують товщину діелектрика, що відповідає питомій ємності з (4.47). Якщо товщина діелектрика не виходить за межі можливостей тонкоплівкових технологій (0,11мкм), то продовжують подальший розрахунок, в протилежному випадку вибирають інший матеріал.

         Приклади розрахунків плівкових конденсаторів наведено в додатках.

 

4.2.3 Розрахунок плівкових провідників та контактних площадок

До плівкових елементів комутації відносяться контактні пощадки (КП) та комутаційні доріжки (КД). Контактні площадки (contact pads) це невеликі ділянки провідника, за допомогою яких в мікросхему включаються навісні елементи або монтажні провідники, що зєднують входи та виходи мікросхеми з зовнішніми виводами.

Комутаційні доріжки (switching tracks) це вузькі смужки плівкового провідника, якими виконується міжелементний зв'язок в мікросхемі.

Навісні елементи і монтажні провідники приєднуються до КП склеюванням, паянням або зварюванням. Цим і визначаються вимоги, що висуваються до КП, які зводяться до того, що оскільки електричний зв'язок між елементами мікросхеми здійснюється через КП, то:

       вони повинні мати високу провідність та утворювати із зєднаними з ними провідниками невипрямний контакт;

       провідність плівки не повинна змінюватися з часом;

       бажано щоб матеріал КП мав здатність до безфлюсового паяння і зварювання. Цим усувається можливість забруднення мікросхеми флюсами і необхідністю очищення від нього;

       матеріал повинен бути стійким до корозії.

Оскільки під час експлуатації, і особливо в процесі паяння або зварювання, КП піддаються великому термічному і механічному навантаженню, то вони повинні мати хорошу адгезію з підкладкою (вважається, що сила зчеплення контактної площадки з керамічною підкладкою повинна становити близько 7106 Н/м2).

Вимоги, що висуваються до КП, крім тих з них, які пов'язані з паянням або зварюванням, рівною мірою відносяться і до комутаційних доріжок.

Кращими провідниками, які одержали поширення в мікросхемах, є: мідь, срібло, золото і алюміній. Проте жоден з них не задовольняє повністю всі вимоги. Мідь окислюється при підвищених температурах і утворює випрямний контакт. Алюміній, маючи на своїй поверхні окисну плівку, важко піддається паянню. Срібло, хоча і не окислюється і добре спаюється майже не застосовується через підвищену його міграцію по підкладці, яка призводить до збільшення витоків струму і навіть короткого замикання. Найбільшу кількість вимог задовольняє золото. Однак, крім того, що це коштовний матеріал, воно має низьку адгезією до підкладки. Через це, як правило, перераховані метали не застосовуються самостійно, а в поєднанні з іншими, усуваючи їх недоліки. Так, для поліпшення адгезії вони наносяться не безпосередньо на підкладку, а на попередньо нанесений підшар, що добре зчіплюється з підкладкою металів. До них відносяться: хром і ніхром, марганець і титан. У випадках, коли процес приєднання до КП протікає при високих температурах і досить тривалий час, тоді хром замінюють молібденом або вольфрамом, тому що в цих умовах він добре дифундує в золото, збільшуючи опір плівки [4].

Мідь має хорошу провідність та є дешевим матеріалом, тому вона найчастіше використовується, але щоб уникнути її корозії  вона покривається зверху золотом, сріблом або нікелем.

Для комутаційних елементів застосовуються такі поєднання металів, розташованих на підкладці в порядку: підшар провідний шар захисний шар: хром золото, хром золото нікель, хром срібло нікель, хром мідь золото, хром алюміній золото, хром марганець золото, ніхром золото, ніхром  мідь срібло, ніхром мідь  нікель, титан золото, титан мідь срібло, титан  мідь нікель, титан алюміній нікель, тантал хром алюміній, марганець мідь золото, марганець мідь паладій.

Товщина КП, до яких припаюються та приварюються виводи навісних елементів і перемичок товщиною до 50 мкм, знаходиться в межах 0,3 1 мкм, іноді доходячи до 5 мкм.

Необхідно враховувати сумісність матеріалів комутації та елементів, з якими вони будуть знаходитися в контакті. Під дією температури, атмосфери і електричного струму в місці контакту можуть утворитися такі сполуки, які збільшать опір, змінять обєм і механічне напруження у плівках. Це в свою чергу збільшить шумові властивості схеми, зменшить добротність контурів, змінить температурні коефіцієнти елементів або порушить контакт між ними.

Ширина комутаційних доріжок знаходиться в межах 0,20,75 мм; площа КП для під'єднання зовнішніх виводів - в межах 0,71,5 мм2, а для внутрішньо-схемних сполук близько 0,25 мм2. Мінімальні розміри КП повинні бути більші за розмір зварюваного або припаяного контакту на величину точності зміщення інструменту та приєднуваної деталі.

Враховуючи, що опір КП включається послідовно з елементами схеми, основна вимога до них мати мінімальний опір. Тому їх rS повинно бути менше 0,05 Ом/кВ [4].

Цим обумовлено всі вимоги, що висуваються до плівкових провідників і контактних площадок. Вони повинні з мінімальними втратами проводити напругу живлення до функціональних компонентів мікросхеми, з мінімальними спотвореннями передавати сигнали, забезпечувати надійний, найчастіше невипрямний і малошумний, контакт з елементами мікросхеми.

При розрахунках плівкових провідників необхідно враховувати вимоги, що висуваються до характеристик мікросхеми. Ці вимоги можна сформулювати у вигляді таких критеріїв [4]:

1) спад напруги на провіднику не повинен перевищувати деякого максимального значення Uмакс;

2) опір провідника не повинен перевищувати деякого максимального значення Rмакс;

3) щільність струму, що протікає через провідник, не повинна перевищувати значення, яке визначається співвідношенням Iмакс/Sмін, де Sмін площа перерізу провідника;

4) власна ємність провідника не повинна бути більша деякого максимального значення Смакс;

5) власна індуктивність провідника не повинна бути більша деякого максимального значення Lмакс.

Визначаємо мінімальну ширину друкованого провідника залежно від величини струму в колі за формулою:

   ,

де    максимальний постійний струм;

  допустима густина струму, її вибираємо відповідно для хімічного методу виготовлення одношарової друкованої плати;

=20 (А/мм2);

    товщина провідника;  

 = 0,001 (мкм).

Розрахунок провідників за значенням допустимого спаду напруги Uпров.доп необхідний при проектуванні схем з малою завадостійкістю при малих рівнях сигналів і зводиться до перевірки такої умови:

де   струм, що протікає через провідник;

  допустимий спад напруги, який не перевищує 5% від напруги живлення мікросхеми; 

    опір провідника, що визначається за формулою:

,

де r питомий опір;

l довжина провідника;

b ширина провідника.

Крім того, повинні враховуватися взаємна ємність та індуктивність провідників.

Паразитні параметри плівкових провідників можуть бути визначені з таких співвідношень:

а) власна ємність, пФ, плівкового провідника прямокутної форми розраховується за формулою:

  ,

де     середнє арифметичне значення діелектричної проникності, що визначається відповідними проникностями повітря й підкладки (діелектрична проникність для ситалу 8, для повітря 1,0006).

б) власна індуктивність, мкГн, плівкового провідника прямокутної форми при  визначається за формулою:

.

 

4.2.4 Розрахунок плівкових контактних переходів

Елементи плівкової гібридної інтегральної мікросхеми об'єднуються в єдину схему за допомогою системи плівкових комутаційних провідників, які в місцях з'єднання з іншими плівковими елементами утворюють контактні пари (контактні переходи).

У плівкових гібридних ІМС використовують два типи контактних переходів. Перший являє собою контактну пару з резистивної та низькоомної плівок, другий контактну пару з двох низькоомних плівок.

Контактний перехід будь-якого типу має скінчений опір. Еквівалентний опір контактного переходу, утворений резистивною 1 та низькоомною 2 плівками (рис. 4.4), залежить від геометричних розмірів контакту, провідності плівок, що контактують, та питомого перехідного опору , під яким розуміють опір одиниці площі контактного шару 3 струму, що протікає по нормалі до шарів контакту. Повний опір контактного шару без урахування шунтувального впливу плівок контактної пари:

,

де   площа контакту.       

При розрахунку резисторів з урахуванням похибок задаються відносною похибкою  QUOTE  , яка обумовлена контактним опором (вибирається порядка 13%).

Рисунок 4.4 Контактний перехід плівкового резистора : а) поперечний переріз; б) топологія; 1 резистивний шар; 2 провідниковий шар; 3 контактний шар; 4 підкладка

 

Допустимий опір контактного переходу:

.

Розрахунок полягає у визначенні мінімального перехідного опору плівкового контакту. Опір перехідного контакту:

,

де  ,   ,    опір одиниці довжини контактного шару струму, направленого перпендикулярно до шарів контакту: .

Конструктивний розрахунок контактного переходу двох провідних плівок. Цей випадок передбачає малі значення    ().

Знаходимо опір контактного переходу:

або з урахуванням геометричних розмірів:

.

Звідки визначимо оптимальну довжину контакту:

.

Ширина контактного переходу визначається шириною резистора.

Конструктивний розрахунок контактного переходу утвореного провідною та резистивними плівками. Це випадок коли   ( ). Визначаємо опір контактного переходу:

або з урахуванням геометричних розмірів:

.

         Мінімальне значення  буде при : .

Отримане значення повинно задовольняти умову

.

Якщо   при розрахунку виявилось більше  , то звести   до допустимого значення можна, збільшивши ширину резистора. Якщо збільшення незначне (2050%), то воно приймається і відбувається збільшення довжини резистора. Якщо збільшення в 23 рази, то необхідно перейти до гантелеподібного резистора. При цьому щоб уникнути появи похибки за рахунок нерівномірної щільності струму в розширеній області відношення  не повинно бути більше 3,5, де   ширина збільшеної частини резистора.

Визначаємо мінімальну довжину контактного переходу:

.

Повна довжина перекриття визначається за формулою:

,

де   абсолютна похибка базування (зазвичай  =0,05).

Приклад розрахунку контактного переходу. Визначити розміри контактного переходу плівкового резистора за такими даними: = 2кОм; 500 Ом/.; 0,25 Оммм2; ширина = 0,2 мм; = 4%.

Розрахунок. Допустимий опір контактного переходу:

.

Мінімальне значення .

Умова  не виконується, тому збільшуємо ширину резистора  до 0,3 мм. Тоді

.

В цьому випадку умова  виконується.

Мінімальна довжина контактного переходу

.

Повна довжина: . Отже, беремо l=0,2 мм.

 

 

4.3 Конструкції навісних компонентів

Як навісні елементи в гібридних мікросхемах використовують безкорпусні діоди та діодні матриці, транзистори та транзисторні матриці, тиристори, МОН-структури, напівпровідникові мікросхеми, а також корпусні напівпровідникові прилади в мініатюрному виконанні. Безкорпусні напівпровідникові прилади мають малі габаритні розміри та масу.

Безкорпусні (unpackaged) прилади виготовляються за планарною технологією. Ці прилади можуть бути негерметичними та монтуватися в герметичному корпусі гібридної мікросхеми або в модулі, що складається з декількох гібридних мікросхем. Для тимчасового захисту від впливу вологи та забруднень, що містяться в навколишньому середовищі, кристали в цих приборах покриваються тонкими захисними плівками лаку, емалі, смоли, скла, компаунда.

Безкорпусні напівпровідникові прилади за способом їх монтажу у мікросхему поділяються на дві групи: прилади з гнучкими виводами та прилади з жорсткими об'ємними виводами. В додатку Л подано конструкції безкорпусних мініатюрних діодів та транзисторів.