Семинар по теме Пленочные конденсаторы (Семинар по теме "Пленочные конденсаторы")

ПЛЕНОЧНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫКонструктивно пленочные конденсаторы выполняются в виде трехслойных структурметалл-диэлектрик-металл или металл-диэлектрик-полупроводник и состоят из проводящихверхней и нижней обкладок, разделенных слоем диэлектрического материала. Принципиальновозможно конструировать конденсаторы и в виде многослойной структуры, однако при этомвозрастает вероятность брака и их стоимость.Конструкции пленочных конденсаторовВ зависимости от толщины пленок, применяемых при изготовлении, различаюттонкопленочные и толстопленочные конденсаторы. На рис. 1 приведены наиболеераспространенные конструкции пленочных конденсаторов.Рисунок 1 – Конструкция плёночных конденсаторовКонструкции, изображенные на рис.

1, (a-в) используются для конденсаторов с большойемкостью. В этих конструкциях неточность совмещения обкладок мало сказывается на измененииемкости, так как контур диэлектрика заходит за пределы обеих обкладок. Небольшое изменениеемкости в первых двух конструкциях возможно за счет изменения вклада емкости вывода верхнейобкладки при ее смещении относительно нижней. Для устранения этой погрешности спротивоположной стороны вывода верхней обкладки делают компенсатор (рис. 1, в). Современнаятехнология позволяет получить тонкопленочные конденсаторы с емкостью до 105 пФ. Такиеконденсаторы могут иметь сложную фигурную конструкцию. Это позволяет конструктору приразработке топологии ИМС полностью использовать свободные участки площади подложки.Толстоплёночные конденсаторы, как правило, изготовляют прямоугольной (квадратной)формы без компенсаторов с емкостью 50-2500 пФ и допуском ±15 %.При выборе конструкции пленочного конденсатора необходимо учитывать, что на высокихчастотах (> 10 МГц) его емкость падает.

Причем при двустороннем расположении выводов(рис. 1, а) этот спад меньше, чем при одностороннем (рис. 1, б). Конструкция, изображенная нарис. 1, г, используется для пленочных конденсаторов небольшой емкости (десятки пФ). Обычнодля ее получения достаточна площадь взаимного перекрытия пересекающихся коммутационныхпроводников, разделенных пленкой диэлектрика.При активной площади конденсатора менее 5 мм2 начинает сказываться краевой эффект,поэтому при площади верхней обкладки менее 1 мм2 рекомендуется использовать конструкцию,выполненную в виде последовательно соединенных конденсаторов (рис. 1, д). При малых емкостях(доли и единицы пФ) используют гребенчатую (рис.

1, е) или полосковую формы.Требования к материалам, их основные характеристикиТребования к материалам пленочного конденсатора определяются требованиями,предъявляемыми к самому изделию. Конденсаторы ИМС должны: занимать минимальную площадь; обладать хорошей добротностью; иметь высокую надежность; обладать высокой температурной и временной стабильностью.Выполнение этих требований в большей степени зависит от материала диэлектрика.Поэтому он должен иметь хорошую адгезию к подложке и материалу обкладок, обладать высокойэлектрической прочностью и малыми потерями, иметь высокую диэлектрическую проницаемостьи минимальную гигроскопичность, не разрушаться в процессе формирования пленок и бытьсовместимым с технологическими процессами изготовления других элементов микросхем.Диэлектрик тонкопленочных конденсаторов формируется методами термическогонапыления,анодногоокисления,ионно-плазменногоиреактивногораспыления.Диэлектрические пасты для толстопленочных конденсаторов изготавливаются на основе смесикерамических материалов и флюсов.

Толщина пленки после термической обработки составляет40-60 мкм. В таблице 1 приведены основные характеристики диэлектрических материалов,применяемых для изготовления пленочных конденсаторов.Таблица 1 – Свойства диэлектрических материалов для пленочных конденсаторовМатериалε,ƒ = 1 КГцЕПР ∙10-6В/смSiO2SiOGeOАl2O3Тa2O5TiO246-810-121021-2730-10018-215,2-5,53,9-4,210-12101-20,5-0,8950,240,3-0,53-53-52-3Sb2S3АССБССИБС205-105-2030-8010010-1001-1,5301560ТКЕ 1041/градT = - 60 + 85 °С21-23-51,5-52-3351,50,2530-4010+ 10363,7+ 10tgδ ∙10-31-25-70,3-1,510264-10317С0 ∙10-3пФ/ см2ПастаПК-12—UПР> 150 ВПастаПК 1000-30—UПР> 150 ВАСС - алюмосиликатное стекло;БСС - боросиликатное стекло, в состав которого входит 15 % В203 и 85 % Si02;ИБС - иттрий-боритное стекло.Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) – относительное изменение ёмкости приизменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (кельвин).Диэлектрическая пронииаемость ε является одной из важнейших характеристик диэлектрика ипоказывает, во сколько раз уменьшается кулоновское взаимодействие между зарядами припереносе их из вакуума в данную среду.

Величина ε отражает увеличение емкости конденсаторапри замене в нем вакуума диэлектриком.С 0 Sdгде ε0 = 8,85∙10-14 Ф/см – электрическая постоянная,S – площадь перекрытия пластин конденсатора,d – расстояние между ними.Диэлектрическая проницаемость зависит от материала, температуры, частоты инапряженности поля.Электрическая прочность ЕПР диэлектрических пленок характеризуется напряженностьюэлектрического поля, при которой происходит локальное разрушение диэлектрика с образованиемпроводящего канала:EПР U ПРdгде UПР – пробивное напряжение, d – толщина диэлектрика.Пробой диэлектрических пленок бывает: Электрическим Тепловым Электрохимическим ПоверхностнымЭлектрическийпробойобусловлентуннельнымпереходомэлектроноввзонупроводимости из валентной зоны, с примесных уровней или металлических электродов, а такжелавинным размножением электронов за счет ударной ионизации в высоких электрических полях.Тепловой пробой обусловлен экспоненциальным ростом электропроводности диэлектрикапри повышении его температуры.Электрохимический пробой обусловлен химическими реакциями, протекающими поддействием электрического поля в объеме и на поверхности твердого диэлектрика и приводящимик необратимому ухудшению его свойств.

Это явление принято называть электрическим старениемматериала. Одной из фундаментальных причин электрического старения является ионнаяэлектропроводность, которая связана с переносом массы и приводит к постепенному изменениюхимического состава вещества.

При электрохимическом пробое электрическая прочностьдиэлектриков оказывается существенно меньше, чем при тепловом, а тем более при электрическомпробое.Время развития электрохимического пробоя называется временем жизни диэлектрика.Оно может составлять от десятков минут до многих месяцев и тем меньше, чем больше величинаприложенного напряжения.Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ является количественной мерой потерь в данномдиэлектрике. Эти потери обусловлены свойствами материала диэлектрика и определяются суммойпотерь.Выделяют несколько видов диэлектрических потерь, в зависимости от их физическойприроды: потери на электропроводность, релаксационные потери, ионизационные потери,резонансные потери, потери на гистерезис.Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую нанагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.Например: Миграционные потери связаны со сквозной электропроводностью вдиэлектрике, уменьшаются с увеличением частоты по гиперболическому закону и увеличиваютсяпо экспоненциальному закону с ростом температуры.

Дипольно-релаксационные потериобусловлены процессами ориентации диполей в электрическом поле при их хаотических,обусловленных тепловым движением, колебаниях около среднего положения равновесия.Углом диэлектрических потерь δ называется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз ϕмежду током и напряжением в емкостной цепи.Рисунок 2 - Векторные диаграммы идеального (а) и реального (б) диэлектриковВ случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряженияна угол 90°, при этом угол δ равен нулю. Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, темменьше угол сдвига фаз ϕ и тем больше угол диэлектрических потерь δ и его функция tgδ.Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ непосредственно входит в формулу длярассеиваемой в диэлектрике мощности, поэтому практически наиболее часто пользуются этойхарактеристикой.tgδ и относительная диэлектрическая проницаемость ɛ характеризуют удельныепотери в диэлектрике!Рассмотрим схему, эквивалентную конденсатору с диэлектриком, обладающим потерями.Эта схема должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы активная мощность, расходуемая вданной схеме, была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а ток был бысдвинут относительно напряжения на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе.Поставленную задачу можно решить, заменив конденсатор с потерями идеальнымконденсатором с параллельно включенным активным сопротивлением (параллельная схема) иликонденсатором с последовательно включенным сопротивлением (последовательная схема).

Такиеэквивалентные схемы, конечно, не дают объяснения механизма диэлектрических потерь и введенытолько условно.Рисунок 3 - Параллельная (а) и последовательная (6) эквивалентные схемы диэлектрика спотерями и соответствующие им векторные диаграммыОбе схемы эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивленийZ1 = Z2 = Z равны соответственно их активные и реактивные составляющие. Это условие будетсоблюдено, если углы сдвига тока относительно напряжения равны и значения активноймощности одинаковы.Для параллельной схемы из векторной диаграммы имеем:tg  I a I C  1 CC R Pa  UI a  U 2C ptgДля последовательной схемы:tg  U a U C  Cs rU 2rU 2rU 2CstgPa  IU a  I r  2x  r 2 x 2 1  r 2 x 2 1  tg 22Найдем взаимосвязь между параметрами параллельной и последовательной эквивалентныхсхем:Cp Cs1  tg 21 R  r 1  2  tg  Для высококачественных диэлектриков можно пренебречь значением tgδ по сравнению сединицей в формуле Сp и считатьCp Cs Cs  C1  tg 2Выражения для мощности, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут такжеодинаковы у обеих схем:Pa  U 2СtgПри переменном напряжении в отличие от постоянного емкость диэлектрика с большимипотерями становится условной величиной и зависит от выбора той или иной эквивалентнойсхемы.

Отсюда и диэлектрическая проницаемость материала с большими потерями припеременном напряжении также условна.Для большинства диэлектриков параметры эквивалентной схемы зависят от частоты.Поэтому, определив каким-либо методом значения емкости и эквивалентного сопротивления дляданного конденсатора при некоторой частоте, нельзя использовать эти параметры для расчетаугла потерь при другой частоте. Такой расчет справедлив только в отдельных случаях, когдаэквивалентная схема имеет определенное физическое обоснование.Так, если для данного диэлектрика известно, что потери в нем определяются толькопотерями от сквозной электропроводности в широком диапазоне частот, то угол потерьконденсатора с таким диэлектриком может быть вычислен для любой частоты, лежащей в этомдиапазоне,2Pa  URгде R — эквивалентное сопротивление потерь (в данном случае имеет смысл сопротивленияизоляции).Если же потери в конденсаторе обусловлены главным образом сопротивлениемподводящих и соединительных проводов, а также сопротивлением самих электродов (обкладок),например тонким слоем серебра в слюдяном или керамическом конденсаторе, то рассеиваемаямощность в нем возрастет пропорционально квадрату частоты:Pa  UI a  U 2Ctg  U 2 2C 2rМожно сделать весьма важный практический вывод: конденсаторы, предназначенныедля работы на высокой частоте, должны иметь по возможности малое сопротивление какэлектродов, так и соединительных проводов и переходных контактов.В большинстве случаев механизм потерь в конденсаторе сложный и его нельзя свеститолько к потерям от сквозной электропроводности или к потерям в контакте.