Поляков В.И., Стародубцев Э.В. - Проектирование тонкопленочных ГИС (1051262), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Этим достигается минимизация размеровцепей в слое.Рис. 3.1. Схема расположения пленочных элементов на подложке:а - не рекомендуемое расположение, б - рекомендуемоеДля навесных деталей, таких как микротранзисторы,микродиоды и других, располагаемых на свободных от пленочныхэлементов местах подложки, делаются метки, обозначающиерасположение (приклейку) этих элементов на подложке. Форма метокможет повторить форму соответствующих микроэлементов, а ееориентация должна соответствовать топологической структуремикросхемы.314. Пленочные элементы гибридных интегральных схемПленочные элементы, такие как резисторы, конденсаторы,индуктивности, проводники и другие, находят широкое применение вконструкциях различных интегральных схем и микросборок.4.1.
Пленочные резисторыКонструкция пленочных резисторов должна учитыватьособенности топологической структуры функционального пленочногоузла (размеры подложки, количество и расположение выводов и т.д.),величину номинала, характеристики используемых материалов,технологию производства, требуемую и возможную точностьвоспроизведения номинала, условия эксплуатации микросхем.На рис. 4.1 представлена конструкция тонкопленочного резистора.Рис. 4.1.
Конструкция пленочногорезистораВведем конструктивные размеры резисторов: l – длина, b –ширина, d – толщина, δ – величина перекрытия пленочных слоев,которая, в свою очередь, зависит от технологии изготовления (в работепримем δ=0,2 мм).Тогда сопротивление резистора равноR= ρ⋅l,d ⋅bгде ρ – удельное объемное электрическое сопротивление материаларезистора, размерность которого [Ом · см].Так как материал одновременно напыляемых резисторов ивремя напыления одинаковы (толщина пленки), для упрощениярасчетов обозначимρ =ρdи назовем этот параметр удельным поверхностным сопротивлениемпленочного резистора.Введем понятие коэффициента формы пленочного резистора kф32lkф = .bТогда,сучетомвведенныхобозначений,сопротивления пленочного резистора запишем в видеR = ρ□ · kф.Отсюда следуетRbρ == R⋅ .kфlформулуЕсли резистор квадратной формы, то kф = l и R = ρ□.
Такимобразом получается, что размерность ρ□ есть [Ом] или [Ом/□, читается«Ом на квадрат»]. Последнее выражение размерности показывает, чтоρ□ численно равно сопротивлению резистора квадратной формы и независит от размера квадрата.Основными электрическими параметрами пленочного резистораявляются: R, ρ□, kф, ∆R.Важными параметрами являются также максимальная удельнаямощность рассеяния W0 – это максимальная мощность, которую можетрассеять резистор размером 1×1см2, не разрушаясь и W – этомаксимальная мощность которую может рассеять резистор, оставаясь впределах ∆R.Электрические характеристики и величины номинала зависят отконструкции резистора, материала подложки, резистивной пленки иконтактных площадок, а также в сильной степени от технологииизготовления.Как было сказано в параграфе 2.1, наиболее распространеннымявляется метод термического испарения в вакууме, основноедостоинство которого заключается в высокой скорости полученияпленки.При получении тонких пленок тугоплавких металлов, сплавов иокислов используются такие способы как катодное ионно-плазменноераспыление, осаждение из газовой и паровой фазы.
Широкий диапазонизменения номиналов резисторов, используемых в пленочныхмикросхемах, вызывает необходимость применять материалырезистивных пленок с различными удельными поверхностнымисопротивлениями, которые могут обеспечить хорошую адгезию кподложке, ТКЛР, близкий к ТКЛР подложки, относительно низкуютемпературу испарения, высокую температурную и временнуюстабильность пленочных резисторов, постоянство химического состава(стехиометрию), отсутствие взаимодействия резистивной пленки сподложкой и пленками других материалов (табл.
4.1 «Основныепараметры материалов тонкопленочных резисторов»).33800 - 3000100 - 20001000 - 10000Диапазон значений сопротивления, Ом50 - 3000010 - 20000100 - 100000Удельная мощность рассеянияW0, Вт/см2222350 - 500100 - 50000210 - 10050 - 3005001 - 10005 - 300050 - 30000311Наименованиематериалаρ□, Ом/□Сплав РС - 3001Сплав РС - 3710Кермет К-50ССпециальныйсплав №3Тантал ТВЧНихромХромТаблица 4.1. Основные параметры материалов тонкопленочных резисторовКаждый резистор кроме резистивной пленки содержитконтактные площадки.
Конструкция и техпроцесс изготовленияконтактных площадок должны обеспечивать:1. минимальное переходное сопротивление между резистивнымипленками и контактами;2. хорошую адгезию контактной площадки к подложке;3. равномерное распределение линий тока в контактном переходе;4. отсутствие выпрямляющего контакта между материаламирезистивной пленки и контактной площадкой;5. химическую инертность материалов друг к другу;6. хорошие условия для присоединения навесных проводников ктонкой пленке контактной площадки.Перечисленным требованиям лучше всего удовлетворяютмногослойные контактные площадки. В качестве первого слоя,называемого подслоем, способного образовывать прочное сцепление сподложкой и последующими слоями, используются очень тонкие (100 –200 Ǻ) металлические пленки, чаще всего пленки хрома, нихрома,марганца.
Основной слой контактной площадки напыляется изматериала с высокой проводимостью (алюминий, медь, золото) наподслой и имеет толщину в несколько тысяч Ангстрем.ТолщинаРекомендуемый способМатериал слояρОм/□□,слоя, мкмконтактированияАлюминий А-990,3 – 0,60,03 – 0,06СваркаЗолото Зл 999,90,6 – 0,80,03 – 0,04Пайка, сваркаСеребро Ср 999,90,4 - 10,02 – 0,04Пайка, сваркаМедь вакуум0,6 – 0,80,02 – 0,04Пайка, сваркаплавленнаяПодслой нихрома0,01 – 0,03––Х20Н80Таблица 4.2.
Характеристики пленочных контактных площадок и проводников34Выбор подслоя и слоя зависит от используемого материаларезистивной пленки (табл. 4.2. «Характеристики пленочныхконтактных площадок и проводников»).4.1.1. Расчет тонкопленочных резисторовРекомендуется следующая последовательность проведениярасчета.1.
Определяется оптимальное удельное поверхностное сопротивлениеnρопт∑R=i =1ni∑Ri =1.−1i2. Выбирается материал резистивной пленки (см. табл. 4.1) судельным электрическим сопротивлением ρ□, ближайшим квычисленному ρ□опт.При этом необходимо, чтобы удельная мощность рассеяния W0была велика.3.
Определяется коэффициент формы kфi каждого резистораkфi = Ri / ρ□,где Ri - номинал i-гo резистора.Если 1 < kф ≤ 10, то резистор рекомендуется выполнятьпрямоугольной формы, длина l которого больше ширины b. При 0,1 ≤kф < l - то же, но l < b; если 10 ≤ kф ≤ 50, то резистору придают формумеандра.пленочныхδlНаиболеераспространенныеконструкциирезисторов схематично показаны на рис.
4.2.bаδбвРис. 4.2. Конфигурации наиболее распространенных пленочных резисторов:а – прямоугольной формы, б – в виде нескольких полосок, в - меандрНа рис. 4.3. показаны конструкции резисторов типа меандр, использование которых не рекомендуется.35абРис. 4.3. Не рекомендуемые конструкции пленочных резисторовЭти конструкции не рекомендуются по следующей причине.При смещении масок резистивного и проводящего слоев по вертикалидлина и, соответственно, сопротивление резистора конструкции рис.4.3. а изменится. Параметры резистора конструкции 4.3. б изменятсяпри смешении масок в любом направлении. Поэтому контактные площадки резистора должны быть на одной оси (вертикальной или горизонтальной) и выходить в противоположные стороны.4.
Определяется ширина резисторов, имеющих kф < 10. Расчетноезначение ширины каждого резистора bb ≥ max [bточн , bW],здесь bточн определяется заданной точностью изготовления0,2 мм, при ∆R = ±20%,bточн = 0,3 мм, при ∆R = ±10%;а bW – значение ширины, обеспечивающее необходимую мощностьрассеянияρ ⋅WbW =R ⋅ W0,здесь W0 - удельная мощность рассеяния пленки, а W - мощность,рассеиваемая на резисторе.Значение bW округляется в большую сторону кратно шагукоординатой сетки Н.
Рекомендуется выбирать Н = 0,1 мм.5. Определяется длина резисторов, имеющих kф < 10.Расчетное значение lрасч для каждого резистораRl расч =⋅ b = k ф ⋅ b.ρΠЗа длину резистора принимают ближайшее к lрасч значение,кратное шагу координатной сетки Н.При округлении lрасч рекомендуется оценить погрешность,вызванную округлениемR − R'∆R' =⋅ 100%,R36l '⋅ ρ Π, а l ' ≈ lрасч .bЕсли ∆R ' > ∆R , то необходимо увеличить ширину резистора(b=b+H) и пересчитать lрасч, чтобы округление длины давало быменьшую погрешность.6. Рассчитываются геометрические размеры резисторов с kф ≥ 10.Сопротивлениепленочногорезисторатипамеандррассчитывается по формулеlR = Rугол ⋅ nугол + ρ Π ⋅ Σ ,bгде Rугол – сопротивление уголка, nугол – число уголков в меандре и lΣ –суммарная длина прямоугольных участков меандра (без уголков – рис.4.
4).где R' =l2l5l1l3…bl4Рис. 4.4. Размеры резистора в форме меандраbbДело в том, что сопротивление трех квадратов пленки (рис. 4.5а) равно 3ρ□, а уголка из трех квадратов (рис. 4.5 б) – Rугол=2,55 ρ□.b3bаbбРис. 4.5. Прямоугольный (а) и угловой (б) пленочные резисторы из трех квадратовКаждый уголок должен содержать ровно три квадрата пленки,т.е. необходимо, чтобы li ≥ 0.374.1.2. Конструкции точных пленочных резисторовСхемное назначение некоторых резисторов требует высокойточностиихизготовления,превосходящейтехнологическиевозможности современного оборудования для напыления микросхем.
Втаких случаях при конструировании микросхем применяютспециальные пленочные резисторы, сопротивление которых можноизменять после изготовления.Некоторыеконструкцииподгоняемыхтонкопленочныхрезисторов приведены на рис. 4.6.авбРис. 4.6. Конструкции подгоняемых тонкопленочных резисторовПодгонка величины сопротивления может производиться либоскачками – путем удаления заранее предусмотренных шунтирующихперемычек из проводящей (рис.
4.6 а, б) или резистивной (рис. 4.6 в)пленки, либо плавно – путем постепенного удаления части резистивнойпленки. В обоих случаях изменить сопротивление можно лишь всторону его увеличения.В настоящее время известны различные способы подгонкисопротивления пленочных резисторов: лучом лазера, иглоймикроманипулятора, электрической искрой.4.2. Тонкопленочные конденсаторыКонденсаторыявляютсяширокораспространеннымиэлементами пленочных микросхем.Большинство характеристик конденсаторов (величина номинала,стабильность, рабочее напряжение, температурная и временнаястабильность, частотные свойства, добротность, полярность,надежность и др.) зависят от выбранных материалов и технологииизготовления.38Материал, применяемый для изготовления диэлектрическихслоев, должен иметь хорошую адгезию к материалам подложки иобкладок, не вступать с ними в химические реакции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
