Тема 3 Основы конструирования МСБ (560681), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Онавключает следующие этапы: расчет тонкопленочных резисторов, расчет тонкопленочных конденсаторов; составление коммутационной схемы МСБ и выбортипоразмера подложки; составление топологии платы МСБ.Расчет тонкопленочных резисторовТонкопленочный резистор располагается на поверхности подложки. Конструктивно он состоит из резистивной пленки определенной конфигурации и контактных площадок. На рис. 3.1 показана структура пленочного резистора, а нарис. 3.2 - наиболее распространенные конфигурации таких резисторов.
С учетом требований автоматизации проектирования в них отсутствуют линии, пересекающиеся не под прямыми углами и криволинейные контуры. Пленочные резисторы должны обладать высокой стабильностью во сопротивления во времени интервале температур, низким уровнем шумов, малыми значениями паразитных параметров, требуемой мощностью рассеивания, заданной точностьюноминала и минимальным значением занимаемой площади.Рис.3.1Рис.3.2Наиболее распространенной является прямоугольная форма, как самаяпростая по технологическому исполнению. Резистор в виде полосок занимает8большую площадь, чем резисторы типа "меандр".
При этом точность их изготовления также уступает первым двум типам резисторов. Меандр уступает вотношении стабильности и надежности конструкции из-за перегрева в уголках,но он предпочтительнее с точки зрения компактности.Контактные площадки у резисторов из составных полосок и меандра следует располагать с противоположных сторон резистора для устранения погрешности совмещения проводящего и резистивного слоев.Конструктивно-технологические ограничения при проектировании пленочных резисторов представлены в рис.3.3.Рис.
3.39Сопротивление пленочного резистора прямоугольной формы, имеющегодлину l, ширину b и толщину d, с учетом переходного сопротивления областейконтактов резистивной и проводящей пленок RкR=ρv (l/bd) +2Rкгде ρv - удельное объемное сопротивление резистивного материала.На практике обычно 2Rк << R и им можно пренебречь. В связи с постоянством толщины резистивной пленки на подложке d=const используется удельное поверхностное сопротивление rкв (сопротивление квадрата пленки):ρкв= ρv /d ,тогда выражение для R можно представить в виде:R= ρкв l/b= ρкв кф,где кф = l/b - коэффициент формы или число квадратов.
Сопротивлениеρкв измеряется в Ом/кв и не зависит от размеров квадрата.кф прямоугольных резисторов: кф = 0,1...100. При значении кф, лежащего впределах 1<кф <10 выбирают прямоугольный резистор в виде полоски, при кф>10 - резистор в форме составных полосок или меандр, при значениях 0,1< кф<1 - резистор прямоугольной формы, у которого длина меньше ширины l<b.Материал, используемый для изготовления резистивных пленок долженобеспечивать возможность получения стабильных во времени резисторов снизким температурным коэффициентом сопротивления, обладать хорошей адгезией, высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к длительномувоздействию высоких температур.
Материалом для резистивных пленок могутбыть различные металлы, металлические сплавы, оксиды металлов и металлокерамические соединения.Максимальные значения сопротивления ρкв соответствуют толщине резистивной пленки 30...50 нМ. Относительная погрешность обеспечения величиныρкв: ∆ρкв / ρкв = 2...5%.Основными параметрами тонкопленочных резисторов служат: номинальноесопротивление резистора R; относительная погрешность сопротивления γR =10∆R/R; мощность, рассеиваемая резистором, P; геометрические размеры резистора: ширина b и длина l; коэффициент формы резистора k = b / l.Относительная погрешность сопротивления резистора определяется следующими составляющими:γR = γk + γρ кв + γRt + γR τ + γRк(3.1)где γk = ∆b/b + ∆l/l - относительная погрешность коэффициента формы; ∆b и ∆l- абсолютные погрешности выполнения размеров резистора; γρ кв - относительная погрешность сопротивления квадрата резистивной пленки(γρ кв ≤ 5%);γRt = αR∆t, αR - температурный коэффициент резистивного материала, ∆t =max{tmin - 20oС; tmax - 20oС} - приращение температуры резистора в диапазонерабочих температур МСБ; γRτ = Kττ − относительная погрешность резистора,τ − время работы ре-обусловленная старением, Kτ - коэффициент старения,зистора(γRτ ≤ 3%); γRк - относительная погрешность сопротивления контакт-ных переходов резистора (γRк = 1...2%).Исходными данными для расчета тонкопленочных резисторов являются: сопротивление резистора R; относительная погрешность сопротивления γR; мощность, рассеиваемая резистором, P; диапазон рабочих температур tmin...tmax.Расчет резисторов начинают с выбора резистивного материала.
Для этогоопределяют оптимальное значение сопротивления квадрата резистивной пленки, минимизирующее площадь резисторов,ρ кв опт =∑ R / ∑ (1 / Rii), где Ri - номи-нальное значение сопротивления i-го резистора. По табл.3.2, в которой приведены параметры резистивных материалов, выбирают материал с сопротивлением квадрата резистивной пленки ρкв ≈ ρкв опт и тем самым определяют другиепараметры материала: удельную мощность рассеивания P0, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) αR.С помощью формулы (3.1) находят допустимую относительную погрешность коэффициента формы11γk = γR - γρ кв - γRt - γR τ - γRк .Резистивный материал выбран верно, если γk > 0.По заданной относительной погрешности γR выбирается метод формирования конфигурации резистора: масочный (γR = 10...15%) или фотолитографический (γR = 5...10%).Находят коэффициент формы резистора k = R/ρкв. При масочном методе, если 1 ≤ k ≤ 10, резистор выполняется в виде прямоугольной полоски (рис.3.2, а),если k >10, то резистор выполняется в виде составного или меандра, (рис.
3.2,б).Таблица 3.24РезистивныйматериалСплав РС-5402Хром ЭРХСплав РС-1734Сплав РС-3710Сплав РС-3001Сплав РС-3001Кермет К50-СКермет К50-Сρкв,Ом/кв1005005002000200003000030005000P0,Вт/см222222222αR⋅10 ,1/oC0.52.010.02.01.01.03-4Кермет К50-С100002 ... 3-5...+3Материал контактныхплощадок и проводниковAu,Cu,Al*Au,Cu,Al*Au,Cu,Al*Au,Cu,Al*Au,Cu,Al*Au,Cu,Al*Au,AlAu,AlAu,Al* - материал имеет ограниченное применение.Тонкопленочные резисторы в виде прямоугольной полоски при фотолитографическом методе могут иметь коэффициент формы 1 < k < 50.
При коэффициенте формы резистора k > 1 находят расчетную ширину резистора b =max{bminТ, bminП, bminР}, где bminТ - минимальная технологически реализуемаяширина (при масочном методе bminТ = 200 мкм, при фотолитографическом bminТ = 100 мкм); bminП = (∆b + ∆l/k)/γk - минимальная ширина резистора, обеспечивающая допустимую относительную погрешность коэффициента формы, ∆bи ∆l - абсолютные производственные погрешности размеров резистора (при масочном методе ∆b = ∆l = 10 мкм, при фотолитографическом - методе ∆b = ∆l = 512мкм), γk - допустимая погрешность коэффициента формы, выраженная в отноPсительных единицах; bmin= P ( P0 k ) - минимально допустимая ширина резисто-ра, обеспечивающая заданную мощность рассеяния.По известной ширине b определяют длину резистора l = bk.
Если для формирования конфигурации резистора используется масочный метод или метод фотолитографии, то находят полную длину резистора lп = l + 2hl , где hl - необходимое перекрытие резистивного и проводящего слоев (рис.2.1,а), при которомвыполняется требование к относительной погрешности сопротивления конbк = b+2hb , где hb -тактных переходов. Ширина контактной площадкиприпуск на совмещение слоев МСБ. Обычно принимают hl = hb = 100...200 мкм.В случае селективного травления резистивного и проводящего слоев (двойнаяфотолитография) lп = l, hl = hb = 0.Через геометрические размеры находят площадь тонкопленочного резистораS = bl.Элементы тонкопленочной МСБ должны вписываться в координатную сетку, в которой выполняется топологический чертеж.
Поэтому размеры b и l округляются до величины ∆, кратной шагу координатной сетки. Чтобы найтизначение ∆, необходимо шаг координатной сетки разделить на масштаб , в котором выполняется топологический чертеж.Проверка результатов расчета состоит в определении фактических значенийудельной мощности, рассеиваемой резистором, P0ф = P/S ≤ P0 , фактическойотносительной погрешности коэффициента формы γkф= ∆b/b + ∆l/l ≤ γk , ифактической относительной погрешности резистораγR ф = γk ф + γρ кв + γRt + γR τ + γRк ≤ γR .В случае невыполнения хотя бы одного из условий следует увеличить ширину резистора b на величину ∆ или относительную погрешность γR .При расчете тонкопленочного резистора с коэффициентом формы k < 1 находят длину резистора l = max{lminТ, lminП, lminР}, где lminТ - минимальная технологически реализуемая длина резистора (обычно lminТ = bminТ );13lminП = (∆l + ∆b⋅k)/γk - минимальная длина резистора, обеспечивающая допусPтимую относительную погрешность коэффициента формы; lmin= Pk P0 - мини-мально допустимая длина резистора, обеспечивающая заданную мощность рассеяния.
Затем определяют полную длину резистивной пленки lп = l + 2hl и ширину резистора b = l/k.Расчет тонкопленочного резистора типа ″меандр″ (рис.3.2, в) до определенияширины резистора b не отличается от расчета резистора в виде прямоугольнойполоски с k > 1. Затем находят среднюю длину резистора lср = kb, полную длину резистивной полоски, и количество звеньев резистора (на рис. 3.2, в) звеноусловно выделено) n = (a 2 / 4t 2 ) + (lср / t) − a / 2t , где t=a+b - "шаг" меандра, а - расстояние между соседними звеньями. Для минимизации площади резистораобычно полагают a = b.
Через число звеньев определяют размеры контура резистораL = n (a + b) ,B = (lср − a ⋅ n) / n . При методе свободной маски должно выпол-няться конструкторско-технологическое ограничение(B − b) / a ≤ 10 .Если оно невыполняется, необходимо увеличить расстояние а, положив a = 2b, a = 3b, и т.дДля обеспечения заданной точности номинала применяют подгонку сопротивления резистора.
Подгонка обеспечивает точность номинала до сотыхдолей процента, а ступенчатая подгонка - до единиц процентов.Подгонку сопротивления тонкопленочного резистора осуществляют, изменяя или удельное поверхностное сопротивление ρкв, или форму резистивнойпленки. ρкв изменяют путем термического, химического или механическоговоздействия на материал пленки. Форму резистивной пленки корректируют путем удаления части резистивного материала. Конструкции плавно подгоняемыхрезисторов представлены на рис.3.4.14Рис.3.4Наиболее распространен способ плавной подгонки, связанный с изменением геометрии тонкопленочного резистора при помощи лазерного луча. Впроцессе подгонки часть пленки удаляется и сопротивление увеличивается.При лазерной подгонке сначала производят грубую подгонку выжиганиемпленки поперек, а затем точную - вдоль резистора.Расчет тонкопленочных конденсаторовПленочные конденсаторы представляют собой трехслойную структуруметалл-диэлектрик-металл и состоят из нижней и верхней обкладок, разделенных слоем диэлектрического материала (рис.3.5).Рис.3.5.Конструкция, изображенная на рис.3.6, а характерна для конденсаторов сповышенной емкостью (сотни-тысячи пикофарад).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
