Расчет тонкопленочных конденсаторов
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Конструкция пленочного конденсатора определяется величиной активной площади перекрытия обкладок.
Можно выделить три варианта конструкции конденсаторов: конденсато-ры с трехслойной структурой (две проводящих обкладки, разделенные диэлек-триком); многослойные конденсаторы; гребенчатые конденсаторы, у которых емкость образуется за счет краевого эффекта. Конденсаторы, у которых общая активная площадь перекрытия обкладок превышает 5 mm2 выполняются в ви-де, приведенном на рисунок 2.1, а.
Если же площадь перекрытия окажется в пределах от 1 до 5 mm² , то кон-денсатор рекомендуется выполнять в виде двух перекрещивающихся пленочных проводников, разделенных диэлектриком (рисунок 2.1, б, в).
При расчетной площади меньше 1 mm2 рекомендуется выполнять гребенчатый конденсатор (рисунок 2.1,г).Для расчета пленочного конденсатора необ-ходимо иметь следующие исходные данные:
– номинальные значения емкости – С, пФ;
– допустимое отклонение емкости от номинального значения 𝑌с,,%;
– рабочее напряжение Uр, В.
При расчете определяются размеры обкладок и толщина диэлектрика.
Конструктивный расчет тонкопленочных конденсаторов с площадью перекрытия обкладок более 5 mm2
По назначению рабочего напряжения выбирается материал диэлектрика: табл. 3. 4. [1]табл. 3. 5. [3]. Если подходит несколько материалов, предпочтение отдают материалам с высокой диэлектрической проницаемостью и небольшим значением ТКЕ. Определяется толщина диэлектрика, которая обеспечит задан-ное Uр:
где 𝑘з – коэффициент запаса, учитывающий условия эксплуатации, 𝑘з=2…4
𝐸пр – пробивное напряжение для выбранного материала диэлектрика.
Определяется возможности реализации конденсатора с заданной точно-стью 𝛾с из выбранного материала. Для этого вычисляют максимальную допу-стимую погрешность воспроизведения площади конденсатора:
где 𝛾С0 – погрешность воспроизведения удельной емкости 𝛾с0 = 3…5%;
𝛾Сt – температурная погрешность емкости;
𝛾С𝑡 =𝛼𝑐(𝑇−20 °𝐶) ∙100%, 𝛼𝑐 – ТКЕ диэлектрика;
𝛾Сст - погрешность емкости, обусловленная старением материала диэлектрика;
𝛾Сст =2..3%.
Если 𝛾sдоп≤ 0, то изготовить конденсатор с заданной точностью невозможно и нужно выбирать более стабильный материал диэлектрика.
Оценивается удельная ёмкость материала диэлектрика:
где ∆А – абсолютная погрешность воспроизведения размеров конденса-тора; ∆А=0,01 мм;
𝑘ф – коэффициент формы конденсатора.
𝑘ф=𝐴1/𝐵1 в оптимальном варианте 𝑘ф=1.
По рассчитанной удельной емкости корректируется, если это необходимо, материал диэлектрика и расчеты геометрических размеров конденсатора про-водят с С0 выбранного диэлектрика.
Уточняется толщина диэлектрика
Рассчитывается площадь перекрытия обкладок S = C/C0,
Определяются геометрические размеры обкладок:
A2 = A1+2(∆А+ℎ); 𝐵2 = B1+2(∆А+ℎ)
A3 = A2+2(∆А+ℎ); 𝐵3 = B2+2(∆А+ℎ)
h – погрешность совмещения масок h=0,04 mm
ВНИМАНИЕ!!!
Если в схеме рассчитывается несколько конденсаторов, то для изготовления их в едином технологическом цикле необходимо использовать один диэлектрик с одинаковой толщиной, то есть с одинаковой удельной емкостью. В этом случае расчет начинают с конденсатора меньшей емкости. Определяется С0, и С0,, для этого конденсатора, а затем рассчитывается удельная емкость, при которой конденсатор будет занимать наименьшую площадь на площадке подложки:
где С𝑚𝑖𝑛− емкость, рассчитываемого конденсатора;
𝑆𝑚𝑖𝑛 - минимальная площадь, выбираемая с учетом технологиче-ских возможностей.
Удельная емкость для всех конденсаторов схемы:
И уже по этой емкости выбирается материал диэлектрика и корректиру-ется толщина диэлектрической пленки.
Конструктивный расчет пленочных конденсаторов с площадью перекрытия обкладок не менее 5 mm2
При расчете таких конденсаторов необходимо учитывать краевой эффект. Емкость конденсатора
где k – поправочный коэффициент, определяемый из графика рис 3.10, а[1]
Далее расчет ведется по вышеизложенной методике, то есть рассчитывает-ся площадь перекрытия обкладок и размеры обкладок.
Конструктивный расчет гребенчатых конденсаторов
Емкость гребенчатого конденсатора определяется по формуле:
где 𝛽 – поправочный коэффициент, значение которого определяется из графика
𝜀1 – диэлектрическая проницаемость подложки;
𝜀2 – диэлектрическая проницаемость среды;
l – длина взаимного перекрытия проводников, образующих емкость;
Из формулы определяется длина взаимного перекрытия проводников.