2.3 Расчет конструкций тонкопленочных резисторов
фигурации тонкопленочных резисторов приведены на рис. 2.2, а-г. Наиболее распространенной является прямоугольная форма как самая простая по технологическому исполнению. Резистор в виде полосок занимает большую площадь, чем резисторы типа «меандр» или «змейка».
Рис. 2.2 - Конфигурация тонкопленочных резисторов:
а – полоска; б – составной из полосок; в – меандр; г – змейка.
Меандр уступает в отношении стабильности и надежности конструкции типа «змейка» из-за перегрева в уголках, но он предпочтительнее c точки зрения изготовления фотошаблонов и поэтому более распространен.
Контактные площадки следует располагать с противоположных сторон резистора для устранения погрешности совмещения проводящего и резистивного слоев. По этой причине придавать резисторам форму, изображенную на рис. 2.3, не реко- мендуется, так как сопротивление таких резисторов зависит от -точ
ности совмещения масок и фотошаблонов (неточности при совмещении изменяют длину таких резисторов).
Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов. Конc-т
руктивный расчет тонкопленочных резисторов заключается в определении формы, геометрических размеров и минимальной площади, занимаемой резисторами на подложке. При этом необходимо, чтобы резисторы обеспечивали рассеивание заданной мощности при удовлетворении требуемой точности g R в услови-
ях существующих технологических возможностей.
Исходные данные для расчета: номинал резистора R i , Ом; допуск на номинал g R i , %; мощность рассеяния P i , мВт; рабочий диапазон температур T max - T min , °С; технологические ограничения; шаг координатной сетки, мм.
1. Определяют оптимальное с точки зрения минимума площади под резисторами ГИС сопротивление квадрата резистивной пленки:
где n – число резисторов; R i – номинал i -гo резистора.
2. По табл. 2.3 выбирают материал резистивной пленки с удельным сопротивлением, ближайшим по значению к вычисленному r S опт . При этом необходимо, чтобы ТКС материала был минимальным, а удельная мощность рассеяния Р 0 – максимальной.
3. Производят проверку правильности выбранного материала с точки зрения точности изготовления резисторов.
Полная относительная погрешность изготовления пленочного резистора g R = D R/R состоит из суммы погрешностей:
g R = g К ф + g r s + g t + g R ст + g R к ,
где g Кф – погрешность коэффициента формы; g r s – погрешность воспроизведения величины r S резистивной пленки; g t – температурная погрешность; g Rст – погрешность, обусловленная старением пленки; g Rк – погрешность переходных сопротивлений контактов.
Погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления g r s зависит от условий напыления и материала резистивной пленки. В условиях серийного производства ее значение не превышает 5%.
Температурная погрешность зависит от ТКС материала пленки:
g t = a R (T max –20°С),
где a R – температурный коэффициент сопротивления материала пленки, 1/°С.
Погрешность g R ст , обусловленная старением пленки, вызва-
на медленным изменением структуры пленки во времени и ее окислением. Она зависит от материала пленки и эффективности защиты, а также от условий хранения и эксплуатации. Обычно для ГИС g R ст не превышает 3%.
Погрешность переходных сопротивлений контактов g Rк зависит от технологических условий напыления пленок, удельного сопротивления резистивной пленки и геометрических размеров контактного перехода: длины перекрытия контактирующих пленок, ширины резистора. Обычно g R к = 1 ¸ 2%. Если материал контактных площадок выбран в соответствии с табл. 2.3, то этой погрешностью можно пренебречь.
Допустимая погрешность коэффициента формы g К ф = g R – g r s – g t – g Rст – g Rк .
Если значение g К ф отрицательно, то это означает, что изготовление резистора заданной точности из выбранного материала невозможно. В этом случае необходимо выбрать другой материал с меньшим ТКС либо использовать подгонку резисторов, если позволяет технологическое оборудование.
4. Определяют конструкцию резисторов по значению коэффициента формы К ф :
При 1 £ К Ф i £ 10 рекомендуется конструировать резистор прямоугольной формы, изображенный на рис. 2.2, а , при К Ф i > 10 – резистор сложной формы (составной, меандр или типа «змейка», рис. 2.2, б - г ), при 0,1 £ К Ф i £ 1 – резистор прямоугольной формы, у которого длина меньше ширины. Конструировать резистор с К Ф i < 0,1 не рекомендуется, так как он будет иметь большие контактные площадки и занимать значительную площадь на подложке.
Если в одной схеме содержатся низкоомные и высокоомные резисторы, можно использовать два резистивных материала, для выбора которых определяют r S сначала для всех резисторов по формуле (2.1), после чего разбивают резисторы на две группы так, чтобы R i max первой группы было меньше, а R i min второй группы – больше значения r Sопт , вычисленного для всех резисторов. Затем по этой же формуле рассчитывают r S опт1 и r S опт2 и выбирают материалы для каждой группы резисторов в отдельности.
5. Дальнейший расчет проводят в зависимости от формы резисторов.
Расчет прямоугольных полосковых резисторов. Для рези-
сторов, имеющих К ф >1 (рис. 2.4, а , б ), сначала определяют ширину, а затем длину резистора. Расчетное значение ширины резистора должно быть не менее наибольшего значения одной из трех величин:
где b техн – минимальная ширина резистора, определяемая возможностями технологического процесса; b точн – ширина резистора, определяемая точностью изготовления: