降低半導(dǎo)體橋/斯蒂芬酸鉛發(fā)火能量的技術(shù)途徑研究

嚴(yán)楠，王剛，2，何愛軍，鮑丙亮

(1. 北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081;2. 中國航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京210007;3. 中國兵器工業(yè)規(guī)劃研究院，北京100053)

0 引言

半導(dǎo)體橋(SCB)火工品是近年來快速發(fā)展的一種新技術(shù)火工品，它利用半導(dǎo)體膜(或金屬-半導(dǎo)體復(fù)合膜)作換能元。它與傳統(tǒng)橋絲式火工品相比具有發(fā)火能量低、體積小、一致性好、響應(yīng)快等特點(diǎn)［1-5］。國內(nèi)外許多學(xué)者對標(biāo)準(zhǔn)SCB 和鈍感SCB進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，關(guān)于降低SCB 的發(fā)火能量方面，Ewick 等［6］在低能SCB 裝置橋/藥劑界面的優(yōu)化研究中發(fā)現(xiàn)藥劑粒徑會影響點(diǎn)火能量。徐祿等［7］通過對藥劑的敏化可以降低SCB 的發(fā)火能量，周彬等［8］分析了SCB 長寬比對其發(fā)火能量的影響規(guī)律，楊貴麗［9］設(shè)計了雙V 型SCB，研究了降低發(fā)火能量的影響因素。對于SCB 的電熱換能作用機(jī)理，普遍認(rèn)為電橋一旦熔化并且完全氣化后，電流通過硅蒸汽產(chǎn)生等離子體［10］，等離子體引發(fā)藥劑化學(xué)反應(yīng)而發(fā)火，而Kim 等發(fā)現(xiàn)加載臨界爆發(fā)電壓時，SCB 可以爆發(fā)形成蒸汽，但是并不一定產(chǎn)生等離子體，當(dāng)高于某一電壓時SCB 才能爆發(fā)產(chǎn)生等離子體［11-12］。

微型起爆元件是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)引信及微小型彈藥的首發(fā)元件，而系統(tǒng)小型化能提供給換能元件的能量也極為有限，普遍發(fā)火條件要求放電電容10 μF 情況下發(fā)火電壓不超過5 V，發(fā)火能量小于0.125 mJ. 目前發(fā)火件的低能化設(shè)計已經(jīng)獲得了一些進(jìn)展，但仍然不能滿足MEMS 引信用微型起爆元件安全可靠發(fā)火要求。發(fā)火件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和藥劑選擇是低能發(fā)火件設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。因此本文設(shè)計加工了不同形狀和結(jié)構(gòu)的微型SCB 換能元，選擇超細(xì)結(jié)晶點(diǎn)火藥劑，以達(dá)到SCB 低能可靠發(fā)火要求;同時采用硅基底具有良好的導(dǎo)熱性，使得SCB 具有較高的安全電流，達(dá)到安全發(fā)火要求。

1 SCB/斯蒂芬酸鉛(LTNR)發(fā)火試驗(yàn)方案與測試電路設(shè)計

1.1 SCB/LTNR 發(fā)火件方案設(shè)計

本文設(shè)計了6 種不同尺寸和形狀的SCB 換能元，摻雜濃度為7.7 ×1019cm-3，厚度為2 μm，詳細(xì)參數(shù)見表1，發(fā)火藥劑選用超細(xì)結(jié)晶LTNR，粒徑均值為2 μm，藥量為8 mg. 考慮微系統(tǒng)的微型化和一體化設(shè)計要求，將SCB 芯片封裝在印制電路板(PCB)上，采用超聲焊接技術(shù)用金絲將電路板上的焊盤和SCB 的鋁電極連接，發(fā)火件實(shí)物照片見圖1和圖2 所示。

表1 SCB 尺寸和電阻Tab.1 Dimensions and Resistance of SCB

圖1 SCB 結(jié)構(gòu)示意圖與LTNR 粒度分析圖Fig.1 SCB bridge shape and LTNR size

圖2 封裝在PCB 上的SCB 發(fā)火件實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 An example of the SCB/LTNR firing devices

1.2 SCB/LTNR 發(fā)火件的性能測試電路

為了測試SCB/LTRN 發(fā)火件的臨界發(fā)火電壓、發(fā)火電流以及發(fā)火時間，設(shè)計了電容放電測試電路，如圖3. 電路中儀器參數(shù)包括10 μF 鉭電容(耐壓50 V)、ALG-CM 儲能放電起爆儀(在0 ～50 V 內(nèi)連續(xù)可調(diào)，精度0.1 V)、DPO7104 瞬態(tài)數(shù)字示波器(1 GHz、2.5 Gs/s)、CP150 電流探頭(150 AMP、10 MHz)、測試發(fā)火時間用光電二極管。用高速數(shù)字存貯示波器記錄SCB 發(fā)火過程中的電壓、電流信號和光信號。

圖3 電容放電激勵時測試電路原理圖Fig.3 The experimental device of SCB using a capacitor discharge firing circuit

試驗(yàn)嚴(yán)格按照D-最優(yōu)法感度程序，選擇6 種SCB 和直徑12 μm、長566 μm、電阻為4.61 Ω 的橋絲換能元進(jìn)行感度對比試驗(yàn)，測試樣品的臨界發(fā)火電壓和發(fā)火電流，每組試驗(yàn)樣品樣本量為15 發(fā)。試驗(yàn)中得出不同SCB/LTNR 的50%發(fā)火電壓(電流)的和標(biāo)準(zhǔn)差，取99.9%發(fā)火電壓(電流)為最小全發(fā)火電壓(電流)，0.1%發(fā)火電壓(電流)為最大不發(fā)火電壓(電流)作對比特性參數(shù)，進(jìn)行分析討論。

2 SCB/LTNR 試驗(yàn)規(guī)律與結(jié)果分析

2.1 SCB/LTNR 發(fā)火試驗(yàn)規(guī)律分析

10 μF 電容相同、在不同電壓激勵條件下，SCB/LTNR 發(fā)火件的典型電特性曲線如圖4 和圖5 所示。

圖4 1號SCB/LTNR 發(fā)火件在電壓激勵下的電特性波形Fig.4 The electricity characteristics curves of 1# SCB/LTNR firing device

1號樣品在低發(fā)火電壓激勵時(3.7 V，高于臨界發(fā)火電壓，低于最小全發(fā)火電壓)，藥劑發(fā)火，電特性如圖4(a)所示，其中U、I、R 分別代表電壓、電流和電阻，電阻是由示波器的計算功能由電壓和電流相除所得。SCB 的電阻變化經(jīng)歷了上升階段、下降階段和穩(wěn)定階段3 個特征時域，由于SCB 橋區(qū)在高溫作用爆發(fā)而斷開使電阻趨于無限大，SCB 電阻變化曲線呈“U”型，可判斷SCB 爆發(fā)形成蒸汽，蒸汽侵入藥劑，以對流的方式向藥劑傳遞熱量，由于SCB 橋區(qū)質(zhì)量較大，向藥劑傳遞的能量足以引發(fā)藥劑發(fā)火，但不足以繼續(xù)升溫電離形成等離子體。因此，較低電壓條件下SCB 是電爆形式激發(fā)藥劑發(fā)火，電阻曲線呈“U”型。

當(dāng)激勵電壓繼續(xù)增大時(6.2 V，高于最小全發(fā)火電壓)，電爆特性變化如圖4(b)，SCB 電阻由最大值迅速下降到極小值，然后逐漸增大而趨于無窮，電阻在整個發(fā)火過程呈現(xiàn)“W”型，表明SCB 經(jīng)歷固態(tài)溫升和液態(tài)溫升的過程極其短暫，在爆發(fā)時刻硅蒸汽瞬間被電離，高溫高壓的等離子體侵入藥劑，引發(fā)藥劑反應(yīng)而導(dǎo)電，電阻出現(xiàn)再次下降過程，隨著化學(xué)反應(yīng)完畢，電流無法持續(xù)，電阻再次急劇增大。SCB在較大的電能作用下產(chǎn)生等離子體以微對流的形式向藥劑傳遞能量，當(dāng)SCB 橋區(qū)產(chǎn)生足夠的等離子體質(zhì)量時，藥劑發(fā)火，電阻曲線呈“W”型。

1號和2號樣品橋區(qū)寬度相同;1號夾角θ 為60°，電阻為3.6 Ω;2號夾角θ 為40°，電阻為2.0 Ω.以硅的密度為2.323 g/cm3計算，兩種元件的橋區(qū)面積分別為5.68 ×102μm2和7.65 ×102μm2，橋區(qū)質(zhì)量分別為2.64 ×10-6mg 和3.55 ×10-6mg. 對比1號SCB/LTNR和2號SCB/LTNR 電特性曲線如圖4和圖5 可知，1號SCB 換能元的面積或質(zhì)量較小，在相對較小的能量激發(fā)下，SCB 形成足夠的灼熱硅蒸汽，硅蒸汽以熱對流的形式向藥劑傳遞熱量而引發(fā)點(diǎn)火，所以臨界發(fā)火狀態(tài)下屬于電爆發(fā)火。2號SCB換能元的面積或質(zhì)量較大，在低發(fā)火電壓激勵時，電阻曲線呈先下降后上升，達(dá)到最高值后電阻又再次下降。由于SCB 橋區(qū)溫度沒有達(dá)到爆發(fā)點(diǎn)，電阻未能出現(xiàn)趨于無窮大，因此SCB 在較低能量刺激下不能形成灼熱硅蒸汽，而是以熱傳導(dǎo)的形式向LTNR 傳遞熱量，引發(fā)藥劑發(fā)火，在臨界發(fā)火狀態(tài)下一般屬于電熱發(fā)火機(jī)理，典型電阻曲線未出現(xiàn)突變，如圖5(a)所示。從發(fā)火作用時間上看，電爆發(fā)火時間要短于電熱發(fā)火時間。因此可以推出，當(dāng)SCB 換能元的面積或質(zhì)量非常小或者藥劑的感度非常低時，應(yīng)選這合適的激發(fā)能量使SCB 換能元產(chǎn)生等離子體才能引發(fā)藥劑發(fā)火，但是SCB 換能元產(chǎn)生等離子體需要的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于形成蒸汽時的激勵能量。因此在設(shè)計SCB 換能元時，應(yīng)綜合考慮橋區(qū)的長寬尺寸、面積、質(zhì)量以及發(fā)火能量等因素，滿足SCB 發(fā)火件臨界狀態(tài)下以電爆形式引燃藥劑。

圖5 2號SCB/LTNR 發(fā)火件在電壓激勵下的電特性波形Fig.5 The electrical characteristic curves of 2# SCB/LTNR firing device

2.2 雙V 型薄弱環(huán)節(jié)對SCB/LTNR 發(fā)火電壓的影響

SCB/LTNR 發(fā)火件的臨界發(fā)火電壓試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表2 所示。

在其他尺寸相同的條件下，對比3 號和6 號樣品發(fā)火電壓測試結(jié)果，增加雙V 型薄弱環(huán)節(jié)可以明顯降低發(fā)火電壓，增加40°雙V 型薄弱環(huán)節(jié)，可以使最小全發(fā)火電壓降低39.1%;對比1號和2號樣品測試可得改變角度值可以使最小全發(fā)火電壓降低11.1%. 在SCB 橋區(qū)設(shè)置雙V 型薄弱環(huán)節(jié)，使橋區(qū)電流密度分布發(fā)生繞流現(xiàn)象，在V 型尖端處的電流密度相對最大，電橋升溫速率最快，最先達(dá)到藥劑的發(fā)火點(diǎn)，發(fā)火電壓隨之下降。對比1號、2號和3 號樣品可得，隨著雙V 型薄弱環(huán)節(jié)角度的變化，每一種特定尺寸的SCB/LTNR 發(fā)火件都存在一個最佳角度，試驗(yàn)方案范圍內(nèi)得到60°雙V 型薄弱環(huán)節(jié)最小全發(fā)火電壓為3.83 V，與直徑12 μm 橋絲發(fā)火電壓3.81 V相當(dāng)。

2.3 長寬比對SCB/LTNR 發(fā)火電壓的影響

圖6 SCB/LTNR 最小全發(fā)火電壓與其長寬比的關(guān)系Fig.6 Function relation between the minimum all-firing voltage of SCB/LTNR and aspect ratio

表2 SCB/LTNR 發(fā)火件的發(fā)火電壓測試結(jié)果Tab.2 The firing voltage test results of SCB/LTNR firing devices

試驗(yàn)中固定SCB 橋區(qū)長度、角度40°、寬度變化，在長寬比ω 變化試驗(yàn)方案范圍內(nèi)得到:最小全發(fā)火電壓呈先降低后增大的趨勢，存在最小值(3號、4號、5號)，如圖6所示，利用多項式擬合得長寬比ω 與最小全發(fā)火電壓U 的關(guān)系式:U =30.4 -221.0ω + 459.8ω2. 利用擬合關(guān)系式可計算得，當(dāng)ω 為0.24 時，最小全發(fā)火電壓最低，為3.83 V，相對5 號的6.77 V，最小全發(fā)火電壓降低43.4%.

2.4 橋區(qū)面積對SCB/LTNR 發(fā)火電流的影響

SCB/LTNR 發(fā)火件的臨界發(fā)火電流試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 SCB/LTNR 發(fā)火件的發(fā)火電流測試結(jié)果Tab.3 The firing current test results of SCB/LTNR firing devices

圖7 是對表3 中發(fā)火電流I 與橋區(qū)面積S 的測試數(shù)據(jù)擬合結(jié)果。由圖7 分析可以得出:最大不發(fā)火電流I 隨著橋區(qū)面積S 的增大呈指數(shù)增加，最大不發(fā)火電流I 與橋區(qū)面積S 關(guān)系為:I =211.80 +6.90exp(S/5.66). 這是由于隨著橋區(qū)面積的減小，與基底材料單晶硅的接觸面積也隨之減小，即橋區(qū)熱量散失面積同樣減小，當(dāng)相同的電流激勵作用于橋區(qū)時，面積小的橋區(qū)溫度升溫快，最先到達(dá)藥劑發(fā)火，最大不發(fā)火電流也隨之降低。在試驗(yàn)方案范圍內(nèi)得到最大不發(fā)火電流最大為450.69 mA;與發(fā)火能量相當(dāng)?shù)闹睆?2 μm 橋絲換能元最大不發(fā)火電流為116.64 mA 相比，1號樣品的最大不發(fā)火電流為229.88 mA，提高了97.1%.

圖7 SCB/LTNR 最大不發(fā)火電流與橋區(qū)面積的關(guān)系Fig.7 Function relation between the maximum no-firing current of SCB/LTNR and the bridge area

綜合各方面因素考慮1號SCB 發(fā)火件能夠滿足MEMS 引信及微小型彈藥的首發(fā)元件要求(發(fā)火電壓，發(fā)火能量，安全電流等)。

3 結(jié)論

試驗(yàn)條件選用10 μF 儲能電容，粒徑為1 ～2 μm超細(xì)結(jié)晶LTNR，藥量為8 mg，6 種SCB 和一種低能橋絲式換能元作對比試驗(yàn)，采用D-最優(yōu)化法感度試驗(yàn)進(jìn)行不同電壓、電流激勵下SCB 的發(fā)火試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)SCB/LTNR 發(fā)火件的最小全發(fā)火電壓與薄弱環(huán)節(jié)、V 型的角度、長寬比、橋區(qū)面積及質(zhì)量有關(guān)。試驗(yàn)方案范圍內(nèi)，發(fā)火藥劑及裝藥條件確定的情況下，發(fā)火電壓隨V 型角度或長寬比增加呈先降低后增大趨勢，存在最優(yōu)值:對于6 號SCB，設(shè)置V 型角可使SCB/LTNR 發(fā)火件最小全發(fā)火電壓降低39.1%;對于1號SCB，改變角度可使最小全發(fā)火電壓降低11.1%;夾角40°，長寬比變化時可使最小全發(fā)火電壓降低43.4%。在試驗(yàn)方案范圍內(nèi)得到了最小全發(fā)火電壓為3.83 V，對應(yīng)的最大不發(fā)火電流為229.88 mA，比發(fā)火能量相當(dāng)?shù)闹睆?2 μm 低能橋絲發(fā)火件最大不發(fā)火電流116.64 mA，提高97.1%.

2)通過發(fā)火電特性曲線分析得到:SCB 換能元的橋區(qū)面積或質(zhì)量、激勵電壓決定了臨界發(fā)火狀態(tài)的換能方式和發(fā)火機(jī)理。當(dāng)SCB 換能元的橋區(qū)面積7.65 ×102μm2，質(zhì)量3.55 ×10-6mg 時，臨界發(fā)火屬于電熱發(fā)火;SCB 換能元的橋區(qū)面積5.68 ×102μm2，質(zhì)量2.64 ×10-6mg 時，臨界發(fā)火屬于電爆發(fā)火;1號SCB 換能元在激勵電壓為3.9 V(高于臨界發(fā)火電壓，低于最小全發(fā)火電壓)時，以對流的方式向藥劑傳遞熱量，使藥劑發(fā)火，屬于電爆發(fā)火;激勵電壓為6.2 V(高于最小全發(fā)火電壓)時，高溫高壓的等離子體侵入藥劑，使藥劑反應(yīng)而導(dǎo)電，屬于等離子體發(fā)火。

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