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    壓敏電阻對半導(dǎo)體橋火工品電爆性能的影響

    2015-05-10 00:55:56杜培康
    含能材料 2015年8期
    關(guān)鍵詞:壓敏電阻火工品恒流

    杜培康, 譚 明, 李 勇, 周 彬, 王 軍

    (1. 南京理工大學(xué)化工學(xué)院, 江蘇 南京 210094; 2. 四川華川工業(yè)有限公司, 四川 成都 610106)

    1 引 言

    半導(dǎo)體橋(Semiconductor Bridge,SCB)火工品是指利用半導(dǎo)體膜作發(fā)火元件的一類電火工品,具有體積小、作用快、安全性好、發(fā)火能量低等優(yōu)點(diǎn)。戰(zhàn)場上大功率雷達(dá)、電磁武器的應(yīng)用,對彈藥的電磁環(huán)境安全性的要求越來越高,火工品作為彈藥中最敏感的元件,其電磁環(huán)境適應(yīng)性也越來越受重視?;鸸て吩陔姶怒h(huán)境可能因耦合電磁能量而意外發(fā)火或受浪涌電壓沖擊而造成損傷[1]。研究者在火工品電磁安全性方面作了大量工作,Baginski T A等[2]通過集總參數(shù)建模,理論分析射頻響應(yīng)特性,設(shè)計(jì)并制作了新型的無源濾波裝置,該濾波器能保護(hù)電爆裝置同時(shí)不影響其可靠發(fā)火。Henderson J H[3]設(shè)計(jì)了一種電爆裝置,當(dāng)雜散射頻信號耦合到該電爆裝置中時(shí),產(chǎn)生的射頻電流被低阻抗的電容通道過濾掉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用此換能元結(jié)構(gòu)的火工品對各種類型的射頻干擾鈍感。Ensign-Bickford公司[4]研制了一種新型的SCB火工品結(jié)構(gòu),它對常規(guī)操作中的靜電射頻鈍感,這種新型的SCB火工品對雜散電勢、靜電放電、無線電脈沖波表現(xiàn)出極高的鈍感性。King T L等[5]介紹了兩種技術(shù),一是并聯(lián)齊納二極管來用于SCB火工品的靜電防護(hù),二是在SCB火工品兩端并聯(lián)電容來用于SCB火工品的射頻防護(hù)。陳飛等[6-9]利用NTC(Negative Temperature Coefficient)熱敏電阻的阻值負(fù)溫度系數(shù)特性,將其與SCB火工品并聯(lián),用于保護(hù)火工品免受連續(xù)射頻電磁波的干擾。當(dāng)連續(xù)射頻波耦合進(jìn)入SCB火工品時(shí),陶瓷塞在電熱作用下溫度逐漸升高,NTC熱敏電阻感溫后阻值迅速減小,并聯(lián)電路的性能使得大部分電流流經(jīng)熱敏電阻而非SCB火工品,抑制了SCB火工品上的溫升; 射頻能量過后,熱敏電阻又恢復(fù)了初始的高阻狀態(tài)。周彬等人[10]利用TVS二極管的瞬態(tài)浪涌抑制特性,對SCB火工品腳-殼之間的靜電放電進(jìn)行了保護(hù)。靜電放電試驗(yàn)結(jié)果顯示在靜電加載時(shí),大部分電流從TVS上通過,火工品未發(fā)火。

    壓敏電阻具有瞬時(shí)鉗位電位作用,用于SCB火工品電磁防護(hù)時(shí),理論上能抑制浪涌電壓對火工品造成損傷,可有效提高其在電磁環(huán)境中的安全性,但相關(guān)研究未見公開報(bào)道。將分立元件用于火工品電磁防護(hù)時(shí)原則上不應(yīng)對SCB火工品自身性能產(chǎn)生影響,因此本研究分析了并聯(lián)氧化鋅(ZnO)壓敏電阻前后SCB火工品電爆性能變化情況,為ZnO壓敏電阻進(jìn)一步用于SCB火工品電磁防護(hù)可行性提供實(shí)驗(yàn)支撐。

    2 實(shí)驗(yàn)部分

    2.1 壓敏電阻

    壓敏電阻(Varistor)等效于兩個(gè)串聯(lián)的齊納二極管(Zener Diodes),具有雙向?qū)ǖ奶匦?,可以用來抑制正、反方向的瞬態(tài)脈沖。壓敏電阻的電壓-電流曲線如圖1所示。ZnO壓敏電阻[11]是一種是以ZnO為主體,添加若干其它氧化物改性的新型多功能電子元器件。正常工作電壓下,ZnO壓敏電阻的晶界層呈高電阻狀態(tài); 當(dāng)電路中出現(xiàn)浪涌過電壓時(shí),其晶界層立即轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài),通過ZnO壓敏電阻的電流急驟增大,浪涌過電壓以放電電流的形式被ZnO壓敏電阻所分流,從而起到過電壓的保護(hù)作用; 當(dāng)浪涌過電壓結(jié)束后,ZnO壓敏電阻又很快恢復(fù)為高電阻狀態(tài)。

    圖1壓敏電阻電壓-電流曲線

    Fig.1Voltage-current characteristic curves of varistor

    2.2 實(shí)驗(yàn)樣品

    SCB火工品最重要的元件是起電熱換能作用的SCB芯片,SCB芯片和陶瓷塞封裝如圖2所示,圖2a是重?fù)诫s多晶硅SCB芯片的結(jié)構(gòu)示意圖,橋區(qū)呈“H”型。在硅基片與鋁覆蓋層之間,一般用重?fù)诫s的多晶硅,摻雜濃度約為7×1019個(gè)原子/cm3,電阻約為1.0 Ω,陶瓷封裝,如圖2b所示。

    a. SCB chipb. ceramic plug package structure

    圖2半導(dǎo)體橋芯片和陶瓷塞封裝圖

    Fig.2Schematic diagram of SCB chip and ceramic plug package structure

    SCB芯片并聯(lián)ZnO壓敏電阻后等效電路模型可以用圖3表示。理論上,由于ZnO壓敏電阻的疊層式結(jié)構(gòu),自身電容1000 pF以上,在低頻電磁波輻射時(shí)處于斷路狀態(tài),不影響發(fā)火線路的正常工作。當(dāng)線路中有高頻電磁輻射時(shí),ZnO壓敏電阻以納秒級的時(shí)間響應(yīng),形成低阻抗的通路,分走整個(gè)電路中的感應(yīng)能量,使SCB火工品免受電磁輻射能量的沖擊,起到電磁防護(hù)作用。

    圖3壓敏電阻與SCB芯片并聯(lián)等效電路模型

    Fig.3Equivalent model of varistor in parallel with SCB chip

    本實(shí)驗(yàn)所用樣品采用陶瓷塞封裝,制作過程為: 將SCB芯片用環(huán)氧樹脂粘貼在陶瓷塞上,用硅鋁絲或金絲鍵合,鍵合處采用銀漿覆蓋以保護(hù)鍵合絲,最后在芯片上沾涂斯蒂芬酸鉛(LTNR)。ZnO壓敏電阻裝在陶瓷塞底部,兩極分別用導(dǎo)電膠與兩根腳線相連,與SCB芯片形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)前檢測電阻以保證樣品鍵合完好。

    實(shí)驗(yàn)用樣品選用常規(guī)的典型SCB芯片(Typical SCB,TSCB)與易受電磁影響的低發(fā)火能量SCB芯片(Low firing-required energy SCB, LSCB)[12],TSCB芯片尺寸為100 μm (L)×400 μm (W)×2 μm (T),LSCB芯片尺寸為20 μm (L)×100 μm (W)×2 μm (T)。TSCB芯片常用全爆發(fā)激勵(lì)條件是47 μF22V,LSCB芯片常用全爆發(fā)激勵(lì)條件為22 μF9V,結(jié)合文獻(xiàn)[11]壓敏電阻的選用要符合擊穿電壓在10 V左右,且封裝尺寸能滿足安裝到陶瓷塞底部的要求。

    表1所示為選用的壓敏電阻相關(guān)參數(shù),理論擊穿電壓分別為8 V和12 V。其中TSCB芯片并聯(lián)SFI0603ML080C-LF為樣品T08,并聯(lián)SFI0603ML120C-LF為樣品T12; LSCB芯片并聯(lián)SFI0603ML080C-LF為樣品L08,并聯(lián)SFI0603ML120C-LF為樣品L12。

    表1ZnO壓敏電阻參數(shù)

    Table1Parameters of ZnO varistor

    typesize/mmbreakdownvoltage/Vactualbreakdownvoltage/VSFI0603ML080C-LF1.60(L)×0.80(W)×0.80(T)88.7SFI0603ML0120C-LF1212.2

    2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過程

    (1) 電容放電發(fā)火實(shí)驗(yàn)

    為研究電容放電時(shí)壓敏電阻對回路電流的影響,將貼片壓敏電阻用引線外接于陶瓷塞腳線兩端。實(shí)驗(yàn)線路圖如圖4所示,示波器記錄爆發(fā)過程電壓和電流變化,其中一個(gè)電流探頭探測回路總電流,另一個(gè)探測流過外接壓敏電阻的電流??傠娏鳒p去壓敏電阻分路電流,得到流經(jīng)SCB火工品的電流。放電電容選擇精度高、漏電流小、放電快的鉭電容。

    圖4電容放電原理圖

    Fig.4Diagram of the capacitor discharge principle

    (2) 恒流激勵(lì)發(fā)火實(shí)驗(yàn)

    為研究不同電流值下的發(fā)火特性,采用恒流發(fā)火實(shí)驗(yàn)測量樣品中通過的電流,通過升降法記錄恒流源的不同刺激量下的電流值,以此計(jì)算SCB火工品以及并聯(lián)貼片式壓敏電阻后的SCB火工品的發(fā)火感度,對比研究其感度變化規(guī)律。恒流發(fā)火實(shí)驗(yàn)儀器選用高速恒流起爆電源(ALG-HL-15A),其線路原理圖如圖5所示。為保護(hù)起爆電源,將輸出電壓峰值定在20 V; SCB火工品爆發(fā)時(shí)間一般在幾微秒到幾十毫秒,所以將恒流持續(xù)時(shí)間定為100 ms。

    圖5恒流發(fā)火實(shí)驗(yàn)原理圖

    Fig.5Constant current firing principle diagram

    3 結(jié)果與討論

    3.1 電容放電發(fā)火實(shí)驗(yàn)

    3.1.1 并聯(lián)壓敏電阻前后的TSCB火工品

    在實(shí)驗(yàn)條件47 μF、22 V下,并聯(lián)壓敏電阻前后發(fā)火實(shí)驗(yàn)過程中電壓與電流隨時(shí)間變化曲線及能量變化曲線如圖6所示。對比三種樣品的電流曲線可知,在不同時(shí)間段壓敏電阻中有不同程度的電流流過。圖6a是TSCB火工品爆發(fā)時(shí)的典型圖像。圖6b中的A點(diǎn)和B點(diǎn)之間,由于系統(tǒng)中通過電壓超過ZnO壓敏電阻自身的擊穿電壓,故此時(shí)ZnO壓敏電阻被擊穿,圖中藍(lán)色曲線顯示ZnO壓敏電阻分電路中有電流通過。同理圖6c中A點(diǎn)和B點(diǎn)之間,ZnO壓敏電阻被擊穿,屬于導(dǎo)通狀態(tài),藍(lán)色曲線顯示該分路中有電流通過。

    根據(jù)圖6中的爆發(fā)時(shí)間、爆發(fā)能量,對應(yīng)圖6中的爆發(fā)點(diǎn)即電壓曲線1的最大峰值位置,以對樣品T08、T12的電爆性能參數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn),比較其電爆性能參數(shù)差異。取檢驗(yàn)水平α=0.05則置信區(qū)間為95%,實(shí)驗(yàn)中n1=10,n2=10查表可得臨界值t1-α/2{n1+n2-2=18}=2.101,故拒絕域|t|≥t0.975(18)=2.101,即當(dāng)t檢驗(yàn)結(jié)果大于臨界值時(shí)說明有顯著性差異。具體結(jié)果見表2。

    a. Tb. T08c. T12

    圖6三種SCB火工品的電爆性能曲線

    Fig.6Burst characteristic curves of 3 SCB samples

    表2并聯(lián)壓敏電阻前后TSCB火工品電爆性能t檢驗(yàn)值

    Table2t-test value of TSCB with and without varistors

    sampletTtET080.2051.912T120.1182.000

    Note:tTis thet-test result of time.tEis thet-test result of energy.t1-α/2=2.101.

    分析表2中爆發(fā)時(shí)間、爆發(fā)能量的t檢驗(yàn)的結(jié)果可知,t值均小于t1-α/2,說明并聯(lián)的貼片式壓敏電阻對SCB火工品的電爆性能均無顯著性影響。根據(jù)SCB火工品的爆發(fā)特性曲線(圖6),SCB火工品電壓曲線上第一個(gè)峰對應(yīng)橋區(qū)材料的熔化過程,第二個(gè)峰對應(yīng)氣化產(chǎn)生等離子體; 由圖6和表2可知,相比于流經(jīng)SCB火工品的電流,壓敏電阻在電壓第一個(gè)峰處電流值很小; 從積分能量看,此時(shí)壓敏電阻分走的能量為0.01 mJ,而SCB火工品整個(gè)熔化過程消耗能量1 mJ,相比之下壓敏電阻分走的能量非常小,不影響熔化過程。在電壓第二個(gè)峰起初時(shí)刻壓敏電阻電流開始明顯增大,雖然幅值變化較大,但是此時(shí)SCB火工品已經(jīng)進(jìn)入等離子體產(chǎn)生階段,屬于作用末期,因此不影響SCB火工品爆發(fā)。經(jīng)過t檢驗(yàn)表明并聯(lián)壓敏電阻后,對TSCB火工品爆發(fā)時(shí)間和爆發(fā)力、消耗能量均沒有顯著影響。

    3.1.2 并聯(lián)壓敏電阻前后的LSCB火工品

    為研究貼片壓敏電阻對LSCB火工品電爆性能的影響,對并聯(lián)壓敏電阻前后樣品L、L08、L12進(jìn)行電容發(fā)火實(shí)驗(yàn),放電電容為鉭電容,充電電容22 μF、發(fā)火電壓9 V。所得電爆性能曲線見圖7。

    對樣品L08、L12的電爆性能參數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)。取檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05則置信區(qū)間為95%,實(shí)驗(yàn)中n1=5,n2=5查表可得臨界值t1-α/2{n1+n2-2=8}=2.306),故拒絕域|t|≥t0.975(8)=2.306,當(dāng)t檢驗(yàn)結(jié)果大于臨界值時(shí)說明有顯著性差異。其電爆性能參數(shù)差異見表3。

    a. Lb. L08c. L12

    圖7三種SCB火工品電爆性能曲線

    Fig.7Burst characteristic curves of 3 SCB samples

    表3并聯(lián)壓敏電阻前后LSCB火工品電爆性能t檢驗(yàn)值

    Table3t-test value of low-energy SCB with and without varistors

    sampletTtEL080.8313.99L120.6251.711

    Note:t1-α/2=2.101.

    表3可以看出,樣品L12的t值均小于t1-α/2,說明使用壓敏電阻前后,LSCB火工品的爆發(fā)時(shí)間和爆發(fā)所需能量均無顯著性差異,而對于樣品L08,其爆發(fā)時(shí)間在并聯(lián)壓敏電阻前后無顯著性影響,而爆發(fā)所需能量則有顯著性影響,根據(jù)SCB火工品爆發(fā)特性曲線圖7中,在電壓的最大峰值時(shí)SCB火工品爆發(fā)。在電壓曲線最大峰值處樣品L08、L12中的ZnO壓敏電阻被擊穿,圖中藍(lán)色曲線顯示ZnO壓敏電阻分路中有電流通過,而此時(shí)SCB火工品已經(jīng)進(jìn)入等離子體產(chǎn)生階段,屬于作用末期,因此不影響SCB火工品爆發(fā)。所以ZnO壓敏電阻對LSCB火工品的爆發(fā)時(shí)間沒有顯著性影響。用Origin計(jì)算得到樣品L自身爆發(fā)所需能量0.12 mJ,樣品L08、L12中壓敏電阻分路中分走的能量約0.02 mJ,可見壓敏電阻分路中的能量占火工品爆發(fā)總能量約14%,爆發(fā)所需能量有所提高。由于LSCB火工品本身爆發(fā)所需能量較小,因此壓敏電阻對TSCB火工品不明顯的分流效果在LSCB火工品這里就變得有影響; 但是影響僅局限于爆發(fā)消耗能量,而對爆發(fā)時(shí)間沒有影響,故不影響實(shí)際使用。

    3.2 恒流感度實(shí)驗(yàn)

    3.2.1 并聯(lián)壓敏電阻后的TSCB火工品

    恒流發(fā)火感度實(shí)驗(yàn)采用文獻(xiàn)[13]中升降法,試探估計(jì)樣品T的初始刺激量x0=1.995 A,選擇步長為d=0.01,則y0=lnx0=0.691,進(jìn)行試驗(yàn),經(jīng)過試探估計(jì)樣品T08的初始刺激量x0=2.020 A選擇步長為d=0.01則y0=lnx0=0.703然后進(jìn)行試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)GJB-Z377A-1994感度試驗(yàn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算得出樣品T和T08的0.1%發(fā)火電流和99.9%發(fā)火電流,結(jié)果見表4。

    表4樣品T和T08的0.1%和99.9%發(fā)火電流值

    Table4Firing current of samples D and T08

    sampleμ/AσI0.1%/AI99.9%/AT1.9940.013691.9532.035T082.0040.013111.9652.043

    Note:μis the 50% firing current.σis the standard deviation.I0.1%is the 0.1% firing current.I99.9%is the 99.9% firing current.

    由表4可知,樣品T的0.1%發(fā)火電流為1.935 A、99.9%的發(fā)火電流為2.035 A,樣品T08的0.1%發(fā)火電流為1.965 A、99.9%的發(fā)火電流為2.043 A; 置信區(qū)間取(1±5)%,可得樣品T的置信0.1%發(fā)火電流范圍為1.838~2.032 A,99.9%發(fā)火電流范圍為1.933~2.136 A,對比分析可得出,樣品T08的0.1%的發(fā)火電流、99.9%的發(fā)火電流均在置信區(qū)間內(nèi),并聯(lián)壓敏電阻后對于TSCB火工品的恒流發(fā)火感度沒有影響。因?yàn)閴好綦娮鑼懔髟词菙嗦?,在恒流下壓敏電阻處于不?dǎo)通狀態(tài),分路中沒有電流通過,對SCB火工品的電爆性能沒有影響,即并聯(lián)壓敏電阻對于TSCB火工品的恒流發(fā)火感度沒有影響。

    3.2.2 并聯(lián)壓敏電阻后的LSCB火工品

    經(jīng)過試探估計(jì)樣品L、L08的初始刺激量x0=1.100 A選擇步長為d=0.035則y0=lnx0=0.0953然后進(jìn)行試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)《GJB-Z 377A-1994感度試驗(yàn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法》中的計(jì)算得樣品L、L08的0.1%發(fā)火電流和99.9%發(fā)火電流,結(jié)果如表5。

    由表5可知,置信區(qū)間取(1±5)%,樣品L的置信0.1%發(fā)火電流范圍為0.897~0.991 A,99.9%發(fā)火電流范圍為1.085~1.20 A,樣品L08的0.1%的發(fā)火電流、99.9%的發(fā)火電流均在置信區(qū)間內(nèi),故并聯(lián)壓敏電阻后對于LSCB火工品的恒流發(fā)火感度沒有影響。因?yàn)樵诤懔飨聣好綦娮杼幱诓粚?dǎo)通狀態(tài),分路中沒有電流通過,所以并聯(lián)壓敏電阻對于TSCB火工品的恒流發(fā)火感度沒有影響。

    表5樣品L和樣品L08的0.1%和99.9%發(fā)火電流值

    Table5Firing current of sample L and L08

    sampleμ/AσI0.1%/AI99.9%/AL1.0430.03290.9441.142L081.0280.04240.9011.155

    4 結(jié) 論

    在電容放電條件下研究了并聯(lián)壓敏前后半導(dǎo)體橋爆發(fā)性能的變化情況,以及恒流激勵(lì)條件下,測試了并聯(lián)壓敏電阻前后半導(dǎo)體火工品發(fā)火感度,結(jié)論如下:

    (1)在電容放電發(fā)火條件下,SCB火工品并聯(lián)ZnO壓敏電阻對TSCB火工品的電爆性能沒有顯著影響。

    (2)在電容放電發(fā)火條件下,并聯(lián)SFI0603ML120C-LF型號壓敏電阻的樣品L12,壓敏電阻不影響LSCB火工品的爆發(fā)時(shí)間和爆發(fā)能量; 而并聯(lián)SFI0603ML080C-LF壓敏電阻的樣品L08,其爆發(fā)所需能量用t檢驗(yàn)法檢驗(yàn)表明有顯著性變化,爆發(fā)時(shí)間無顯著性變化。

    (3)在恒流激勵(lì)源下,壓敏電阻為斷路處于不導(dǎo)通狀態(tài),分路中沒有電流通過,對SCB火工品的電爆性能無影響,用t檢驗(yàn)法檢驗(yàn)表明并聯(lián)壓敏電阻對TSCB火工品和LSCB火工品的恒流發(fā)火感度沒有影響。

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