Al/CuO復(fù)合半導(dǎo)體橋靜電安全性研究

王　榴，劉　虎，周　彬，李　勇

（1. 南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094；2. 安徽紅星機電科技股份有限公司，安徽 合肥，231135）

Al/CuO復(fù)合半導(dǎo)體橋靜電安全性研究

王榴1，劉虎2，周彬1，李勇1

（1. 南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094；2. 安徽紅星機電科技股份有限公司，安徽 合肥，231135）

為了研究Al/CuO復(fù)合半導(dǎo)體橋（簡稱Al/CuO-SCB）的靜電安全性，分別對不同橋型的Al/CuO-SCB進(jìn)行靜電放電實驗及研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在500pF、5k?、25kV靜電放電條件下，不同橋型的Al/CuO-SCB均未發(fā)火；小尺寸的Al/CuO-SCB在相同靜電作用下橋膜容易受到損傷，并且經(jīng)過靜電放電后的Al/CuO-SCB的爆發(fā)時間和爆發(fā)所需能量均沒有發(fā)生顯著性差異。比較Al/CuO-SCB和未加Al/CuO含能薄膜層的半導(dǎo)體橋靜電實驗結(jié)果，得出Al/CuO含能薄膜層沒有影響半導(dǎo)體橋的靜電安全性。

半導(dǎo)體橋；Al/CuO納米復(fù)合薄膜；靜電安全；電爆參數(shù)

在電火工品生產(chǎn)、運輸和使用過程中，往往會遇到靜電、感應(yīng)電流及雜散電流等電能量，從而造成電火工品發(fā)火或可靠性降低等危害。因此，國內(nèi)外學(xué)者對電火工品靜電安全性展開了一系列研究，提出了集成齊納二極管［1］、并聯(lián)電容［2］或者并聯(lián)TVS二極管［3］等防靜電方法，同時也探究了半導(dǎo)體橋（SCB）火工品腳-腳間靜電放電作用規(guī)律［4］。

復(fù)合半導(dǎo)體橋火工品是一類改進(jìn)了的半導(dǎo)體橋火工品，其發(fā)火元件由半導(dǎo)體橋材料和可反應(yīng)材料構(gòu)成，通過可反應(yīng)材料之間的化學(xué)或物理反應(yīng)所釋放的能量達(dá)到點火起爆的目的。它不僅具有臨界發(fā)火能量低、安全性好、作用迅速等優(yōu)點，而且具有更高的溫度和輸出能量。目前，朱朋等人研究了Al/Ni復(fù)合半導(dǎo)體橋［5］和Al/CuO復(fù)合半導(dǎo)體橋［6］的電爆性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩種復(fù)合半導(dǎo)體橋均提高了輸出能量，增大了半導(dǎo)體橋點火可靠性。但是，有關(guān)復(fù)合半導(dǎo)體橋靜電安全性的研究尚未見公開報道。

本文通過靜電放電實驗研究了Al/CuO復(fù)合半導(dǎo)體橋（簡稱Al/CuO-SCB）的靜電安全性，旨在為半導(dǎo)體橋技術(shù)的改進(jìn)提供參考。

1　實驗樣品

Al/CuO-SCB的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中橋區(qū)由夾在SiO2層與電極區(qū)域之間的重?fù)诫s多晶硅構(gòu)成，摻雜元素為磷，摻雜原子濃度約7×1019個/cm3。

圖1　Al/CuO-SCB的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　The structure of Al/CuO-SCB chip

為了保證含能薄膜層不影響多晶硅層的電性能，在多晶硅層與部分電極上沉積一層絕緣層SiO2，隔斷含能薄膜層與橋區(qū)的直接電接觸，同時為使Al/CuO膜能較好地附著在SiO2層上，在SiO2層和Al/CuO膜之間沉積了一層附著性較好的Ti。另外，含能橋膜層由Al和CuO膜依次疊加組成，每層Al和CuO橋膜的尺寸為800μm（長）×1 400μm （寬），Al層單層厚度為100μm，CuO層單層厚度為200μm，Al和CuO膜各8層，含能薄膜總厚2.4mm。橋區(qū)的形狀示意圖如圖2所示，分別有矩形和V形尖角兩種。橋區(qū)的尺寸由左往右依次為：24μm（長）×100μm（寬）× 2μm（厚）、60μm（長） ×250μm （寬）×2μm （厚）、100μm（長）×350μm（寬）× 2μm（厚）、100μm（長） ×380μm（寬）× 2μm （厚）。對應(yīng)橋型代號分別是S、M、Lr、Lv。

Al/CuO-SCB的封裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。將Al/CuO-SCB用環(huán)氧樹脂膠粘接在陶瓷塞凹槽內(nèi)，再用鍵合硅鋁絲使點火芯片與陶瓷塞腳線導(dǎo)電連接，并用導(dǎo)電膠保護(hù)鍵合絲。

圖2　橋區(qū)的形狀示意圖Fig.2　The shape of Al/CuO-SCB bridge

圖3　Al/CuO-SCB的封裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　The package structure of Al/CuO-SCB

2　ESD實驗原理及裝置

在火工品靜電安全性研究中，通常選用人體帶電模型進(jìn)行ESD實驗設(shè)計，如GJB 5309.14-2004∶ ESD試驗［7］。靜電放電（Electrostatic Discharge，簡稱ESD）對Al/CuO-SCB的作用可等效成一個簡單的R-C電路，實驗原理見圖4。圖4中C為儲能電容，當(dāng)開關(guān)與a接觸時，電容器C充電，充電到設(shè)定電壓時，將開關(guān)撥至與b接觸，電容器C向火工品腳-腳間放電。

圖4　ESD實驗原理圖Fig.4　Schematic of ESD test

實驗中使用的儀器主要有：陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所生產(chǎn)的JGY-50Ⅲ靜電感度測試儀；儲能鉭電容C；放電電阻R；防爆箱等。實驗條件：放電電容500pF、串聯(lián)電阻5k?、靜電電壓25kV；藥劑為斯蒂芬酸鉛（LTNR）；靜電加載方式：腳-腳ESD；實驗環(huán)境：溫度15～30℃，濕度不大于65%。

3　ESD實驗結(jié)果與分析

3.1ESD實驗結(jié)果

實驗樣品選用不同橋型的Al/CuO-SCB，每組3個試樣。各橋型的Al/CuO-SCB ESD實驗結(jié)果見表1。

表1　Al/CuO-SCB ESD實驗結(jié)果Tab.1　ESD test results of Al/CuO-SCB

根據(jù)表1可以看出，由于Al/CuO-SCB具有較好的靜電防護(hù)能力，在放電電容500pF、串聯(lián)電阻5k?、靜電電壓25kV條件作用下，4種橋型的Al/CuO-SCB均未發(fā)火。

3.2ESD 對Al/CuO-SCB電阻的影響

對ESD前和ESD后的Al/CuO-SCB的電阻均值進(jìn)行t檢驗（α=0.05），比較其電阻是否有顯著性差異，檢驗結(jié)果見表2。

表2　Al/CuO-SCB ESD前后電阻t檢驗結(jié)果Tab.2　t-test results of the resistance of Al/CuO-SCB before and after ESD

由表2可以看出，M、 Lr 、Lv型Al/CuO-SCB ESD后電阻沒有發(fā)生顯著性差異，S型Al/CuO-SCB ESD后電阻發(fā)生了顯著性差異。通過光學(xué)顯微鏡觀察ESD前后Al/CuO-SCB的橋區(qū)，如圖5所示。對比ESD前后Al/CuO-SCB橋區(qū)外觀圖可以發(fā)現(xiàn)， M、Lr 、Lv型Al/CuO-SCB的橋區(qū)沒有損傷，靜電僅對S型Al/CuO-SCB橋區(qū)造成了損傷，部分橋膜已經(jīng)熔化。

熔化熱和汽化熱計算公式如下所示：

Q1＝Cp× m ×（tmelt－t0）＋△Hmelt×n （1）

Q2＝Q1＋Cp× m ×（tvap－tmelt）＋△Hvap×n（2）

式（1）～（2）中：Q1是Al/CuO-SCB的熔化熱；Q2是Al/CuO-SCB的汽化熱；m是Al/CuO-SCB橋區(qū)的質(zhì)量；n是Al/CuO-SCB橋區(qū)物質(zhì)的量，t0＝298K。查表知多晶硅的熱力學(xué)數(shù)據(jù)［8］：Cp＝700 J/（kg·K），△Hmelt＝50.55 kJ/mol，△Hvap＝384.22 kJ/mol，tmelt＝1 687 K，tvap＝2 628 K，ρsi＝2.328 g/cm3。Al/CuO-SCB的熔化熱與汽化熱理論計算結(jié)果如表3所示。根據(jù)文獻(xiàn)［9］可知，500pF、5k?、25kV條件下加載在Al/CuO -SCB腳-腳兩端的電能為：

式（3）中：R是Al/CuO-SCB的電阻，Ro＝5k?，C＝500pF，U＝25kV。計算得E＝0.031 mJ。由表3可知，該靜電能量達(dá)到了S型Al/CuO-SCB的理論熔化熱，從而導(dǎo)致S型Al/CuO-SCB ESD后電阻發(fā)生了顯著性差異。由此可推知，小尺寸的Al/CuO-SCB在相同靜電作用下橋膜容易受到損傷。

圖5　ESD前后Al/CuO-SCB顯微外觀圖Fig.5　Microscopic appearance of Al/CuO-SCB before and after ESD

表3　Al/CuO-SCB熔化熱與汽化熱理論計算結(jié)果Tab.3　Theoretical results of melting heat and vaporization heat of Al/CuO-SCB

已知Lv型未加Al/CuO含能薄膜層的SCB在500pF、5k?、25kV條件下不發(fā)火，ESD前后橋膜外觀沒有變化，阻值也沒有顯著改變［10］。將其與Lv型Al/CuO-SCB的靜電實驗結(jié)果進(jìn)行比較，可以得出兩者的靜電實驗結(jié)果一致，說明Al/CuO含能薄膜層沒有影響SCB的靜電安全性。

3.3ESD對Al/CuO-SCB電爆性能的影響

為研究500pF、5k?、25kV條件下ESD對Al/CuO-SCB電爆性能的影響，將經(jīng)過ESD后的Al/CuO-SCB進(jìn)行電容放電發(fā)火實驗，實驗條件：47μF、22V。將所得數(shù)據(jù)通過origin分析處理，得到樣品的爆發(fā)時間及爆發(fā)所需能量，其結(jié)果見表4。

表4　Al/CuO-SCB電爆特性參數(shù)Tab.4　Electro-exploding parameters of Al/CuO-SCB

對未經(jīng)過ESD 的Al/CuO-SCB和經(jīng)過ESD的Al/CuO-SCB的電爆特性參數(shù)進(jìn)行t檢驗，比較其電爆特性參數(shù)是否有顯著性差異（取α=0.05，因n1=3，n2=3，查表可得t1-α/2｛n1+n2-2=4｝=2.78），檢驗結(jié)果見表5。

表5　Al/CuO-SCB ESD后電爆特性參數(shù)t檢驗結(jié)果Tab.5　t-test results of the electro-exploding parameters of Al/CuO-SCB after ESD

由表5可以看出：S、M、Lr、Lv 型Al/CuO -SCB在ESD后橋區(qū)爆發(fā)時間t及爆發(fā)所需能量E均未發(fā)生顯著性變化。說明500pF、5k?、25kV條件下ESD對Al/CuO-SCB電爆性能沒有明顯影響。觀察表4可以看出與未經(jīng)ESD的 Al/CuO-SCB相比較，經(jīng)過ESD的S型Al/CuO-SCB橋區(qū)爆發(fā)時間和爆發(fā)所需能量都有減小。結(jié)合表2和圖5，在500pF、5k?、25kV條件作用下僅有S型Al/CuO-SCB橋區(qū)發(fā)生了損傷，并且電阻顯著性減小，當(dāng)電流再次通過橋區(qū)時，容易在橋區(qū)損傷部位積累熱量，因此經(jīng)過ESD的S型Al/CuO-SCB爆發(fā)時間和爆發(fā)所需能量減小。

4　結(jié)論

本文在500pF、5k?、25kV的靜電實驗條件下，對Al/CuO-SCB進(jìn)行ESD實驗，得出如下結(jié)論：（1）靜電放電條件下，4種不同橋型的Al/CuO -SCB均未發(fā)火。（2）采用t檢驗法檢驗ESD前后Al/CuO-SCB的電阻，結(jié)果表明僅有S型Al/CuO-SCB ESD后電阻發(fā)生顯著性差異。通過顯微鏡對比觀察ESD前后的Al/CuO-SCB，發(fā)現(xiàn)S型 Al/CuO-SCB部分橋膜發(fā)生熔化。因此，小尺寸的Al/CuO-SCB在相同靜電作用下橋膜容易受到損傷。（3）通過比較Lv 型Al/ CuOSCB和Lv型未加Al/CuO含能薄膜層的SCB的靜電實驗結(jié)果，得出Al/CuO含能薄膜層沒有影響SCB的靜電安全性。（4）測試未經(jīng)過靜電放電的Al/CuO-SCB和經(jīng)過靜電放電的Al/CuO-SCB的電爆特性參數(shù)，t檢驗結(jié)果表明經(jīng)過靜電放電后的Al/CuO -SCB的爆發(fā)時間和爆發(fā)所需能量均沒有發(fā)生顯著性差異。因此，Al/CuO-SCB作為一類改進(jìn)了的SCB，仍然具有較好的抗靜電能力，其橋區(qū)上集成的含能薄膜層沒有影響SCB的靜電安全性。

［1］ Novotney D B， Welch B M， Evick D W. Semiconductor bridge development foe enhanced ESD and RF immunity ［R］. AIAA99-2417，1999.

［2］ King T L， William T W. Pin-to-pin electrostatic discharge protection for semiconductor bridges［R］.SAND2002-2213， 2002.

［3］ 周彬，王林獅，秦志春.一種半導(dǎo)體橋火工品抗靜電技術(shù)［J］.火工品，2010（2）∶5-7.

［4］ 陳飛，周彬，秦志春，等.靜電放電對SCB起爆裝置作用的數(shù)值模擬及實驗研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報，2012，36（5）∶824 -829.

［5］ Peng Zhu， Dongle Li， Shuai Fu， et al. Improving reliability of SCB initiators based on Al/Ni multilayernanofilms［J］. Eur. Phys.J.Appl.Phys，2013，63（1）∶10 401-10 401-8.

［6］ Peng Zhu， Ruiqi Shen， Yinghua Ye， Shuai Fu， and Dongle Li. Characterization of Al/CuO nanoenergetic multilayer films integrated with semiconductor bridge for initiator applications［J］. Appl. Phys，2013，113（18）∶184 505-184 505-5.

［7］ GJB 5309.14-2004∶靜電放電試驗［S］.北京∶國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會， 2004.

［8］ 鄧志杰，鄭安生.半導(dǎo)體材料［M］.北京∶化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［9］ 葉迎華.火工品技術(shù)［M］.北京∶北京理工大學(xué)出版社，2007.

［10］ 陳飛.SCB火工品靜電、射頻損傷機理及其加固技術(shù)的研究［D］.南京∶南京理工大學(xué)，2012.

Research on the Electrostatic Safety of Energetic Semiconductor Bridge Integrated with Al/CuO Nanoenergetic Multilayer Films

WANG Liu1，LIU Hu2，ZHOU Bin1，LI Yong1

（1.School of Chemical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing， 210094；2.Anhui Hongxing Mechanical and Electrical Technology Company， Hefei， 231135）

In order to research the electrostatic safety of energetic semiconductor bridge integrated with Al/CuO nano-energetic multilayer films（abbreviation∶ Al/CuO-SCB）， different kinds of Al/CuO-SCB were tested in the electrostatic discharge（ESD） experiment. The tests show that all kinds of Al/CuO-SCB didn't fire under the condition of 500pF， 5k? and 25kV，the Al/CuO-SCB with small size was damaged easily by ESD， as well as the function time and the energy required of the Al/CuO-SCB didn't have significant differences after ESD test. It could infer that Al/CuO nanoenergetic multilayer films（Al/CuO-nEMFs） have no influence on the electrostatic safety of Al/CuO-SCB， by comparison with the experiment results of Al/CuO-SCB and semiconductor bridge without Al/CuO-nEMFs.

Semiconductor bridge；Al/CuO nanoenergetic multilayer films；Electrostatic safety；Electro-exploding parameters

TJ450.1

A

1003-1480（2015）01-0006-04

2014-10-22

王榴（1989-），女，在讀碩士研究生，主要從事半導(dǎo)體橋點火研究。