TVS二極管用于半導(dǎo)體橋靜電安全性研究?

左成林 周 彬 杜偉強(qiáng)

南京理工大學(xué)化工學(xué)院（江蘇南京，210094）

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TVS二極管用于半導(dǎo)體橋靜電安全性研究?

左成林 周 彬 杜偉強(qiáng)

南京理工大學(xué)化工學(xué)院（江蘇南京，210094）

［摘 要］為了加強(qiáng)半導(dǎo)體橋（SCB）的靜電安全性，利用TVS二極管抗浪涌特性，分別對(duì)經(jīng)TVS二極管加固前、后的SCB進(jìn)行靜電安全性研究。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：并聯(lián)TVS二極管后，SCB的發(fā)火時(shí)間無(wú)顯著性變化；在500 pF、不串電阻條件下，SCB在6 kV條件下均未發(fā)火，在8 kV條件下均發(fā)火；在500 pF、不串電阻條件下，TVS二極管加固后的SCB在9 kV條件下均未發(fā)火，在13 kV條件下均發(fā)火；9 kV靜電作用后，TVS加固后SCB的發(fā)火時(shí)間無(wú)顯著性變化。因此，TVS二極管既能不影響SCB的正常發(fā)火性能，又能有效提高SCB的靜電安全性。

［關(guān)鍵詞］半導(dǎo)體橋；TVS二極管；靜電安全性

［分類(lèi)號(hào)］ TJ450

引言

半導(dǎo)體橋（SCB）［1-2］是利用微電子技術(shù)發(fā)展起來(lái)的新型電火工品，具有作用迅速、體積小、發(fā)火能量低、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，且具有一定的抗靜電能力［3］。但是近年來(lái)，電火工品的靜電安全性問(wèn)題日益突出，半導(dǎo)體橋的靜電安全性有必要得到進(jìn)一步提高。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)電火工品的靜電安全性進(jìn)行了多年的研究，提出了采用靜電泄放通道［4］、增加絕緣環(huán)［5］、集成齊納二極管［6］、并聯(lián)壓敏電阻和TVS二極管等方法［7-8］。任鋼［9］利用TVS二極管對(duì)半導(dǎo)體橋進(jìn)行了電磁加固，在美軍標(biāo)和國(guó)軍標(biāo)靜電條件下進(jìn)行了靜電安全性研究，TVS二極管體現(xiàn)出了優(yōu)良的電磁防護(hù)能力。但是，在不串電阻更為嚴(yán)酷的靜電條件下，TVS二極管的安全性目前尚未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。

本文采用TVS二極管進(jìn)行靜電加固（ESD），在500 pF電容、不串電阻條件下，采用TVS二極管對(duì)半導(dǎo)體橋火工品進(jìn)行靜電加固，對(duì)SCB的靜電安全性進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)樣品

選取SMBJ10CA型號(hào)的TVS二極管用于SCB靜電防護(hù)，該器件為貼片式結(jié)構(gòu)，尺寸為2 mm×2 mm×0. 3 mm，峰值功率為600 W，漏電流小于5 μA，擊穿電壓11 V左右，外觀如圖1所示。具有響應(yīng)快（納秒級(jí)）、體積小、承載能力強(qiáng)等優(yōu)良特性。本文利用TVS二極管的這些特性對(duì)SCB進(jìn)行靜電安全性試驗(yàn)。將TVS二極管與SCB通過(guò)導(dǎo)線連接，當(dāng)靜電電壓高于器件的擊穿電壓時(shí)，TVS二極管會(huì)瞬間響應(yīng)，由高阻值斷路狀態(tài)轉(zhuǎn)為低阻值靜電泄放通道，瞬間分走大量靜電能力，對(duì)SCB起到很好的防護(hù)作用。典型半導(dǎo)體橋尺寸為100 μm×400 μm×2 μm，電阻約為1. 0 Ω，全發(fā)火能量約為5 mJ。將斯蒂芬酸鉛（LTNR）涂覆在半導(dǎo)體橋芯片上，制成SCB火工品樣品。將TVS二極管通過(guò)導(dǎo)線外接在SCB腳線端，如圖2所示。

2 試驗(yàn)原理及裝置

試驗(yàn)在500 pF、不串電阻條件下進(jìn)行，靜電放電對(duì)SCB的作用過(guò)程可以看成簡(jiǎn)單的R-C電路，試驗(yàn)原理如圖3所示。圖3中C為儲(chǔ)能電容，設(shè)定充電電壓，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)向a時(shí)進(jìn)行充電，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)向b時(shí)對(duì)SCB進(jìn)行放電。

試驗(yàn)所選用的儀器為JGY-50Ⅲ靜電感度測(cè)試儀、儲(chǔ)能電容、防爆箱等。所用藥劑為L(zhǎng)TNR，采用腳腳靜電加載方式。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3. 1 靜電試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)未防護(hù)的典型SCB在不同靜電電壓下進(jìn)行試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 500 pF下典型SCB靜電試驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 500 pF electrostatic test results of typical SCB

試驗(yàn)結(jié)果表明，在500 pF、不串電阻條件下，SCB火工品在6 kV條件下均未發(fā)火，在7 kV條件下有4發(fā)發(fā)火，在8 kV條件下全部發(fā)火?？梢园l(fā)現(xiàn)，SCB本身具有一定的抗靜電能力，臨界不發(fā)火電壓為6 kV，全發(fā)火電壓為8 kV。

為了提高SCB靜電安全性，通過(guò)TVS二極管進(jìn)行加固，所得試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2試驗(yàn)結(jié)果表明，在500 pF、不串電阻條件下，TVS加固后SCB分別在7、8、9 kV下8發(fā)樣品均未發(fā)火，分別在10、11、12 kV下3發(fā)樣品均有1發(fā)樣品發(fā)火，在13 kV下3發(fā)樣品均發(fā)火。對(duì)比表1數(shù)據(jù)，在500 pF、不串電阻條件下，TVS二極管將SCB火工品不發(fā)火電壓由6kV提高到9 kV，不發(fā)火靜電能量由9. 00 mJ提高到20. 25 mJ，全發(fā)火電壓由8 kV提高到13 kV，全發(fā)火靜電能量由16. 00 mJ提高到42. 25 mJ，顯著提高了SCB的抗靜電能力。

表2 500 pF下TVS防護(hù)后的典型SCB靜電試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 500 pF electrostatic test results of typical SCB with TVS diodes

TVS二極管具有瞬態(tài)抑制特性，具有優(yōu)良的電壓鉗制功能，利用此特性對(duì)SCB進(jìn)行靜電防護(hù)。當(dāng)SCB火工品受到靜電脈沖時(shí)，TVS二極管瞬間響應(yīng)，由高阻值斷路狀態(tài)轉(zhuǎn)為毫歐級(jí)低阻值靜電泄放通道，泄放大量靜電能量，有效地保護(hù)SCB火工品。在不串電阻條件下，靜電電壓和靜電能量相比于國(guó)軍標(biāo)和美軍標(biāo)條件下要高出許多，TVS的靜電防護(hù)能力會(huì)受到一定限制。

3. 2 靜電對(duì)SCB電爆性能的影響

在對(duì)SCB火工品進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到防護(hù)措施對(duì)SCB發(fā)火性能無(wú)影響，因此，需要對(duì)防護(hù)后的電爆性能進(jìn)行測(cè)試。SCB火工品經(jīng)過(guò)靜電作用后的性能是否發(fā)生改變也是考核靜電防護(hù)措施是否有效的方法，因此，也需要對(duì)靜電作用后的SCB火工品的電爆性能進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)儀器：高速恒流起爆電源，高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器。試驗(yàn)條件：電流5 A，脈沖持續(xù)時(shí)間10 ms。將獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到3種樣品的爆發(fā)時(shí)間，結(jié)果如表3所示。

表3 恒流發(fā)火試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Ignition results under constant conditions

將3種火工品恒流發(fā)火時(shí)間進(jìn)行t檢驗(yàn)，比較3種火工品的發(fā)火時(shí)間是否具有顯著性差異，所得結(jié)果見(jiàn)表4。水平α＝0. 05，樣本量n1＝5、n2＝5，查t檢驗(yàn)分布表可得t1-α/2｛n1+ n2-2＝8｝＝2. 306。

綜合表3和表4結(jié)果，并聯(lián)TVS二極管后，SCB火工品的發(fā)火時(shí)間均值略有增大，t檢驗(yàn)結(jié)果無(wú)顯著影響；對(duì)比靜電加固前、后并聯(lián)TVS的SCB火工品的發(fā)火時(shí)間、t檢驗(yàn)結(jié)果無(wú)顯著性影響。TVS二極管在擊穿前處于高阻值斷路狀態(tài)，與SCB并聯(lián)不會(huì)影響其正常發(fā)火性能；TVS加固的SCB在經(jīng)受9 kV靜電作用后均未發(fā)火，其發(fā)火時(shí)間無(wú)顯著性變化。

表4 發(fā)火時(shí)間的t檢驗(yàn)結(jié)果Tab. 4 t-test results of ignition time

4 結(jié)論

本文利用TVS二極管的抗浪涌特性對(duì)SCB火工品進(jìn)行靜電加固，在500 pF、不串電阻靜電條件下研究其加固效果，得到以下結(jié)論：

1）5 A恒流發(fā)火試驗(yàn)結(jié)果表明，并聯(lián)TVS二極管對(duì)SCB的發(fā)火時(shí)間無(wú)顯著性影響。

2）500 pF、不串電阻條件下，SCB火工品臨界不發(fā)火電壓為6 kV，不發(fā)火靜電能量為9 mJ；全發(fā)火電壓為8 kV，全發(fā)火靜電能量為16 mJ，表明SCB自身具有一定的抗靜電能力。

3）500 pF、不串電阻條件下，TVS二極管將SCB火工品不發(fā)火電壓由6 kV提高到9 kV，不發(fā)火靜電能量由9. 00 mJ提高到20. 25 mJ；全發(fā)火電壓由8kV提高到13 kV，全發(fā)火靜電能量由16. 00 mJ提高到42. 25 mJ，顯著提高了SCB的抗靜電能力。

4）對(duì)9 kV靜電防護(hù)后的SCB進(jìn)行5 A恒流發(fā)火試驗(yàn)，發(fā)火時(shí)間無(wú)顯著性變化。

因此，TVS作為SCB火工品靜電加固的一種方式，能夠顯著提高SCB靜電安全性。

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Electrostatic Safety of Semiconductor Bridge with External TVS Diodes

ZUO Chenglin，ZHOU Bin，DU Weiqiang

School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology（Jiangsu Nanjing，210094）

［ABSTRACT］ In order enhance electrostatic safety of the semiconductor bridge（SCB），two kinds of SCB，including SCB and SCB with external TVS diodes，were tested in the electrostatic discharge experiment because of the surge handling capability of TVS diodes. The results show that the ignition time of SCB paralleling TVS diodes has no significant changes. On the conditions of 500 pF without series resistance，SCB does not fine at 6 kV and full fine at 8 kV，while SCB paralleling TVS diodes does not fine at 9 kV and full fine at 13 kV. Ignition time of SCB with TVS diodes has no significant changes after 9 kV electrostatic discharge experiment. It’s concluded that TVS diodes have no influence on normal ignition performance of SCB，and can improve the electrostatic safety of SCB effectively.

［KEY WORDS］ semiconductor bridges；TVS diodes；electrostatic safety

doi：10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 03. 013

收稿日期：?2015-09-25

作者簡(jiǎn)介：左成林（1989 -），男，碩士研究生，主要從事半導(dǎo)體橋點(diǎn)火研究。E-mail：zuochenglin86@ sina. com

通信作者：周彬（1971 -），女，博士，副研究員，主要從事半導(dǎo)體橋火工品研究。E-mail：zhoubin8266@ sina. com