小尺寸SCB裸橋與涂LTNR時的電爆發(fā)火特性

樊志偉，嚴 楠，賀 翔，張 良，李朝振，張 威，李 宋

(1.北京理工大學爆炸科學重點試驗室， 北京 100081；2.北京大學微米/納米加工技術國家級重點實驗室， 北京 100871)

半導體橋(semiconductor bridge，SCB)具有低發(fā)火能量、高安全性、高可靠性、瞬發(fā)度高以及能與數(shù)字邏輯電路組合等優(yōu)點[1]，大量用于數(shù)字化或智能化武器、衛(wèi)星姿態(tài)控制、彈藥彈道修正、民用安全氣囊和爆破工程等[2]，成為微型點火和傳爆序列芯片研究和應用領域的熱點。Benson D A等[3]研究了SCB從熔化汽化到電爆產(chǎn)生等離子體的過程，將電爆之后的等離子體加熱過程定義為后期放電(late time discharge，LTD)過程；Lee K等[4]研究了SCB產(chǎn)生等離子體時兩端電壓隨時間的變化情況并發(fā)現(xiàn)有兩個電壓峰，其中第一個峰值對應于SCB汽化前的硅橋加熱，第二個峰值對應于SCB等離子體的產(chǎn)生；J Kim等[5]的研究表明，如果SCB的電極發(fā)生燒蝕，電極及下面的摻雜硅層都會參與電爆；王文等[6-9]研究了SCB芯片發(fā)火過程中的電壓、電流、電阻及發(fā)火能量變化特性，測量了SCB等離子體的溫度等。以上文獻都是基于大尺寸SCB進行的研究，針對小尺寸SCB的電爆發(fā)火能量及時間特性的研究比較少，為了研究在電容放電條件下LTNR涂藥及電容充電電壓對小尺寸SCB電爆發(fā)火特性的影響規(guī)律，本文主要對小尺寸SCB裸橋和涂有斯蒂芬酸鉛(LTNR)藥劑的小尺寸SCB的不同發(fā)火能量和相關時間特性進行了試驗研究。

1 試驗過程

為了研究在電容放電條件下LTNR涂藥及電容充電電壓對小尺寸SCB電爆發(fā)火特性的影響規(guī)律，設計裸橋與涂藥SCB在相同規(guī)格電容放電條件下進行電爆發(fā)火試驗。

試驗使用22 μF鉭電容對涂藥SCB發(fā)火芯片進行發(fā)火感度試驗，感度實驗方法為Neyer-D最優(yōu)化法，樣本量為20發(fā)，得到涂藥SCB發(fā)火芯片50%發(fā)火電壓為4.49 V，99.9%發(fā)火電壓為5.9 V，因此采用8 V、12 V、16 V、20 V和24 V作為22 μF電容放電條件下SCB發(fā)火芯片電爆發(fā)火試驗的充電電壓，每個電壓打6發(fā)樣品，3發(fā)是裸橋，3發(fā)是涂藥之后的SCB芯片，利用是德 DSOX4104A數(shù)字示波器監(jiān)測記錄發(fā)火過程的電信號。

1.1 試驗樣品情況

試驗采用的是“雙V形”結構的單晶硅SCB，摻雜元素為磷，摻雜濃度為4×1019cm-3，其結構示意圖及顯微圖像如圖1，此規(guī)格單晶硅SCB橋長L為20 μm，橋寬W為50 μm，橋區(qū)厚度H為4 μm，“V形角”角度為60°，用回流焊將單晶硅SCB的封裝結構通過回流焊焊接在PCB板上，SCB發(fā)火芯片的整體圖像如圖2(a)所示，所有試驗樣品的平均電阻為4.59 Ω，標準差為0.37 Ω。

涂藥SCB發(fā)火芯片所采用的涂藥為粒度70 μm的斯蒂芬酸鉛(LTNR)，涂藥量約為2 mg，涂藥前后的SCB發(fā)火芯片實物如圖2所示。

圖1 磷摻雜單晶硅SCB的結構示意圖及實物顯微圖像

圖2 涂藥前后的SCB芯片實物圖像

1.2 試驗裝置及原理

試驗發(fā)火裝置由儲能放電儀、電容、數(shù)字示波器及配套的電流、電壓光電探頭組成，試驗裝置原理如圖3所示，圖中C為電容、R0為試驗樣品。

試驗采用鉭電容作為充電電容，它具有漏電流小、內阻小、放電快、能量利用率高的特點[10]，試驗電路連接完成后，使用南京理工大學研制的ALG-CN1儲能放電儀對電容充電，充電至預定電壓后，閉合開關，使電容對SCB芯片放電。使用是德 DSOX4104A數(shù)字示波器(1 GHz、5 GSa/s、帶寬200 MHz、最高波形更新速率>1 000 000個波形/s)記錄電信號波形，配套的N2894A電壓探頭監(jiān)測SCB芯片兩端電壓信號，N2783B電流探頭監(jiān)測回路電流信號，索雷博DET10A/M光電探頭監(jiān)測發(fā)火過程中SCB發(fā)火產(chǎn)生的光信號。

圖3 試驗裝置原理示意圖

2 結果與討論

2.1 裸橋及涂藥SCB電爆發(fā)火電信號特征

裸橋和涂藥SCB的發(fā)火電信號圖像如圖4、圖5所示，發(fā)火之后的橋區(qū)顯微圖像如圖6所示。

圖4 裸橋電爆發(fā)火電信號圖像(電容規(guī)格:22 μF，充電電壓:8 V)

圖5 LTNR涂藥的SCB電爆發(fā)火電信號圖像(電容規(guī)格:22 μF，充電電壓:8 V)

圖6 SCB電爆發(fā)火后的橋區(qū)顯微圖像

圖4和圖5(b)中電壓曲線都存在二次峰，電壓、電流、電阻、能量曲線的變化趨勢一致，其中能量曲線是將電流曲線與電壓曲線的乘積與時間積分得到的。唯一有不同的是光電信號的曲線，圖4中裸橋電爆的光信號曲線在電壓的二次峰處出現(xiàn)陡升，說明裸橋在電壓二次峰的位置發(fā)生電爆產(chǎn)生等離子體進而產(chǎn)生光信號，它記錄的是裸橋的電爆時間。圖5(a)中涂藥SCB的光信號曲線在71 μs左右出現(xiàn)陡升，它記錄的是涂藥SCB的發(fā)火延滯期。從圖6中可以看出，在電壓為8 V時，兩者電爆之后的橋區(qū)表觀形貌區(qū)別不大，與圖1中SCB裸橋顯微圖像相比，橋區(qū)以“雙V形”的頂點為中心發(fā)生電爆，SCB兩側鋁焊盤部分也在電爆之后出現(xiàn)部分汽化，“雙V形”SCB之下硅基底的顏色也因為SCB電爆產(chǎn)生的高溫等離子體而發(fā)生了變化，裸橋和涂藥SCB橋區(qū)顯微圖像基本相同。

以涂藥SCB電爆發(fā)火后的電信號圖像圖5(b)為例進行進一步分析。圖5(b)中電壓曲線存在明顯的二次峰，在電壓曲線達到二次峰的時候，SCB橋區(qū)電爆產(chǎn)生等離子體，之后橋區(qū)電阻值升至無窮大，橋區(qū)斷開，電流值降為零。從電容開始放電到橋區(qū)斷開的這段時間內，電阻曲線經(jīng)歷了一系列的變化，從圖5(b)中的電阻曲線可以看出，電壓與電流的比率在很早的時候就非常大，這并不是真正的電阻，電壓與電流的較大比率是由電路中的電感引起的，并且只是在極早期數(shù)據(jù)中始終出現(xiàn)的初始瞬態(tài)[11]，初始SCB電阻約為4.47 Ω。電阻單調增加至0.6 μs的第一個峰值11.72 Ω，在0.6 μs之后，電阻值迅速下降，這是因為當溫度高于800 K后，SCB變?yōu)樨摐囟认禂?shù)[12]。橋區(qū)電阻在2～4 μs之間達到最低值1.2 Ω左右，由于硅熔化的電阻率約為固態(tài)電阻率的1/10[13]，可以判斷在2～4 μs之間，SCB橋區(qū)中心已經(jīng)熔化，進而在4.2 μs左右迅速汽化并電離產(chǎn)生等離子體，4.2 μs之后發(fā)生LTD過程[14]，即產(chǎn)生等離子體之后的等離子體加熱過程，此過程一直持續(xù)到電流值降為0。

熔化的SCB汽化形成高溫高壓的等離子體，灼熱的等離子體迅速滲透到炸藥中，通過微對流傳熱將熱量傳遞給炸藥,使炸藥表面的溫度升高達到其發(fā)火點而點燃。

如圖5(b)所示，將電壓曲線分為兩段：

第一段A-B，對應從電容開始放電到SCB電爆產(chǎn)生等離子體的過程，稱這段時間為電爆時間t電爆，SCB電爆能量E電爆為t電爆時間段內電流與電壓的乘積對時間的積分；

第二段B-C，對應SCB電爆產(chǎn)生等離子體之后的整個等離子體加熱過程，C點對應的電流值為零，B-C段時間稱為LTD時間tLTD，后期放電能量ELTD為tLTD時間段內電流與電壓的乘積對時間的積分。

將A-C段整個對應SCB從電容開始放電到回路中電流值為0的過程，將A-C段時間稱為SCB斷橋時間t斷橋，SCB發(fā)火能量E發(fā)火為t斷橋時間段內電流與電壓的乘積對時間的積分，顯然t斷橋為t電爆與tLTD之和，E發(fā)火為E電爆與ELTD之和。

發(fā)火過程的能量利用率ω利用為在發(fā)火過程中消耗在SCB發(fā)火芯片的能量與電容中的總能量的比值。能量損耗率ω損耗為發(fā)火過程中消耗在除了SCB發(fā)火芯片之外的回路電阻中的電能與電容中總能量的比值。

從圖4和圖5(b)中得到裸橋和涂藥SCB的電爆能量及時間數(shù)據(jù)，裸橋數(shù)據(jù)的角標為b，涂藥SCB的電爆發(fā)火能量及時間數(shù)據(jù)的角標為c。得到tb斷橋=4.30 μs，tb電爆=3.75 μs，tbLTD=0.55 μs，Eb發(fā)火=51.80 μJ，Eb電爆=36.21 μJ，EbLTD=15.59 μJ，ωb利用=7.36%，ωb損耗=1.20%。tc斷橋=4.60 μs，tc斷橋=4.20 μs，tcLTD=0.40 μs，Ec發(fā)火=42.15 μJ，Ec電爆=38.16 μJ，EcLTD=3.99 μJ，ωc利用=5.99%，ωc損耗=1.85%。

2.2 裸橋及涂藥 SCB電爆發(fā)火能量及時間特性分析

22 μF電容放電條件下，8 V、12 V、16 V、20 V和24 V等5個電壓下裸橋和涂藥SCB發(fā)火之后的代表性橋區(qū)顯微圖像如圖7所示。將8 V、12 V、16 V、20 V和24 V每個電壓下3發(fā)裸橋和3發(fā)涂藥SCB的數(shù)據(jù)分別平均得到裸橋的電爆發(fā)火能量及時間的數(shù)據(jù)如圖8～圖12所示。

圖7 不同電壓下裸橋和涂藥SCB發(fā)火后的顯微圖像

圖8 Eb電爆、Ec電爆、tb電爆、tc電爆 與電容充電電壓的關系曲線

圖9 EbLTD、EcLTD、EbLTD、EcLTD 與電容充電電壓的關系曲線

圖10 Eb發(fā)火、Ec發(fā)火、tb斷橋和tc斷橋與電容充電電壓的關系曲線

圖11 tb斷橋、tb電爆、tbLTD、tc斷橋、tc電爆、tcLTD與電壓的關系曲線

圖12 涂藥SCB發(fā)火延滯期與電容充電電壓的關系曲線

2.2.1電爆能量及電爆時間特性分析

裸橋的電爆能量Eb電爆和涂藥SCB的電爆能量Ec電爆與電壓的關系如圖8所示。從圖8中可以看出，裸橋在5個電壓下的電爆能量平均值分別為37.08 μJ、32.51 μJ、33.30 μJ、34.90 μJ、33.66 μJ，涂藥SCB在5個電壓下的電爆能量平均值分別為34.68 μJ、35.59 μJ、34.63 μJ、34.23 μJ、32.23 μJ。裸橋和涂藥SCB在8～24 V電壓下電爆能量的平均值十分接近，表明裸橋和涂藥SCB電爆能量值與電壓大小無關。裸橋和涂藥SCB所有電爆發(fā)火樣品的電爆能量平均值分別為34.29 μJ和34.27 μJ，說明在SCB電爆產(chǎn)生等離子體之前，從SCB向藥劑中傳遞的熱量很少，藥劑不會影響到SCB的電爆能量。

裸橋電爆時間tb電爆和涂藥SCB的電爆時間tc電爆與電容充電電壓的關系曲線基本一致，擬合曲線分別為：

tb電爆=17.63exp(-U/4.29)+1.16

(1)

R-Square系數(shù)為0.996 62。

tc電爆=15.17exp(-U/4.82)+1.04

(2)

R-Square系數(shù)為0.997 87，隨著電壓的升高，電爆時間按照指數(shù)規(guī)律下降，這是因為電壓越高，放電回路的時間常數(shù)不變，所以電容單位時間內能夠釋放更多的能量，而且固定尺寸規(guī)格的SCB電爆所需能量不隨電壓變化，所以達到SCB電爆所需要的時間越來越短。

2.2.2后期放電能量及時間特性分析

裸橋LTD能量EbLTD及LTD時間tbLTD和涂藥SCB的LTD能量EcLTD及LTD時間tcLTD與電壓的關系如圖9所示，隨著電壓的提高，EbLTD和EcLTD時間按照指數(shù)規(guī)律上升，經(jīng)過擬合得到的EbLTD與電壓的關系曲線為：

EbLTD=0.002 9exp(U/1.85)+36.01

(3)

R-Square系數(shù)為0.999 11。EcLTD與電容充電電壓的關系曲線為：

EcLTD=0.069exp(U/2.88)+12.41

(4)

R-Square系數(shù)為0.996 95。tbLTD和tcLTD與電容充電電壓的關系擬合曲線分別為：

tbLTD=1.32E-5exp(U/1.65)+0.94

(5)

R-Square系數(shù)為0.999 46。

tcLTD=0.02exp(U/4.46)+0.33

(6)

R-Square系數(shù)為0.996 81。電爆產(chǎn)生的等離子體經(jīng)過加熱，高溫高壓等離子體的溫度超過了鋁電極的沸點，電極下面的摻雜單晶硅也發(fā)生汽化。J Kim 等[15]的研究也表明，如果電極發(fā)生燒蝕，電極及下面的摻雜硅層都會參與電爆，所以LTD能量上升會導致出現(xiàn)圖7中裸橋和涂藥SCB的摻雜單晶硅層發(fā)生電爆的面積不斷擴大的現(xiàn)象，電爆產(chǎn)生的等離子體的溫度也會相應地上升[6]。如圖9所示，當電壓小于16 V時，裸橋的 LTD能量及LTD時間曲線高于裸橋，但相差較小；當電壓大于16 V時，EbLTD及tbLTD曲線開始大幅超過EcLTD及tcLTD曲線。電壓為20 V和24 V時，圖7中裸橋摻雜單晶硅層發(fā)生電爆的面積比涂藥SCB摻雜單晶硅層發(fā)生電爆的面積明顯要大很多，這是因為涂藥SCB電爆產(chǎn)生的等離子體會與藥劑發(fā)生作用，藥劑的存在阻止了等離子體的進一步加熱和鋁焊盤下的摻雜單晶硅層進一步電爆，裸橋就不存在藥劑的阻礙，橋兩端有高電壓存在并不斷向包含等離子體的空氣放電，直到空氣不再被擊穿為止[15]，Jongdae Kiln等[5,16-17]也通過研究發(fā)現(xiàn)，對于鋁焊接區(qū)，SCB等離子體的電子密度隨著輸入能量的增加而增加，電壓越高鋁焊盤下參與電爆的SCB面積就大于涂藥SCB，所以在LTD階段裸橋消耗的能量就比涂藥SCB更多，加熱時間就會更長，產(chǎn)生的等離子體也會更多。

2.2.3發(fā)火能量及時間特性分析

裸橋發(fā)火能量Eb發(fā)火及斷橋時間tb斷橋與電容充電電壓的關系如圖10所示，Eb發(fā)火與電容充電電壓的擬合關系曲線為：

Eb發(fā)火=0.15exp(U/3.21)+44.78

(7)

R-Square系數(shù)為0.997 7，涂藥SCB發(fā)火能量Ec發(fā)火與電容充電電壓的關系擬合曲線為：

Ec發(fā)火=0.003exp(U/1.86)+70.38

(8)

R-Square系數(shù)為0.999 3。涂藥SCB斷橋時間tc斷橋與電容充電電壓的關系擬合曲線為：

tc斷橋=10.89-1.11U+0.04U2

(9)

R-Square系數(shù)為0.978 39，其斷橋時間的最小值為2.56 μs，此時電壓為15 V。

Eb發(fā)火和Ec發(fā)火隨著電壓的提高按照指數(shù)規(guī)律上升，這是因為SCB發(fā)火芯片的發(fā)火能量等于電爆能量與LTD能量之和，而裸橋和涂藥SCB的電爆能量不隨電壓變化，所以裸橋和涂藥SCB的發(fā)火能量的變化趨勢與兩者LTD能量變化趨勢一致。在電壓小于16 V時，裸橋發(fā)火能量大于涂藥SCB發(fā)火能量，電壓大于16 V時，由于發(fā)火能量等于電爆能量與LTD能量之和，斷橋時間等于電爆時間與LTD時間之和，此時裸橋的LTD能量及LTD時間開始大幅超過涂藥SCB，因此裸橋的發(fā)火能量及斷橋時間在電壓大于16 V之后大幅超過涂藥SCB。

將裸橋tb斷橋、tb電爆、tbLTD、Eb發(fā)火、Eb電爆、EbLTD和涂藥SCB的tc斷橋、tc電爆、tcLTD、Ec發(fā)火、Ec電爆、EcLTD進行統(tǒng)計，結果圖11所示。由于斷橋時間為電爆時間與LTD時間之和，在電壓小于18 V時，電爆時間是斷橋時間的主要組成部分，在電壓大于18 V時，電爆時間低于LTD時間，LTD時間成為斷橋時間的主要組成部分。

2.2.4涂藥SCB發(fā)火延滯期特性分析

涂藥SCB的發(fā)火延滯期就是從電容通電到光電探頭采集到藥劑發(fā)火的光信號的時間，涂藥SCB發(fā)火芯片的發(fā)火延滯期數(shù)據(jù)如圖12所示，擬合曲線方程為：

t發(fā)火延滯期=123.17exp(-U/4.83)+50.66

(10)

R-Square系數(shù)為0.998 51，隨著電容充電電壓的升高，發(fā)火延滯期按照指數(shù)規(guī)律下降，最后趨于定值。隨著電容充電電壓的升高，SCB發(fā)火芯片產(chǎn)生的等離子體溫度越高[6]，所以等離子體與藥劑的作用時間越短，發(fā)火延滯期就越短。

2.2.5能量利用率特性分析

SCB發(fā)火芯片的能量利用率是發(fā)火能量與電容所儲存的總能量的比率，損耗率是消耗在除了發(fā)火件之外的放電回路上的能量與電容在放電之前所含有的總能量的比值，將每個電壓下的涂藥SCB能量利用率ωc利用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計在圖13中，擬合曲線方程為：

ωc利用=14.76-1.49+0.045U2

(11)

R-Square系數(shù)為0.944 99。

可以從圖13中看出，裸橋能量利用率在各個電容充電電壓下均高于涂藥SCB發(fā)火能量利用率，尤其是在電壓為24 V時，裸橋的平均能量利用率達到20.31%，遠遠高于涂藥SCB，這說明對于磷摻雜的單晶硅SCB發(fā)火芯片來說，選擇合適的電容充電電壓可以得到較高的能量利用率。裸橋和涂藥SCB的電容能量損耗率都比較低，在0～2%。

圖13 裸橋和涂藥SCB發(fā)火能量利用率與充電電壓的關系曲線

根據(jù)式(8)、(10)、(11)可得，在22 μF鉭電容放電條件下，該尺寸規(guī)格的磷摻雜單晶硅SCB的99.9%發(fā)火電壓為5.9 V。在5.9 V到16 V的電壓區(qū)間，發(fā)火能量上升，發(fā)火延滯期下降，能量利用率下降。選擇5.9 V作為發(fā)火電壓，根據(jù)式(8)、(10)、(11)計算得到涂藥SCB發(fā)火能量為70 μJ，發(fā)火延滯期為86.84 μs，發(fā)火能量利用率為7.54%。

3 結論

1) 在8 V到24 V的電容充電電壓區(qū)間內，裸橋和涂藥SCB電容充電電壓對磷摻雜單晶硅SCB發(fā)火芯片裸橋和涂藥SCB的電爆能量的影響很小。裸橋和涂藥SCB所有電爆發(fā)火樣品的電爆能量平均值分別為34.29 μJ和34.27 μJ。在SCB電爆產(chǎn)生等離子體之前，從SCB向藥劑中傳遞的熱量很少，藥劑不會影響SCB的電爆能量。

2) 在8 V到24 V的電容充電電壓區(qū)間內，電壓越高，后期放電能量及時間都有所上升，SCB等離子體起爆越可靠。電壓大于16 V時，裸橋后期放電能量及時間上升幅度大于涂藥SCB，同時裸橋的摻雜單晶硅層發(fā)汽化的面積會超過裸橋，電壓越高面積相差越大。

3) 此規(guī)格磷摻雜單晶硅SCB在電容放電條件下電爆發(fā)火能量利用率較低，在8 V到24 V的電壓區(qū)間內，能量利用率低于5.5%，涂藥SCB電爆發(fā)火能量利用率與電壓的關系滿足二次函數(shù)關系，當U=16 V時，能量利用率最低為2.46%，能夠為SCB起爆電壓的選擇提供參考。