半導(dǎo)體橋火工品的防靜電與防射頻設(shè)計?

袁玉紅 李軍福 周 彬 黃寅生

①南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

②安徽紅星機(jī)電科技股份有限公司(安徽合肥，231135)

③南京軍事代表局駐蚌埠地區(qū)軍事代表室(安徽蚌埠，233000)

0 引言

半導(dǎo)體橋(semiconductor bridge， SCB)火工品是指利用半導(dǎo)體膜或金屬-半導(dǎo)體復(fù)合膜作為發(fā)火元件的火工品[1]，具有可靠性高、成本低及安全性高等特點。 近年來，戰(zhàn)場信息化程度越來越高，無線電設(shè)備、電磁脈沖武器、雷達(dá)等使得戰(zhàn)場電磁環(huán)境日趨復(fù)雜[2]。 研究表明，武器裝備中的電火工品通過電路引線可拾取空間電磁環(huán)境中的能量，引起武器裝備的意外起爆、瞎火或性能降低，從而造成非常嚴(yán)重的后果。

為提高現(xiàn)有SCB 火工品的防電磁干擾性能，研究人員做了大量工作。

針對靜電環(huán)境，將具有抗靜電能力的二極管并聯(lián)到火工品腳-腳或腳-殼間是一種有效的靜電加固方法。 二極管可以采用齊納二極管[3-4]、壓敏電阻[5]和瞬態(tài)電壓抑制(transient voltage suppressor，TVS)二極管[6-7]等。 防護(hù)原理為:二極管并聯(lián)于被保護(hù)器件；常態(tài)下的二極管處于開路狀態(tài)；當(dāng)二極管兩端經(jīng)受瞬間高能量沖擊時，二極管會瞬間響應(yīng)，由高阻值開路狀態(tài)轉(zhuǎn)為低阻值通路狀態(tài)，此時，形成一個泄放通道，使得大量能量被旁路，從而實現(xiàn)被保護(hù)器件的安全。

針對射頻環(huán)境，當(dāng)火工品暴露在射頻環(huán)境中時，電磁能量有可能從火工品的腳線上耦合進(jìn)入火工品中，在火工品中產(chǎn)生熱量，從而引起火工品的意外發(fā)火[8]。 射頻防護(hù)方法主要是采用濾波器[9]、電容[7]、鐵氧體磁珠[10]和負(fù)溫度系數(shù)(negative temperature coefficient， NTC)熱敏電阻。 作為最早用于火工品電磁加固的器件，濾波器能夠有效提高火工品的抗電磁能力，但是尺寸限制了其應(yīng)用。 King等[3]在SCB 火工品兩端并聯(lián)電容，利用電容在高射頻環(huán)境下的低阻抗效應(yīng)實現(xiàn)SCB 火工品的電磁加固。 陳飛[11]將NTC 熱敏電阻用于SCB 火工品的射頻加固，試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受到射頻能量作用時，SCB 火工品溫度升高，具有負(fù)溫度系數(shù)特性的NTC 熱敏電阻的大小會迅速減小，此時SCB 火工品中的大部分感應(yīng)電流被熱敏電阻分走，從而抑制了SCB 火工品溫度的進(jìn)一步上升。

從國內(nèi)外各種電磁加固方式可以看出，目前對SCB 的防護(hù)研究局限于對射頻或靜電的單一防護(hù)，且只研究和證明了器件對SCB 的防護(hù)效果，并沒有公開報道具有實用性的能保持原有SCB 火工品體積和形狀不發(fā)生明顯變化的器件集成方法。

本文中，為了同時提高SCB 火工品對靜電、射頻和雜散電流的防護(hù)能力，同時使用TVS 二極管和NTC 熱敏電阻對SCB 火工品進(jìn)行防護(hù)，并對組合器件防護(hù)后SCB 火工品的發(fā)火性能和電磁安全性能進(jìn)行了研究。

1 試驗樣品

SCB 芯片以硅襯底為基底，表面有一層二氧化硅絕緣層，表層為磷摻雜形成的多晶硅層，多晶硅層上為淀積金屬電極層；橋區(qū)尺寸由電極層和多晶硅層共同決定。 制備好的芯片電阻范圍為(1. 00 ±0.15) Ω，芯片示意圖如圖1 所示。

圖1 SCB 芯片示意圖Fig.1 Schematic diagram of the SCB chip

將制備好的SCB芯片封裝入帶有凹槽的陶瓷塞中。陶瓷塞外徑為6 mm，內(nèi)部有凹槽，凹槽兩邊為間距一定的金屬插針。 封裝過程大致如下:首先，將SCB 芯片粘帖在陶瓷塞凹槽內(nèi)；接著，采用超聲鍵合的方式將SCB 芯片2 個電極分別與陶瓷塞2個金屬電極相連；然后，將NTC 熱敏電阻和TVS 二極管通過熱固膠封裝在陶瓷塞底部凹槽內(nèi)，并使用導(dǎo)電膠與陶瓷金屬電極連接，使得上述2 種器件與SCB 芯片形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)；最后，將陶瓷塞裝入外徑約為8 mm 的鋁殼中。 在SCB 芯片表面涂覆斯蒂芬酸鉛(LTNR)作為初級點火藥，并使用KClO4藥劑模擬較鈍感的次級點火藥。 將帶有SCB 芯片和LTNR的陶瓷塞和KClO4藥劑依次放入鋁制管殼，并使用油壓機(jī)進(jìn)行壓藥，壓藥質(zhì)量為100 mg，壓藥壓力為30 MPa。 封裝過程如圖2 所示。

圖2 集成型SCB 火工品制備過程Fig.2 Fabrication process of the integrated SCB initiator

樣品等效電路如圖3 所示。

圖3 集成型SCB 火工品等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit of the integrated SCB initiator

等效電路包括1 個TVS 二極管、1 個NTC 熱敏電阻和1 個SCB 電阻橋。

為了保證火工品在靜電條件下的安全性，采用TVS 二極管進(jìn)行靜電加固。 當(dāng)靜電脈沖作用于火工品時，TVS 二極管被擊穿，從高電阻降至低電阻，靜電能量通過旁路放掉，從而保證SCB 電阻橋的安全。

為了保證火工品在射頻環(huán)境下的安全性，采用NTC 熱敏電阻進(jìn)行射頻加固。 當(dāng)外界能量通過腳線耦合進(jìn)入半導(dǎo)體時，SCB 產(chǎn)生熱量，并通過陶瓷塞傳遞到NTC 熱敏電阻上，NTC 熱敏電阻受熱，電阻大小從高降至低，分走SCB 上的能量，從而形成射頻防護(hù)。

2 試驗裝置

2.1 電容放電發(fā)火試驗

為研究上述組合型器件對SCB 火工品發(fā)火性能的影響，采用電容放電激勵的方式分別對SCB 火工品和集成型SCB 火工品進(jìn)行測試。 試驗中采用ALG-CN1 型儲能放電儀進(jìn)行測試，放電電容選用精度高、漏電流小、放電快的鉭電容。 試驗裝置原理圖見圖4。

圖4 電容放電發(fā)火試驗原理圖Fig.4 Principle diagram of capacitor discharge ignition test

2.2 恒流安全試驗

電火工品的抗射頻和抗雜散電流能力是電磁安全性能的重要指標(biāo)之一，該能力可以通過恒流安全試驗進(jìn)行間接驗證[12]。 為驗證組合器件是否能有效提高SCB 火工品的抗射頻能力，分別對集成組合器件前、后的SCB 火工品進(jìn)行了安全電流試驗。 安全電流試驗儀器選用ALG-HL-15A 高速恒流起爆電源，試驗過程按GJB 5309.11—2004[13]的要求進(jìn)行，裝置原理如圖5 所示。

圖5 恒流安全實驗原理圖Fig.5 Principle diagram of constant current test

2.3 靜電安全試驗

根據(jù)前人研究，在GJB 5309.14—2004[14]的靜電(500 pF/500 Ω/25 kV)條件下，SCB 火工品具有較好的抗靜電能力，不會出現(xiàn)意外發(fā)火；但在美軍標(biāo)MIL-STD-331D[15]對應(yīng)的500 pF/500 Ω/25 kV 的靜電條件下，SCB 火工品會出現(xiàn)發(fā)火情況[11]。 為了研究組合型防護(hù)器件是否能有效提高SCB 火工品的靜電安全性能，基于GJB 5309.14—2004 的相關(guān)規(guī)定，采用500 pF 儲能電容、500 Ω 的回路電阻，對SCB 火工品的靜電安全性能進(jìn)行測試，試驗裝置原理如圖6 所示。

圖6 靜電試驗原理圖Fig.6 Principle diagram of electrostatic discharge test

3 結(jié)果與討論

3.1 射頻防護(hù)試驗結(jié)果

對集成組合器件前、后的SCB 火工品進(jìn)行試驗，結(jié)果如表1 所示。 對SCB 火工品而言，當(dāng)輸入電流升高至1.3 A 時，SCB 火工品發(fā)火，表明此時已達(dá)到SCB 火工品的臨界發(fā)火電流。 對集成型SCB火工品而言，當(dāng)輸入電流提高到1.6 A 時，集成型SCB 火工品才發(fā)火。 相較于不加防護(hù)的SCB 火工品而言，抗射頻能力提升了23%。

表1 恒流安全試驗結(jié)果Tab.1 Results of constant current test

3.2 靜電防護(hù)試驗結(jié)果

在恒流試驗中，持續(xù)輸入的電流在SCB 火工品中產(chǎn)生大量焦耳熱，這使得SCB 火工品溫度迅速升高。 為驗證長時間高溫狀態(tài)后集成型SCB 火工品的抗靜電性能是否有所改變，將恒流后未發(fā)火樣品與對照樣品共同在500 pF/500 Ω/25 kV 的靜電放電條件下進(jìn)行靜電感度試驗，結(jié)果見表2。

表2 靜電安全試驗結(jié)果Tab.2 Results of electrostatic safety test

從表2 中結(jié)果可知:10 發(fā)SCB 火工品均發(fā)火；而集成型SCB 火工品均安全，表明組合器件中的TVS 二極管有效提高了SCB 火工品的抗靜電能力。為進(jìn)一步測試集成型SCB 是否具有多次抗靜電能力，將SCB 裸橋和集成型SCB 裸橋進(jìn)行連續(xù)5 次靜電放電試驗，并通過顯微鏡拍攝5 次靜電放電過程中橋區(qū)的變化情況，如圖7 所示。

圖7 試驗過程中橋區(qū)的顯微放大圖Fig.7 Microscopic magnification of the bridge area during the experiment

由試驗結(jié)果可知:SCB 裸橋在第1 次靜電沖擊時即出現(xiàn)橋區(qū)燒蝕的情況；而集成型SCB 裸橋在5次靜電沖擊過程中橋區(qū)均保持不變，表明TVS 二極管具備多次抗靜電沖擊的能力。

3.3 電容放電發(fā)火試驗結(jié)果

由上述試驗可知，組合器件能有效提高SCB 火工品的抗靜電和抗射頻能力。 進(jìn)一步對集成型SCB火工品的發(fā)火性能進(jìn)行測試。 測試條件為22 μF/16 V 的電容放電。 試驗結(jié)果如表3 所示；示波器采集到的電爆曲線如圖8 所示。

表3 電爆試驗結(jié)果Tab.3 Results of discharge explosion testing

從圖8 可知，集成型SCB 火工品的電爆曲線和SCB 火工品的變化趨勢基本保持一致，說明增加組合器件前、后SCB 的爆發(fā)過程未發(fā)生變化。 對比爆發(fā)時間和爆發(fā)能量可知，集成型SCB 火工品較SCB火工品均出現(xiàn)略微增加。

進(jìn)一步對爆發(fā)時間和爆發(fā)能量進(jìn)行t檢驗分析。t檢驗相關(guān)參數(shù)為:水平α ＝0.05，n1＝5，n2＝5。 通過查表可得t1-α/2{n1＋n2-2}＝2.306。 檢驗結(jié)果如表4 所示。tT、tE分別為爆發(fā)時間和爆發(fā)能量的t值，均大于2.306。

表4 t 檢驗結(jié)果Tab.4 Results of t test

從表4 中可以看出，SCB 火工品并聯(lián)防護(hù)器件后，相比于未集成防護(hù)器件的SCB 火工品，發(fā)火時間和發(fā)火能量均出現(xiàn)了顯著性差異，這可能是并聯(lián)器件的分流效應(yīng)引起的。 為進(jìn)一步明確分流效應(yīng)產(chǎn)生的器件，將2 種防護(hù)器件采用導(dǎo)線和SCB 火工品并聯(lián)，使用多個電流探頭分別測量通過TVS 二極管、NTC 熱敏電阻和SCB 的電流，得到電流-時間和電壓-時間曲線，如圖9 所示。

圖9 集成型SCB 電爆試驗曲線Fig.9 Current curves and voltage curves of integrated SCB in discharge explosion test

從圖9 可知，TVS 二極管的分流主要集中在SCB 火工品的第2 個峰值電壓的附近。 此時SCB處于等離子體爆發(fā)的末期，因此，對SCB 火工品發(fā)火的影響較小。 而NTC 熱敏電阻在發(fā)火全過程中存在少量分流，通過NTC 熱敏電阻的電流約為0.5 ～1.0 A，因此，可以認(rèn)為增加防護(hù)器件后SCB火工品發(fā)火性能的變化主要由NTC 熱敏電阻的分流引起。 從t檢驗結(jié)果來看，集成的防護(hù)器件對SCB 的發(fā)火時間有一定的影響。 但是就SCB 火工品實際應(yīng)用而言，集成型SCB 火工品的發(fā)火時間僅延遲了不到2 μs，該時間量級的延遲不影響點火的可靠性。

4 結(jié)論

在恒流安全試驗和靜電安全試驗下研究了集成TVS 二極管和NTC 熱敏電阻的SCB 火工品安全性能的變化情況；并在電容發(fā)火條件下，研究了SCB火工品的發(fā)火性能的變化情況。 結(jié)論如下:

1)在SCB 火工品中增加組合型防護(hù)器件后，在持續(xù)300 s 的恒流作用下，臨界不發(fā)火電流約為1.5 A，相比無防護(hù)器件的SCB 火工品，抗射頻能力有明顯提高，提升幅度達(dá)23%。

2)在SCB 火工品中增加組合型防護(hù)器件后，在500 pF、500 Ω 的靜電測試回路條件下， SCB 火工品可以實現(xiàn)25 kV 下可靠的抗靜電能力；恒流作用時，SCB 火工品產(chǎn)生的高溫不會使TVS 二極管的性能發(fā)生變化，恒流作用后的集成型SCB 火工品仍能保持原有的抗靜電性能。

3)集成防護(hù)器件后，在相同的電容發(fā)火條件下，通過SCB 的電流、電壓特性曲線不會發(fā)生明顯變化，而平均爆發(fā)時間延遲了約2 μs，該爆發(fā)時間的延遲主要是由于NTC 熱敏電阻的分流作用引起。

綜合以上試驗和分析可得，增加組合器件的方式不僅未改變原有SCB 火工品的裝配結(jié)構(gòu)，而且還顯著提高了在靜電、射頻和雜散電流環(huán)境下的安全性，是一種易于實現(xiàn)的抗電磁加固手段。