李黎明，尹國福，姚洪志，紀(jì)向飛，王靜雅

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

半導(dǎo)體橋（Semiconductor Bridge，簡(jiǎn)稱SCB）火工品是利用半導(dǎo)體膜（或金屬-半導(dǎo)體復(fù)合膜）作為發(fā)火元件進(jìn)行引燃、起爆作用的新技術(shù)火工品，SCB作為換能元，具有發(fā)火能量低、作用時(shí)間快、安全性好等特點(diǎn)[1-4]，其具有一定的抗靜電、抗射頻能力[5-6]。但當(dāng) SCB處于強(qiáng)靜電、射頻環(huán)境中時(shí)，仍不可避免地遭受到靜電與射頻的危害。陳飛等人采用絕緣環(huán)或者泄放通道的方式研究了半導(dǎo)體橋火工品的防靜電和射頻技術(shù)[7]。穆麗軍等人[8]在分析電火工品靜電作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用瞬態(tài)脈沖試驗(yàn)原理研究了ESD對(duì)電火工品的性能影響，并指出經(jīng)過 ESD試驗(yàn)后，電火工品溫升值變大，平均作用時(shí)間變長，提出了可以用瞬態(tài)脈沖試驗(yàn)法檢測(cè)經(jīng) ESD后電火工品的性能變化。常悅等[9]通過測(cè)量電火工品橋絲在電磁環(huán)境下的溫度變化，利用傳感器測(cè)得橋絲溫度與調(diào)理器輸出的感應(yīng)電壓的關(guān)系，測(cè)量出橋絲上的感應(yīng)電壓，進(jìn)而對(duì)電火工品進(jìn)行 ESD的效應(yīng)評(píng)估。國外利用二極管具有箝位電壓的特性，或利用集成技術(shù)對(duì) SCB芯片進(jìn)行改進(jìn)，對(duì) SCB火工品進(jìn)行了電磁加固。如把齊納二極管或者雙性二極管集成到橋區(qū)內(nèi)[10-12]，帶具有非線性電阻或者具有電壓保護(hù)功能的SCB[13-14]，與微電子電路相連接等方法。本文依據(jù)國軍標(biāo)靜電測(cè)試的規(guī)定，實(shí)驗(yàn)研究了 SCB在強(qiáng)靜電放電脈沖作用下的損傷情況，并針對(duì)橋區(qū)損傷問題，采用抗靜電電容對(duì)SCB進(jìn)行加固并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 半導(dǎo)體橋靜電電壓損傷特性

雖然半導(dǎo)體橋芯片本身具有一定的抗靜電能力，但是在強(qiáng)靜電放電脈沖的作用下仍不可避免地產(chǎn)生損傷，尤其橋區(qū)尺寸變小時(shí)，半導(dǎo)體橋就越容易受到靜電損傷，并且不同尺寸的半導(dǎo)體橋，由于電阻不同受到靜電損傷的程度也不同。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得，SCB外形尺寸為 810μm×810μm，橋區(qū)尺寸為 260μm×60μm，電阻1?，通過25kV (500pF，5k?)靜電放電后橋區(qū)無損傷；外形尺寸為 950μm×700μm，橋區(qū)尺寸為85μm×60μm，電阻 3?，通過 25kV (500pF，5k?)靜電放電后橋區(qū)損傷較嚴(yán)重。

為了獲得微型 SCB在強(qiáng)靜電放電脈沖作用下產(chǎn)生損傷的最小靜電放電電壓，以及不同靜電電壓作用后 SCB電阻的變化情況，本文采用不斷降低靜電放電電壓的方式，將靜電放電電壓從30kV降至16kV，來模擬橋區(qū)尺寸為85μm×60μm的半導(dǎo)體橋在靜電放電下的損傷過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明半導(dǎo)體橋電阻隨著靜電電壓的逐漸減小而減小，在靜電電壓降至一定程度后，電阻變大，如圖1所示。

圖1 半導(dǎo)體橋電阻變化曲線圖Fig.1 Curve of SCB resistance change

SCB靜電作用后的顯微鏡照片如圖2所示，照片表明，靜電作用后，最先受到損傷的為橋的尖角區(qū)域，隨靜電放電電壓的增大，橋區(qū)中間部位也受到損傷；當(dāng)靜電電壓比較小時(shí)，橋區(qū)的兩個(gè)尖角區(qū)域呈現(xiàn)對(duì)稱性的燒蝕，隨著靜電電壓的增大，橋區(qū)表面燒蝕越來越嚴(yán)重，由尖端處向橋區(qū)中間擴(kuò)展。橋區(qū)靜電損傷后的電鏡照片如圖3所示。由圖3分析可知半導(dǎo)體橋在尖端處已經(jīng)產(chǎn)生了硅裂。這是由于靜電放電能量進(jìn)入半導(dǎo)體橋，當(dāng)電流經(jīng)過橋的尖角時(shí)，橫截面變小，電流密度變大，從而使得該處產(chǎn)生的熱量最高，橋區(qū)尖角處的溫度高于多晶硅的沸點(diǎn)，尖角處的材料被汽化，從而半導(dǎo)體橋橋區(qū)處的尖角首先受到燒蝕，使得半導(dǎo)體橋火工品出現(xiàn)意外起爆或影響其發(fā)火性能。

圖3 半導(dǎo)體橋靜電作用后電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM of SCB after electrostatic damage

2 電容-半導(dǎo)體橋抗靜電測(cè)試

2.1 理論分析

考慮如圖4所示的電路結(jié)構(gòu)，1個(gè)阻值為R的SCB電阻與1個(gè)電容C并聯(lián)，并由一個(gè)電流源I(t)所驅(qū)動(dòng)。

圖4 帶電容的SCB電路Fig.4 SCB circuit with shunting capacitor

圖5 直流工作電路Fig.5 DC circuit

當(dāng)電流源是DC源時(shí)，電容相當(dāng)于斷路，電流僅流過SCB電阻，如圖5所示。DC源為SCB提供的是穩(wěn)定的電流和電壓，不會(huì)引起 SCB電阻上功率的增加，因而很難使SCB工作。

由V=IR得到流過SCB的功率：

式（1）中：V為半導(dǎo)體橋兩端的電壓；I為流過半導(dǎo)體橋的電流。

當(dāng)電流源是AC源時(shí)，如圖6所示，電容開始導(dǎo)電，電容的阻抗為(1Cjω)，工作電路相當(dāng)于電阻與容抗的并聯(lián)工作。

圖6 交流工作電路Fig.6 AC circuit

當(dāng)交流電的頻率較低，以致RC/1＜＜ω，此時(shí)容抗遠(yuǎn)大于電阻值，因而電流源的大部分電流將流過SCB；如果頻率較高，以致RC/1＞＞ω，此時(shí)的容抗會(huì)遠(yuǎn)小于電阻值，電流源的大部分電流將流過電容。某種意義上說，這種R和C共同組成的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低通濾波器，也就是可以阻止一切高頻的信號(hào)對(duì)電阻的影響。

針對(duì)在強(qiáng)靜電放電作用下的損傷問題，采用半導(dǎo)體橋并聯(lián)電容的方式測(cè)試抗靜電性能，其原理圖如圖7所示。

由于電容與半導(dǎo)體橋并聯(lián)，從電路連接上得到電容上的電壓值為：

式（3）中：C0為靜電放電電容；Cx為靜電保護(hù)電容；VESD靜電放電電壓；Vbd電容上的電壓值。

圖7 電容-半導(dǎo)體橋抗靜電測(cè)試原理Fig.7 SCB antistatic test principle with shunting capacitor

由式（3）可以得到，要起到保護(hù)半導(dǎo)體橋不受靜電影響，必須保證Cx＞＞C0?？紤]降額使用，經(jīng)式（3）可得：

式（4）即取0.3倍的靜電保護(hù)電容值作為靜電保護(hù)電容的最小耐壓值。

2.2 抗靜電測(cè)試

根據(jù)上述理論分析，分別對(duì)并聯(lián)0.47μF、0.68μF、1.0μF和2.2μF電容的半導(dǎo)體橋進(jìn)行抗靜電測(cè)試，半導(dǎo)體橋尺寸為85μm×65μm，電阻為3?，靜電電壓為25kV，充電電容為500pF，串聯(lián)電阻5kΩ，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 電容-半導(dǎo)體橋抗靜電測(cè)試結(jié)果Tab.1 SCB antistatic test results with different shunting capacitor

由表1可知，25kV靜電作用前后半導(dǎo)體橋的電阻值變化不大，只有并聯(lián) 0.47μF的半導(dǎo)體橋的電阻有接近0.1?的變化。靜電后的顯微鏡照片表明，并聯(lián) 0.47μF電容的橋區(qū)尖端有少許的燒蝕，其它橋區(qū)則沒有變化，如圖8所示。

為了進(jìn)一步研究分析并聯(lián)電容的半導(dǎo)體橋的抗靜電性能，對(duì)并聯(lián)不同電容的半導(dǎo)體橋分別進(jìn)行 10次的抗靜電測(cè)試，如圖9所示。

從圖9分析可知，并聯(lián)電容對(duì)半導(dǎo)體橋抗靜電性能有較大的提高，但是不同的電容值對(duì)半導(dǎo)體橋抗靜電性能有不同的影響。并聯(lián)0.47μF和0.68μF的電容，靜電作用10次后，橋區(qū)有明顯的損傷，而并聯(lián)1.0μF和1.5μF電容的半導(dǎo)體橋，靜電作用10次后，橋區(qū)基本沒有變化。因此，電容值愈大，抗靜電性能越好，但電容值越大，體積越大，不容易集成，因此，選擇1.0μF的電容作為抗靜電電容比較理想。

3 電容-半導(dǎo)體橋性能測(cè)試

半導(dǎo)體橋并聯(lián)電容后，半導(dǎo)體橋抗靜電的性能大大增強(qiáng)，但并聯(lián)電容后對(duì)發(fā)火電壓有一定的影響，對(duì)作用時(shí)間應(yīng)該也有一定的影響。

3.1 發(fā)火電壓的測(cè)試

試樣為外形尺寸950μm×700μm，橋區(qū)尺寸85μm×60μm，靜態(tài)電阻3?左右的半導(dǎo)體橋，發(fā)火電容為10μF。

對(duì)裸半導(dǎo)體橋以及電容-半導(dǎo)體橋進(jìn)行了發(fā)火測(cè)試，如表2所示。表2結(jié)果顯示裸半導(dǎo)體橋的發(fā)火電壓最低，其值為 8.9V；并聯(lián) 0.47～1.5μF電容后，并聯(lián)電容越大，對(duì)發(fā)火電壓的影響越大，

表2 電容-半導(dǎo)體橋發(fā)火電壓Tab.2 SCB firing voltages with different shunting capacitor

3.2 作用時(shí)間的測(cè)試

試樣為外形尺寸為 950μm×700μm，橋區(qū)尺寸85μm× 60μm，靜態(tài)電阻3?左右的半導(dǎo)體橋，在不同的發(fā)火電容和發(fā)火電壓進(jìn)行了作用時(shí)間測(cè)試，結(jié)果如圖10所示。由圖10可見并聯(lián)電容超過1.5μF后，半導(dǎo)體橋發(fā)火時(shí)間有明顯的延遲，而并聯(lián)電容在0.47～1.0μF之間，發(fā)火延遲不明顯，并且從半導(dǎo)體橋作用后燒蝕的程度分析，可以看出半導(dǎo)體橋已完全作用，如圖11所示。

圖10 電容-半導(dǎo)體橋的作用時(shí)間Fig.10 Function time of SCB with different shunting capacitor

圖11 并聯(lián)1.0μF電容的SCB作用后照片F(xiàn)ig.11 Photo of SCB with 1.0μF shunting capacitor after function

3.3 抗靜電性能實(shí)驗(yàn)

在電容-半導(dǎo)體橋上涂覆斯蒂芬酸鉛（LTNR）起爆藥，進(jìn)行靜電放電實(shí)驗(yàn)，每種電容-半導(dǎo)體橋?yàn)?10發(fā)樣品，靜電電壓25kV。靜電實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 電容-半導(dǎo)體橋藥頭靜電實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Antistatic test results of SCB loaded LTNR

表 3表明，電容-半導(dǎo)體橋涂覆藥劑后，靜電沒有引起半導(dǎo)體橋藥頭意外作用，說明并聯(lián)電容可以增強(qiáng)半導(dǎo)體橋抗靜電的性能。分析電容-半導(dǎo)體橋的抗靜電性能、發(fā)火電壓、作用時(shí)間，可以得到：并聯(lián)電容越大，抗靜電性能越好，但是并聯(lián)電容越大，發(fā)火電壓變大，作用時(shí)間延遲變長，不利于半導(dǎo)體橋的起爆。從并聯(lián)0.47～1.5μF的電容的測(cè)試性能數(shù)據(jù)可以看出，并聯(lián)1.0μF的電容，可以起到抗靜電的能力，并且對(duì)發(fā)火電壓、作用時(shí)間基本沒有影響，因此，選擇1.0μF的電容集成到半導(dǎo)體橋上，與半導(dǎo)體橋并聯(lián)，能夠提高半導(dǎo)體橋的抗靜電性能。

4 總結(jié)

本文研究了半導(dǎo)體橋在不同強(qiáng)度靜電脈沖電壓作用下的特性，分析了產(chǎn)生損傷的關(guān)鍵原因，并采用抗靜電電容與半導(dǎo)體橋并聯(lián)的方式進(jìn)行了抗靜電加固以及相關(guān)的性能實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）橋區(qū)尺寸為85μm×60μm的微型半導(dǎo)體橋在靜電放電16kV時(shí)出現(xiàn)橋區(qū)損傷，并隨靜電電壓增大損傷面積增大；

（2）半導(dǎo)體橋并聯(lián)電容具有較強(qiáng)抗靜電能力，并聯(lián)不同的電容抗靜電能力不同，并聯(lián)電容的容值越大，抗靜電能力越強(qiáng)，但是所需的發(fā)火電壓越大，發(fā)火時(shí)間越長。因此，針對(duì)不同尺寸的半導(dǎo)體橋，應(yīng)根據(jù)理論分析與實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際性能需要來確定并聯(lián)電容的容值。本文實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于橋區(qū)尺寸為 85μm×60μm的微型半導(dǎo)體橋，應(yīng)選擇1.0μF電容作為抗靜電電容。

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