半導(dǎo)體橋芯片靜電加固的研究

李　靜，張文超，秦志春，葉家海，田桂蓉，徐振相

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094）

半導(dǎo)體橋芯片靜電加固的研究

李靜，張文超，秦志春，葉家海，田桂蓉，徐振相

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094）

針對橋區(qū)形狀為尖角形的半導(dǎo)體橋在尖角處電流密度過于集中、易發(fā)生靜電損傷的問題，提出將半導(dǎo)體橋的尖角部分設(shè)計為圓弧的形狀，達(dá)到提高半導(dǎo)體橋抗靜電能力的目的。靜電實驗發(fā)現(xiàn)圓弧型半導(dǎo)體橋在10 000pF電容、25kV電壓并且串聯(lián)5 000?電阻的靜電沖擊條件下完好無損。33μF電容、19V電壓放電模式下，靜電沖擊前后圓弧型半導(dǎo)體橋的發(fā)火時間基本沒變，而尖角型半導(dǎo)體橋的發(fā)火時間發(fā)生了較長的延遲，證明圓弧型半導(dǎo)體橋在保證發(fā)火的前提下抗靜電能力得到增強(qiáng)。

半導(dǎo)體橋；靜電加固；點(diǎn)火

在火工裝置的生產(chǎn)、運(yùn)輸和裝配使用等過程中，由于摩擦、撞擊、接觸分離等極易產(chǎn)生靜電積累，靜電作用在火工裝置上產(chǎn)生熱量，造成其意外發(fā)火或失效，對火工裝置本身及彈藥的安全性和可靠性均構(gòu)成嚴(yán)重威脅［1］。

半導(dǎo)體橋芯片（以下簡稱半導(dǎo)體橋）是半導(dǎo)體橋火工品的關(guān)鍵元件，是指由半導(dǎo)體膜或者金屬-半導(dǎo)體復(fù)合膜作為換能元件的小型點(diǎn)火器件，其結(jié)構(gòu)和性能直接決定了半導(dǎo)體橋火工品的性能［2-5］。

郭曉蓉［6］等人通過對尖角型半導(dǎo)體橋進(jìn)行靜電沖擊實驗和點(diǎn)火實驗，得到了在模擬人體靜電放電條件（500pF電容、25kV電壓并且串聯(lián)5 000?電阻）下，尖角型半導(dǎo)體橋的發(fā)火概率為0，而且橋膜表面不出現(xiàn)任何損傷。進(jìn)一步增加靜電沖擊強(qiáng)度，將實驗電容改為10 000pF時，靜電沖擊在其V形尖角處造成了半導(dǎo)體橋橋膜的燒蝕，點(diǎn)火實驗發(fā)現(xiàn)靜電沖擊后半導(dǎo)體橋的點(diǎn)火時間延長，點(diǎn)火可靠性降低。由此可見：雖然傳統(tǒng)的半導(dǎo)體橋火工品本身具有一定的抗電磁性能，但隨著電磁環(huán)境惡劣程度的加強(qiáng)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對它的安全性能特別是抗電磁能力提出更高的要求。由于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體橋的電磁防護(hù)措施會在一定程度上增加制造工序和技術(shù)難度，不可避免地帶來產(chǎn)品可靠性的降低和生產(chǎn)成本的提高，因此有必要對半導(dǎo)體橋的抗電磁能力特別是其抗靜電能力進(jìn)行專門的研究。

本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，針對尖角型半導(dǎo)體橋在受到靜電沖擊時容易在其V形尖角處受到損傷的不足，在不增加額外制造工序的情況下，通過改變半導(dǎo)體橋的橋膜形狀來改進(jìn)不足，提高其抗靜電的能力。

1　靜電作用于半導(dǎo)體橋的分析及半導(dǎo)體橋的設(shè)計

對于尖角型半導(dǎo)體橋，在靜電對半導(dǎo)體橋橋膜的實際作用過程中，由于V形尖角的存在，通過橋表面各處的電流密度不是均勻分布的。因此有必要研究不同形狀的橋膜在靜電作用下、不同位置的溫度變化情況。根據(jù)靜電對半導(dǎo)體橋作用的電-熱分析，可以將靜電放電過程等效為儲能電阻（負(fù)載）電容放電過程，為了簡化分析其作用過程，做如下假設(shè)：（1）假設(shè)靜電作用未使半導(dǎo)體橋爆發(fā)，且作用過程中橋膜溫度在厚度方向上處處相等；（2）由于靜電作用時間極快，因此不考慮橋膜上熱量的損失和電路損耗；（3）半導(dǎo)體橋橋膜溫度升高的能量全部由靜電放電產(chǎn)生的焦耳熱提供；（4）橋膜的左右邊界初始溫度為環(huán)境溫度，能量在兩種材料的交界面處以熱的形式進(jìn)行交換。

基于以上假設(shè)，半導(dǎo)體橋橋膜溫度升高主要來源于靜電放電形成的電流帶來的焦耳熱，因此只要分析在靜電作用下電流密度的分布情況就可以大致得到溫度變化的分布狀況。電流密度大的地方，顯然其溫度的升高就會更快，更容易產(chǎn)生損傷甚至發(fā)火。由于是電容放電，電流I是隨時間t變化的，并且橋膜電流密度J滿足熱傳導(dǎo)類型的偏微分方程：

式（1）中k=1/（μm·σ），σ為半導(dǎo)體橋的電導(dǎo)率，μm為半導(dǎo)體橋的磁導(dǎo)率。而電流密度和電流的關(guān)系滿足微分方程：

根據(jù)式（1）～（2）外加邊界條件，就可以得知電流密度在橋區(qū)空間上的分布。圖1（a）所示為現(xiàn)有的尖角型半導(dǎo)體橋的橋形狀，其形狀特征為在長方形的上下兩個邊上分別截去一個三角形，使其在兩頭呈現(xiàn)出對稱的V形尖角。對于尖角型的半導(dǎo)體橋，在尖角處其電流密度最大、溫度升高最快，在靜電放電時最容易在此產(chǎn)生損傷，而尖角處急劇的曲率變化是導(dǎo)致上述結(jié)果的原因。為了盡可能地使橋表面各處電流密度均勻分布，本研究將尖角型半導(dǎo)體橋的V形尖角設(shè)計成圓弧形，在避免尖端出現(xiàn)的同時又不影響橋區(qū)中間區(qū)域電流密度整體上的增加，具體形狀如圖1（b）所示。

圖1　兩種半導(dǎo)體橋的橋形狀示意圖Fig.1　Images of two kinds of semiconductor bridges

2　實驗

2.1樣品參數(shù)

尖角型與圓弧型半導(dǎo)體橋的尺寸統(tǒng)一為80μm× 380μm×2μm的“H”型重?fù)诫s復(fù)合半導(dǎo)體橋，電阻約為1?。

2.2實驗儀器

JGY-50Ⅲ靜電感度測試儀，KH-7700三維視屏顯微鏡，ALG-CNI儲能放電起爆儀，LeCroy44Xs示波器，直流穩(wěn)壓電源，儲能電容，電阻，REDLAKE HG-100K高速攝像機(jī)。

2.3實驗過程

為了測試半導(dǎo)體橋的抗靜電性能，通常采用在串聯(lián)電阻情況下，以電容放電實驗來模擬靜電放電對半導(dǎo)體橋的影響，圖2為半導(dǎo)體橋電容充放電靜電實驗電路圖。

具體實驗步驟為：分別將相同規(guī)格的尖角型與圓弧型半導(dǎo)體橋在10 000pF電容、25kV電壓并且串聯(lián)5 000?電阻條件下，利用靜電感度儀進(jìn)行靜電測試。

圖2　半導(dǎo)體橋靜電實驗電路原理圖Fig.2　Circuit diagram of electrostatic experiment for semiconductor bridge

為了檢測靜電沖擊前后靜電對半導(dǎo)體橋的損傷程度，利用儲能放電起爆儀在33μF電容、19V充電電壓的測試條件下，分別對兩種類型的半導(dǎo)體橋進(jìn)行靜電沖擊前后的發(fā)火性能對比試驗，利用示波器記錄半導(dǎo)體橋上的電流電壓變化過程與發(fā)火時間，并利用高速攝影機(jī)對圓弧型半導(dǎo)體橋靜電沖擊前后的發(fā)火過程進(jìn)行采集。

3　結(jié)果與討論

3.1尖角型與圓弧型半導(dǎo)體橋的靜電測試

分別將5發(fā)相同規(guī)格的尖角型與圓弧型半導(dǎo)體橋在10 000pF電容、25kV電壓并且串聯(lián)5 000?電阻條件下，利用靜電感度儀做靜電測試，并在顯微鏡下觀察。發(fā)現(xiàn)在此條件下尖角型半導(dǎo)體橋有3發(fā)尖角處的材料被汽化，其橋區(qū)在靜電后呈現(xiàn)對稱性的燒蝕現(xiàn)像，如圖3（a）所示，而圓弧型半導(dǎo)體橋5發(fā)全部完好無損，其橋區(qū)靜電沖擊后的照片如圖3（b）所示。

圖3　兩種半導(dǎo)體橋靜電作用后照片F(xiàn)ig.3　Pictures of two kinds of semiconductor bridge after electrostatic experiment

由圖3可見在相同條件下的靜電沖擊后，尖角型半導(dǎo)體橋橋區(qū)出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，而圓弧型半導(dǎo)體橋沒有出現(xiàn)此現(xiàn)象。根據(jù)靜電對半導(dǎo)體橋的電-熱分析可知，半導(dǎo)體橋橋膜溫度升高主要來源于靜電放電形成的電流帶來的焦耳熱。對于尖角型半導(dǎo)體橋，電流流過半導(dǎo)體橋橋區(qū)時在兩個尖角處電流密度最大，因此產(chǎn)生的熱也最多，當(dāng)靜電沖擊達(dá)到一定強(qiáng)度時，靜電放電產(chǎn)生的熱量會使得兩個尖角區(qū)域最先熔化而受到損傷，呈現(xiàn)對稱性的燒蝕現(xiàn)象，文獻(xiàn)［6］的實驗結(jié)果也驗證了上述情況的發(fā)生。而圓弧型半導(dǎo)體橋克服了尖角型半導(dǎo)體橋在尖角處電流密度過于集中的問題，其橋區(qū)的電流密度比較均勻，從而導(dǎo)致靜電產(chǎn)生的熱量在橋區(qū)分布不集中，因此圓弧型半導(dǎo)體橋能夠較好地經(jīng)受靜電的沖擊。

3.2尖角型與圓弧型半導(dǎo)體橋的發(fā)火性能試驗

半導(dǎo)體橋在33μF電容、19V電壓放電條件下的電流、電壓變化的典型曲線如圖4所示。

圖4　半導(dǎo)體橋電壓、電流隨時間的變化曲線Fig.4　The time vs voltage and time vs current curves of semiconductor bridge

由文獻(xiàn)［4］可知：半導(dǎo)體橋在電流的作用下硅橋因焦耳熱迅速熔化、汽化并在電場的作用下形成等離子體。參考文獻(xiàn)［4］，規(guī)定電容開始放電的時刻為t0，半導(dǎo)體橋發(fā)火生成等離子體的時刻為t1，電容對半導(dǎo)體橋停止作用的時刻為t2，由于在實際應(yīng)用中，半導(dǎo)體橋上通常都有藥劑，故規(guī)定所有的發(fā)火時間均取電容開始放電（t0）到電容對半導(dǎo)體橋停止作用為止（t2）之間的時間差，即t2-t0。

取尖角型和圓弧型半導(dǎo)體橋各6發(fā)樣品，測試其在靜電沖擊前后在33μF電容、19V電壓放電條件下發(fā)火所需的時間，其中每種樣品中的3發(fā)沒受靜電沖擊，而另3發(fā)被靜電沖擊，半導(dǎo)體橋發(fā)火所需時間的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　半導(dǎo)體橋發(fā)火時間測試結(jié)果Tab.1　Test data of firing time of semiconductor bridge

從表1中對應(yīng)的數(shù)據(jù)可以看出，在33μF電容、19V電壓的試驗條件下，圓弧型在靜電前后的平均發(fā)火時間分別為25.16μs與24.99μs，幾乎沒有變化，但是尖角型在靜電前后的平均發(fā)火時間分別為24.86μs與28.18μs，發(fā)生了11.78%的延遲，遠(yuǎn)大于圓弧型的-0.68%的延遲。造成這種情況的原因是靜電作用使得尖角型橋區(qū)的部分硅材料發(fā)生熔化，橋膜受到損傷，因此對輸入的電流脈沖的響應(yīng)變得鈍感，導(dǎo)致發(fā)火時間延長。由此可得到：圓弧型半導(dǎo)體橋的點(diǎn)火性能相比尖角型受靜電作用的影響更小。

3.3圓弧型半導(dǎo)體橋靜電前后發(fā)火過程比較

對靜電作用前后的圓弧型半導(dǎo)體橋分別進(jìn)行發(fā)火試驗，并利用高速攝像機(jī)記錄其發(fā)火過程，圖5分別為圓弧型半導(dǎo)體橋靜電沖擊前后發(fā)火過程照片。

圖5　圓弧型半導(dǎo)體橋靜電沖擊前后發(fā)火過程的高速照片F(xiàn)ig.5　High-speed photos of ignition process of arc-shaped semiconductor bridge before and after electrostatic experiment

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，靜電作用前后圓弧型半導(dǎo)體橋均能夠發(fā)火，這表明了圓弧型半導(dǎo)體橋在靜電作用后發(fā)火性能沒有改變。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，靜電沖擊后的高速照片中火花尺寸較靜電沖擊前的小，這是由于高速攝影采集照片的時間為50μs/幀，而半導(dǎo)體橋的發(fā)火持續(xù)時間較短，因此不能保證每次高速攝影采集到的圖像為半導(dǎo)體橋發(fā)火產(chǎn)生最大火花瞬間的圖像。今后通過采用間隔時間更短的高速攝像機(jī)以解決上述問題。

4　結(jié)論

（1）由于尖角型即V型半導(dǎo)體橋的尖角處電流密度最大，升溫最快，最容易受到靜電損傷，故在受到靜電沖擊后尖角處出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，而圓弧型半導(dǎo)體橋由于電流密度比較均勻，未出現(xiàn)此現(xiàn)象，防靜電能力強(qiáng)。

（2）通過靜電沖擊前后發(fā)火性能試驗，可知尖角型半導(dǎo)體橋在靜電后發(fā)火時間延長，推遲百分比為11.78%，而圓弧型半導(dǎo)體橋發(fā)火時間推遲百分比為-0.68%，受靜電影響較小。

（3）利用高速攝像機(jī)對圓弧型半導(dǎo)體橋進(jìn)行靜電沖擊前后發(fā)火過程記錄，得知其在靜電沖擊前后均出現(xiàn)火光，其點(diǎn)火性能沒有改變。

［1］ 楊潔，馬宏萱，王海.電火工品防靜電結(jié)構(gòu)的研究［J］.火工品，2003（2）∶40-43.

［2］劉西廣，徐振相.半導(dǎo)體橋火工品的發(fā)展［J］.爆破器材，1995，24（4）∶12-17.

［3］張文超，張偉，徐振相，等.半導(dǎo)體橋的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢［J］.爆破器材，2009，38（2）∶21-24.

［4］張文超，王文，周彬，等.半導(dǎo)體橋生成等離子體溫度的測量［J］.含能材料，2009，17（3）∶344-348.

［5］張文超，葉家海，秦志春，等.半導(dǎo)體橋電爆過程的能量轉(zhuǎn)換測量與計算［J］.含能材料，2008，16（5）∶564-566.

［6］郭曉榮.半導(dǎo)體橋火工品靜電危害特性研究［D］.南京∶南京理工大學(xué)，2012.

Research of Electrostatic Reinforcement for Semiconductor Bridge Chip

LI Jing， ZHANG Wen-chao， QIN Zhi-chun， YE Jia-hai， TIAN Gui-rong， XU Zhen-xiang
（School of Chemical Engineering， NUST， Nanjing， 210094）

An arc-shaped semiconductor bridge has been designed， in order to solve the problem that cusp-shaped one is prone to electrostatic damage due to the concentrated current density at the cusp region. The result of the electrostatic shock experiment showed that the arc-shaped semiconductor bridge was intact after electrostatic shock under the condition of 10 000pF，25kV and 5 000?. Meanwhile， the ignition time of the arc-shaped was not changed compared to that of the cusp-shaped， which has obvious delay under the condition of 33μF and 19V， and it proves that the antistatic ability of arc-shaped is enhanced without sacrificing the ignition capability.

Semiconductor bridge；Electrostatic reinforcement；Ignition

TJ450.3

A

1003-1480（2015）01-0014-04

2014-11-07

李靜（1989-），女，在讀碩士研究生，從事含能材料制備相關(guān)技術(shù)研究。

基金課題：預(yù)研基金資助（9140A05070113BQ02070）。