肖特基二極管防護后SCB靜電安全性研究?

黃亦斌 周 彬 王 軍

南京理工大學化工學院(江蘇南京，210094)

引言

半導體橋(semiconductor bridge，簡稱SCB)火工品是以半導體膜做點火裝置，用于引爆含能材料的電火工品[1-3]。SCB火工品具有作用迅速、安全性高、可靠性高等優(yōu)點，在武器系統(tǒng)中應用越來越廣泛。隨著科技的不斷進步，軍事技術的不斷發(fā)展，各種大功率無線電設備與電磁武器的大量使用使得電磁環(huán)境愈發(fā)惡劣?；鸸て纷鳛槲淦飨到y(tǒng)的首發(fā)元件，具有功能首發(fā)性、作用敏感性等特點，是武器系統(tǒng)中最為敏感的元件。在惡劣的電磁環(huán)境下，火工品的安全性將會急劇下降，可能會誤觸發(fā)，引起意外事故，造成設備的損壞以及人員的傷亡[4]。

早在1934年，國內外的研究者們就開始研究靜電放電對電火工品造成的危害，并且采用設計泄放通道、增加絕緣環(huán)、并聯(lián)TVS二極管[5]、并聯(lián)壓敏電阻[6-7]、并聯(lián)激光二極管[8]等進行靜電防護，以提高SCB火工品的靜電安全性能。雖然上述方法具有一定的靜電防護能力，但是并聯(lián)上述防護器件后火工品的體積較大，無法滿足火工品小型化的需求。肖特基二極管[9](Schottky barrier diode，簡稱SBD)是多數(shù)載流子為主要運動方式的半導體器件，具有正向導通電壓較低(僅為0.4 V左右)、反向恢復時間較短(僅為納秒量級)等明顯優(yōu)勢。此外，SBD芯片的體積較小，并且后續(xù)能夠集成到SCB芯片上，在提高火工品靜電安全性能的同時，也能夠滿足火工品小型化、集成化的需求。

本文中，主要在美軍標靜電放電條件(25 kV、500 pF、500 Ω)下，并聯(lián)SBD對SCB火工品進行靜電防護，研究防護后SCB火工品的抗靜電性能。

1 試驗樣品

選用圖1所示的貼片式SBD對SCB火工品進行靜電防護，該芯片的尺寸為2.0 mm×2.0 mm×0.5 mm，擊穿電壓在12 V左右，具有響應快、反向恢復時間短、體積小等優(yōu)點。將SBD與SCB火工品并聯(lián)，當電路受到靜電放電作用時，如果靜電電壓超過SBD的擊穿電壓，SBD在瞬間被擊穿，由原來的高阻抗變成低阻抗，此時靜電放電的電流大部分都流經SBD，形成了對SCB的靜電防護。此外，SBD的恢復時間較短，當加載在SBD上的電壓低于其擊穿電壓時，SBD迅速恢復到高阻抗狀態(tài)，能夠多次耐受靜電能量的沖擊。

圖1 SBD芯片的外觀Fig.1 Appearance of Schottky Diodes used in the test

SCB 的尺寸為 100 μm(L) ×380 μm(W) ×2 μm(T)，封裝后的SCB火工品的電阻約為1 Ω，發(fā)火能量約為0.5 mJ。如圖2所示，將SBD芯片貼在陶瓷塞下方，通過導電膠與腳線相連。在SCB芯片表面涂裝上點火藥斯蒂芬酸鉛(C6HN3O8Pb，LTNR)，裝藥質量為2 mg，使LTNR均勻覆蓋在芯片表面。

圖2 并聯(lián)SBD的SCB外觀Fig.2 Appearance of SCB parallel to Schottky Diodes

2 試驗原理及裝置

主要采用充電電容500 pF、串聯(lián)電阻500 Ω的靜電放電回路進行靜電放電試驗。靜電試驗的電路如圖3所示，其中C為充電電容，電容大小為500 pF，R1為充電線路中的電阻，R2為串聯(lián)的無感電阻，電阻為 500 Ω。

圖3 靜電放電試驗電路Fig.3 Schematic of ESD test

試驗裝置采用JGY-50Ⅲ靜電感度測試儀、QK-3型開關箱、CH85型儲能高壓薄膜電容、TK-60型數(shù)字高壓表，試驗在電壓25 kV、電容500 pF、串聯(lián)電阻500 Ω條件下進行，加載的方式為腳-腳間放電。

3 試驗結果與討論

3.1 靜電試驗結果

在電壓25 kV、電容500 pF、串聯(lián)電阻500 Ω試驗條件下，對未經防護的SCB火工品進行靜電放電試驗，結果如表1所示。

表1 25 kV、500 pF、500 Ω 條件下 SCB 裸橋靜電試驗數(shù)據Tab.1 ESD results of SCB under the condition of 25kV，500pF and 500Ω

試驗結果表明，在 25 kV、500 pF、500 Ω 的條件下，3發(fā)SCB樣品全部燒蝕，SCB試驗前、后的電阻發(fā)生了明顯的變化。為了進一步觀察靜電放電試驗前、后SCB橋區(qū)的變化，通過顯微鏡拍攝試驗前、后SCB橋區(qū)的照片，如圖4所示。從圖4中可以看出，在美軍標(25 kV、500 pF、500 Ω)條件下，SCB 橋區(qū)表面已經完全燒蝕，靜電能量對SCB的性能造成了較大的影響，SCB損傷。

圖4 未經防護SCB靜電試驗前、后橋區(qū)的外觀Fig.4 Appearance of SCB before and after the electrostatic test

為了提高SCB的靜電安全性能，利用SBD對其進行防護，所得試驗結果如表2所示，通過顯微鏡拍攝試驗前、后SCB橋區(qū)的照片，橋區(qū)對比的照片如圖5所示。

根據SBD防護后靜電試驗的結果可知，在美軍標(25 kV，500 pF，500 Ω)條件下，5 發(fā) SCB 樣品均未燒蝕。對靜電試驗前、后SCB電阻值變化進行t檢驗(水平區(qū)α=0.05，n1=5，n2=5，通過查表可知t1-α/2{n1＋n2-2}=2.306)，得到的結果如表 3 所示。從表3中的t檢驗結果可知，靜電試驗前、后，SCB的電阻值未發(fā)生顯著性變化。對比表1中的數(shù)據，經過SBD防護后SCB的橋區(qū)未燒蝕，在(25 kV、500 pF、500 Ω)條件的靜電能量沖擊下，SCB沒有受到損傷，性能沒有產生變化，而未經防護的SCB橋區(qū)表面已經完全燒蝕，性能發(fā)生明顯變化，因此，SBD能夠很好地實現(xiàn)對SCB的靜電防護。

表2 SBD防護后SCB靜電試驗數(shù)據Tab.2 ESD results of SCB with Schottky Diodes

SBD具有電壓鉗制的功能，SBD在靜電作用的過程中被擊穿，將電壓鉗制在一個較低的水平，抑制靜電電壓的上升。SBD被擊穿后處于低阻抗狀態(tài)，此時大量電流通過SBD，SBD分走大部分的靜電能量，對SCB形成防護。

圖5 SBD防護后SCB靜電試驗前、后橋區(qū)的外觀Fig.5 Appearance of SCB with SchottkyDiodes before and after the test

表3 靜電試驗t檢驗結果Tab.3 T-test results of ESD experiments

3.2 靜電對SCB電爆性能的影響

靜電作用后SCB火工品的發(fā)火性能是否受到影響需要進一步研究。通過電容放電發(fā)火試驗，研究經SBD防護的SCB火工品在靜電作用后，發(fā)火性能是否產生明顯變化。

試驗儀器：ALG-CN1儲能放電起爆儀，軍用鉭電容，高速數(shù)字存儲示波器。試驗條件：充電電容22 μF，放電電壓16 V。通過Origin軟件處理示波器采集到的數(shù)據，可以得到圖6所示的SCB電容發(fā)火特性電參數(shù)曲線。圖6中，SCB電壓曲線的第二個特征峰對應的時間為SCB的爆發(fā)時間，對應的能量為SCB的發(fā)火能量，分析整理電容發(fā)火試驗的數(shù)據，其結果如表4所示。

將表4中兩種樣品的爆發(fā)時間、發(fā)火能量進行t檢驗(水平區(qū)α=0.05，n1=5，n2=5，通過查表可知t1-α/2{n1＋n2-2}=2.306)，比較靜電作用前、后SCB火工品的發(fā)火性能是否有顯著性差異，結果如表5所示。

圖6 SCB電容發(fā)火特性電參數(shù)隨時間的變化Fig.6 Electrical parameters of SCB capacitor ignition characteristic changing with time

表4 電容放電發(fā)火試驗數(shù)據Tab.4 Ignition results under capacitive discharge conditions

表5 發(fā)火試驗t檢驗結果Tab.5 t-test results of ignition experiments

從表4與表5中可以看出，并聯(lián)SBD防護后的SCB在靜電作用后，爆發(fā)時間與發(fā)火能量略有減小，但t檢驗結果顯示，其爆發(fā)時間與發(fā)火能量與未經過靜電試驗的樣品相比無顯著性差異，說明靜電試驗對其發(fā)火性能無顯著性影響，同時說明SBD對SCB火工品的發(fā)火性能沒有影響，而且靜電防護作用明顯。

4 結論

在SCB火工品的基礎上，提出使用SBD對其進行靜電防護，在25 kV、500 pF、500 Ω靜電放電條件下研究其靜電防護效果，得到的結論如下：1)未經防護的SCB橋區(qū)全部燒蝕，電阻發(fā)生明顯變化，SCB受到損傷。2)SBD防護后的SCB橋區(qū)未燒蝕，靜電試驗前、后的電阻未發(fā)生顯著性變化，SCB未損傷。3)對靜電試驗后的SCB進行電容發(fā)火試驗，爆發(fā)時間與發(fā)火能量無顯著性變化，SCB的電爆性能未受到影響。

綜上，SBD能夠有效地實現(xiàn)對SCB火工品的靜電防護，且不會影響SCB的發(fā)火性能。