TVS二極管用于半導體橋靜電安全性研究?

左成林 周 彬 杜偉強

南京理工大學化工學院（江蘇南京，210094）

?

TVS二極管用于半導體橋靜電安全性研究?

左成林 周 彬 杜偉強

南京理工大學化工學院（江蘇南京，210094）

［摘 要］為了加強半導體橋（SCB）的靜電安全性，利用TVS二極管抗浪涌特性，分別對經TVS二極管加固前、后的SCB進行靜電安全性研究。研究結果發現：并聯TVS二極管后，SCB的發火時間無顯著性變化；在500 pF、不串電阻條件下，SCB在6 kV條件下均未發火，在8 kV條件下均發火；在500 pF、不串電阻條件下，TVS二極管加固后的SCB在9 kV條件下均未發火，在13 kV條件下均發火；9 kV靜電作用后，TVS加固后SCB的發火時間無顯著性變化。因此，TVS二極管既能不影響SCB的正常發火性能，又能有效提高SCB的靜電安全性。

［關鍵詞］半導體橋；TVS二極管；靜電安全性

［分類號］ TJ450

引言

半導體橋（SCB）［1-2］是利用微電子技術發展起來的新型電火工品，具有作用迅速、體積小、發火能量低、可靠性好等優點，且具有一定的抗靜電能力［3］。但是近年來，電火工品的靜電安全性問題日益突出，半導體橋的靜電安全性有必要得到進一步提高。

國內外研究者對電火工品的靜電安全性進行了多年的研究，提出了采用靜電泄放通道［4］、增加絕緣環［5］、集成齊納二極管［6］、并聯壓敏電阻和TVS二極管等方法［7-8］。任鋼［9］利用TVS二極管對半導體橋進行了電磁加固，在美軍標和國軍標靜電條件下進行了靜電安全性研究，TVS二極管體現出了優良的電磁防護能力。但是，在不串電阻更為嚴酷的靜電條件下，TVS二極管的安全性目前尚未見公開報道。

本文采用TVS二極管進行靜電加固（ESD），在500 pF電容、不串電阻條件下，采用TVS二極管對半導體橋火工品進行靜電加固，對SCB的靜電安全性進行研究。

1 試驗樣品

選取SMBJ10CA型號的TVS二極管用于SCB靜電防護，該器件為貼片式結構，尺寸為2 mm×2 mm×0. 3 mm，峰值功率為600 W，漏電流小于5 μA，擊穿電壓11 V左右，外觀如圖1所示。具有響應快（納秒級）、體積小、承載能力強等優良特性。本文利用TVS二極管的這些特性對SCB進行靜電安全性試驗。將TVS二極管與SCB通過導線連接，當靜電電壓高于器件的擊穿電壓時，TVS二極管會瞬間響應，由高阻值斷路狀態轉為低阻值靜電泄放通道，瞬間分走大量靜電能力，對SCB起到很好的防護作用。典型半導體橋尺寸為100 μm×400 μm×2 μm，電阻約為1. 0 Ω，全發火能量約為5 mJ。將斯蒂芬酸鉛（LTNR）涂覆在半導體橋芯片上，制成SCB火工品樣品。將TVS二極管通過導線外接在SCB腳線端，如圖2所示。

2 試驗原理及裝置

試驗在500 pF、不串電阻條件下進行，靜電放電對SCB的作用過程可以看成簡單的R-C電路，試驗原理如圖3所示。圖3中C為儲能電容，設定充電電壓，開關轉向a時進行充電，開關轉向b時對SCB進行放電。

試驗所選用的儀器為JGY-50Ⅲ靜電感度測試儀、儲能電容、防爆箱等。所用藥劑為LTNR，采用腳腳靜電加載方式。

3 試驗結果與討論

3. 1 靜電試驗結果

對未防護的典型SCB在不同靜電電壓下進行試驗，得到試驗結果如表1所示。

表1 500 pF下典型SCB靜電試驗結果Tab. 1 500 pF electrostatic test results of typical SCB

試驗結果表明，在500 pF、不串電阻條件下，SCB火工品在6 kV條件下均未發火，在7 kV條件下有4發發火，在8 kV條件下全部發火。可以發現，SCB本身具有一定的抗靜電能力，臨界不發火電壓為6 kV，全發火電壓為8 kV。

為了提高SCB靜電安全性，通過TVS二極管進行加固，所得試驗結果如表2所示。

表2試驗結果表明，在500 pF、不串電阻條件下，TVS加固后SCB分別在7、8、9 kV下8發樣品均未發火，分別在10、11、12 kV下3發樣品均有1發樣品發火，在13 kV下3發樣品均發火。對比表1數據，在500 pF、不串電阻條件下，TVS二極管將SCB火工品不發火電壓由6kV提高到9 kV，不發火靜電能量由9. 00 mJ提高到20. 25 mJ，全發火電壓由8 kV提高到13 kV，全發火靜電能量由16. 00 mJ提高到42. 25 mJ，顯著提高了SCB的抗靜電能力。

表2 500 pF下TVS防護后的典型SCB靜電試驗結果Tab. 2 500 pF electrostatic test results of typical SCB with TVS diodes

TVS二極管具有瞬態抑制特性，具有優良的電壓鉗制功能，利用此特性對SCB進行靜電防護。當SCB火工品受到靜電脈沖時，TVS二極管瞬間響應，由高阻值斷路狀態轉為毫歐級低阻值靜電泄放通道，泄放大量靜電能量，有效地保護SCB火工品。在不串電阻條件下，靜電電壓和靜電能量相比于國軍標和美軍標條件下要高出許多，TVS的靜電防護能力會受到一定限制。

3. 2 靜電對SCB電爆性能的影響

在對SCB火工品進行防護設計時要考慮到防護措施對SCB發火性能無影響，因此，需要對防護后的電爆性能進行測試。SCB火工品經過靜電作用后的性能是否發生改變也是考核靜電防護措施是否有效的方法，因此，也需要對靜電作用后的SCB火工品的電爆性能進行測試。

試驗儀器：高速恒流起爆電源，高速數字存儲示波器。試驗條件：電流5 A，脈沖持續時間10 ms。將獲得數據進行分析處理，得到3種樣品的爆發時間，結果如表3所示。

表3 恒流發火試驗結果Tab. 3 Ignition results under constant conditions

將3種火工品恒流發火時間進行t檢驗，比較3種火工品的發火時間是否具有顯著性差異，所得結果見表4。水平α＝0. 05，樣本量n1＝5、n2＝5，查t檢驗分布表可得t1-α/2｛n1+ n2-2＝8｝＝2. 306。

綜合表3和表4結果，并聯TVS二極管后，SCB火工品的發火時間均值略有增大，t檢驗結果無顯著影響；對比靜電加固前、后并聯TVS的SCB火工品的發火時間、t檢驗結果無顯著性影響。TVS二極管在擊穿前處于高阻值斷路狀態，與SCB并聯不會影響其正常發火性能；TVS加固的SCB在經受9 kV靜電作用后均未發火，其發火時間無顯著性變化。

表4 發火時間的t檢驗結果Tab. 4 t-test results of ignition time

4 結論

本文利用TVS二極管的抗浪涌特性對SCB火工品進行靜電加固，在500 pF、不串電阻靜電條件下研究其加固效果，得到以下結論：

1）5 A恒流發火試驗結果表明，并聯TVS二極管對SCB的發火時間無顯著性影響。

2）500 pF、不串電阻條件下，SCB火工品臨界不發火電壓為6 kV，不發火靜電能量為9 mJ；全發火電壓為8 kV，全發火靜電能量為16 mJ，表明SCB自身具有一定的抗靜電能力。

3）500 pF、不串電阻條件下，TVS二極管將SCB火工品不發火電壓由6 kV提高到9 kV，不發火靜電能量由9. 00 mJ提高到20. 25 mJ；全發火電壓由8kV提高到13 kV，全發火靜電能量由16. 00 mJ提高到42. 25 mJ，顯著提高了SCB的抗靜電能力。

4）對9 kV靜電防護后的SCB進行5 A恒流發火試驗，發火時間無顯著性變化。

因此，TVS作為SCB火工品靜電加固的一種方式，能夠顯著提高SCB靜電安全性。

參考文獻

［1］ BICKES R W，GRUBELICH M C，HAMIS J A，et al. An

overview of semiconductor bridge，SCB，applications at Sandia National Laboratories［C］/ /31st Joint Propulsion Conference and Exhibit. San Diego，CA，US，1995：2549.

［2］ 葉迎華.火工品技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2007.

［3］ NOVOTNEY D B，WELCH B M，EWICK D W. Semiconductor bridge development for enhanced ESD and RF immunity［C］/ /35th Joint Propulsion Conference and Exhibit. Los Angeles，CA，USA，1999：2417.

［4］ 趙文虎.某導彈用電點火具抗靜電技術研究［J］.火工品，200l（3）：24-27. ZHAO W H. Antistatic technology study on an electric igniter which used a missile［J］. Initiators & Pyrotechnics，200l（3）：24-27.

［5］ 馬輝，魏光輝，張龍.絕緣墊在火箭彈靜電防護中的作用［J］.北京理工大學學報，2005，25（增刊）：96-98. MA H，WEI G H，ZHANG L. Function study of insulated cushion of rocket projectile on protection from ESD ［J］. Transactions of Beijing Institute of Technology，2005，25（Suppl.）：96-98.

［6］ KING T L，TARBELL W W. Pin-to-pin electrostatic discharge protection for semiconductor bridges：SAND2002-2213［R］. 2002.

［7］ 陳飛，周彬，秦志春，等.半導體橋火工品的防靜電和防射頻技術［J］.爆破器材，2010，39（3）：28-32. CHEN F，ZHOU B，QIN Z C，et al，Anti-electrostatic and anti-RF technology of semiconductor bridge explosive devices［J］. Explosive Materials，2010，39（3）：28-32.

［8］ 周彬，王林獅，秦志春，等.一種半導體橋火工品抗靜電技術［J］.火工品，2010（2）：5-7. ZHOU B，WANG L S，QIN Z C，et al. A Method of antielectrostatic discharge for semiconductor bridge initiators ［J］. Initiators & Pyrotechnics，2010（2）：5-7.

［9］ 任鋼.半導體橋火工品電磁兼容技術研究［D］.南京：南京理工大學，2012. REN G. Research on the electromagnetism compatible technology of Semiconductor Bridge initiators［D］. Nanjing：Nanjing University of Science & Technology，2012.

Electrostatic Safety of Semiconductor Bridge with External TVS Diodes

ZUO Chenglin，ZHOU Bin，DU Weiqiang

School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology（Jiangsu Nanjing，210094）

［ABSTRACT］ In order enhance electrostatic safety of the semiconductor bridge（SCB），two kinds of SCB，including SCB and SCB with external TVS diodes，were tested in the electrostatic discharge experiment because of the surge handling capability of TVS diodes. The results show that the ignition time of SCB paralleling TVS diodes has no significant changes. On the conditions of 500 pF without series resistance，SCB does not fine at 6 kV and full fine at 8 kV，while SCB paralleling TVS diodes does not fine at 9 kV and full fine at 13 kV. Ignition time of SCB with TVS diodes has no significant changes after 9 kV electrostatic discharge experiment. It’s concluded that TVS diodes have no influence on normal ignition performance of SCB，and can improve the electrostatic safety of SCB effectively.

［KEY WORDS］ semiconductor bridges；TVS diodes；electrostatic safety

doi：10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 03. 013

收稿日期：?2015-09-25

作者簡介：左成林（1989 -），男，碩士研究生，主要從事半導體橋點火研究。E-mail：zuochenglin86@ sina. com

通信作者：周彬（1971 -），女，博士，副研究員，主要從事半導體橋火工品研究。E-mail：zhoubin8266@ sina. com