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、可靠性高等優點，在武器系統中應用越來越廣泛。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境愈發惡劣。火工品作為武器系統的首發元件，具有功能首發性、作用敏感性等特點，是武器系統中最為敏感的元件。在惡劣的電磁環境下，火工品的安全性將會急劇下降，可能會誤觸發，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、并聯TVS二極管[5]、并聯壓敏電阻[6-7]、并聯激光二極管[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)等明顯優勢。此外，SBD芯片的體積較小，并且后續能夠集成到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、體積小等優點。將SBD與SCB火工品并聯，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，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型數字高壓表，試驗在電壓25 kV、電容500 pF、串聯電阻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SCB樣品全部燒蝕，SCB試驗前、后的電阻發生了明顯的變化。為了進一步觀察靜電放電試驗前、后SCB橋區的變化，通過顯微鏡拍攝試驗前、后SCB橋區的照片，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橋區的照片，橋區對比的照片如圖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 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的電阻值未發生顯著性變化。對比表1中的數據，經過SBD防護后SCB的橋區未燒蝕，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橋區表面已經完全燒蝕，性能發生明顯變化，因此，SBD能夠很好地實現對SCB的靜電防護。

表2 SBD防護后SCB靜電試驗數據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，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火工品的發火性能是否受到影響需要進一步研究。通過電容放電發火試驗，研究經SBD防護的SCB火工品在靜電作用后，發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據，可以得到圖6所示的SCB電容發火特性電參數曲線。圖6中，SCB電壓曲線的第二個特征峰對應的時間為SCB的爆發時間，對應的能量為SCB的發火能量，分析整理電容發火試驗的數據，其結果如表4所示。

將表4中兩種樣品的爆發時間、發火能量進行t檢驗(水平區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火工品的發火性能是否有顯著性差異，結果如表5所示。

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

表4 電容放電發火試驗數據Tab.4 Ignition results under capacitive discharge conditions

表5 發火試驗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SBD防護后的SCB在靜電作用后，爆發時間與發火能量略有減小，但t檢驗結果顯示，其爆發時間與發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火性能無顯著性影響，同時說明SBD對SCB火工品的發火性能沒有影響，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橋區全部燒蝕，電阻發生明顯變化，SCB受到損傷。2)SBD防護后的SCB橋區未燒蝕，靜電試驗前、后的電阻未發生顯著性變化，SCB未損傷。3)對靜電試驗后的SCB進行電容發火試驗，爆發時間與發火能量無顯著性變化，SCB的電爆性能未受到影響。

綜上，SBD能夠有效地實現對SCB火工品的靜電防護，且不會影響SCB的發火性能。