《半导体桥火工品的防静电和防射频技术_陈飞》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体桥火工品的防静电和防射频技术_陈飞（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、半导体桥火工品的防静电和防射频技术陈 飞 周 彬 秦志春 李 敏南京理工大学化工学院( 江苏南京, 210094) 武警上海政治学院( 上海, 200433) 李 鹏武警江苏总队无锡支队 ( 江苏无锡 , 214071) 摘 要 对电火工品及半导体桥火工品防静电、防射频的常用方法进行了分析和概述, 防静电方法主要是采用绝缘环或者泄放通道, 防射频方法主要是采用屏蔽和低通滤波器。 指出了现有常用技术存在的问题和今后的发展方向, 认为现有方法无法完全泄放杂散静电、很难做到无缝隙屏蔽, 或会增加火工品体积和质量。 利用微电子保护电路, 是半导体桥火工品静电和射频防护技术未来的发展方向。 关键词 半导
2、体桥火工品 电火工品 静电防护 射频防护 分类号 T J 450引言半导体桥火工品, 是指利用半导体膜 ( 或金属 半导体复合膜 ) 做发火元件, 进而发展为利用微电子集成技术 ,使火工品具有逻辑控制功能的一 类火工品,它是一种新技术的电火工品,具有发火能量低、体积小 、 作用迅速、 工艺一致性好、 易与电路匹配等优点, 且具有一定的防静电 、防射频能力 1。 国内经过二十多年的研究 ,已经有了自己的 S C B 产品 ,正在向实用阶段发展 。但是近年来静电放电危害的日益突出和电磁环境的不断恶化, 作为一种电火工品 ,特别是发火能量较小的半导体桥 ( 发火所 需能量 1 m J 以下) , 仍
3、然还是会受到静电 、 电磁波的影响, 可能会造成火工品的早炸或性能下降 ( 如发火延迟、钝感等 ) , 因此有必要采取一定的技术措施 ,来进一步增强其防静电 、 防射频能力。 1 电火工品常用的防静电 、 防射频方法1. 1 静电防护措施电火工品静电防护的传统措施包括: 在桥丝周 围增加一个绝缘环 2; 在点火药外表面涂一层耐高压的绝缘漆膜或涂导电胶在插塞外表面; 采用泄放通道, 泄放通道通常采用空气介质,其位置应远离药剂 ,在插塞中脚线的尖端或弯曲部分与壳体之间; 在 电火工品脚与壳之间并联静电泄放元件( 如微型泄放电阻 、 微型二极管、微型氖灯 ) ,以泄放静电 3; 采用半导体材料作电极
4、塞等方法 。 1. 2 射频防护措施传统的加固技术包括: 屏蔽, 利用金属盒 、 金属网等屏蔽体将电火工品及其相关发火电路包围起来, 尽量减少进入火工品的电磁能量的一种抑制干扰措施 4; 低通滤波器, 其目的是为了减少耦合到电火工品中的电磁能量, 能够提供期望的衰减值而 不影响正常发火; 采用羰基铁与铁氧体衰减材料 、 防静电阻隔材料和复合导线等方法 。上述电火工品常用的防静电 、 防射频方法,虽然 在一定程度可以起到抗电磁的作用 , 但都存在着一些缺陷与不足 ,如: 泄放通道不能确保完全泄放杂散静电 ; 由于外壳的不连续 ,要想做到无缝隙的屏蔽很难, 使得电磁能量或多或少的能进入到武器系统中
5、; 低通滤波器使用的都是分立元件 , 造成火工品的体积质量增加,同时传统的低通滤波器是可以通过直流或其它低频信号的 ,这样就不能过滤掉能使火工品偶然发火的低频信号 。 2 S C B 火工品防静电、 防射频技术S C B 火工品可以采用上述的电火工品静电和射频的加固技术 ,但因其能与数字逻辑电路相结合 ,并 可在半导体芯片上集成防静电、 防射频装置 ,它的静电和射频加固技术又有着自身的特点。国内外在这方面做了很多的研究,总的来说包括以下几种。2. 1 采用防静电、 防射频器件或外包装材料 采用防静电、 防射频器件对火工品进行防护 ,通用于电火工品以及 S C B 火工品 ,但考虑到减小联接后整
6、个火工品的体积,以及后续的结构设计等原因, 目前主要是针对 S C B 火工品进行研究的。2. 1. 1 齐纳二极管28 爆 破 器 材 E x p l o s i v eMa t e r i a l s 第 39卷第 3期收稿日期: 2009- 11- 06作者简介: 陈飞( 1985年 ) , 男, 在读博士, 主要研究方向为 S C B 火工品的防静电、防射频技术等。 E - m a i l : c h a m f l y g m a i l . c o m它主要由绝缘基片上重掺杂的多晶硅桥和并联 的齐纳二极管构成 ,其结构如图 1所示。齐纳二极管 ( 又叫稳压二极管 ) , 是利用 P
7、 N结反向击穿特性所表现出的稳压性能制成的器件, 具有箝位电压的特性。在临界反向击穿电压前 ,二极管是具有很高 电阻的半导体器件,但在这临界点击穿之后,电阻降低到一个很小的数值, 在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定 。图 1 集成齐纳二极管的 S C B美国专利 U S P 5179248和 U S P 5672841中分别 提到用齐纳二极管进行脚脚之间的射频防护和脚 壳间的静电防护 5- 6。齐纳二极管可以使电压箝位到某一固定值, 从而保护脚脚与脚 壳间不被击穿而发火,它所能承受的静电电压值为 6000 25000 V 。如果将其用于脚壳间防静电, 不仅能起 到防静电的作用 ,同时还解决
8、了发火能量通过该结构损失的问题。齐纳二极管一般用于电路中来防止作用时间短 、 电压幅度高、瞬态能量大的瞬态干扰能量对火工品的干扰。 如果进入 S C B 火工品中的电压高于发火电压而低于钳位电压 ,就有可能导致火工品误作用 ; 且由于其吸收的能量较小 ,容易出现过热情况 ,如果电压低于发火电压而达到一定值时 ,此能量就会在桥丝上不断产生热积累,从而导致 S C B 火工品瞎火。 2. 1. 2 双极性二极管双极性二极管是一种新型的防静电放电和防射频放电的保护装置, 在 2001 年的 J O U R N A LO FP R O P U L S I O NA N DP O WE R 论文中提到一
9、种用两个 肖特基二极管背靠背连接 ,直接集成到 S C B 火工品的桥区内的方法 7。它主要还是利用其二极管具有箝位电压的特性, 使其两端的电压箝位在一固定值 。其缺点包括电流负荷能力低; 二极管所能承受的瞬时脉冲是不重复的单一脉冲, 若实际电路中出 现重复性脉冲则会失效。2. 1. 3 其它的防护器件除了以上的技术措施, 研究者也对其它一些防 护器件开展了研究, 如采用气体放电管、压敏电阻、T V S 二极管、半导体放电管、热敏电阻和磁珠 8等。南京理工大学的周彬、 秦志春等人对半导体放电管、 热敏电阻以及磁珠等防护器件的性能进行了深入研究 9, 目前已经通过了其性能的实验验证, 正在努力减
10、小火工品整体的体积和优化制造工艺, 向实用阶段发展 。 例如半导体放电管 ( 也称固体放电管 ) ,是基于可控硅的原理和结构的一种二端负阻器件 ,是 S G S -T H O M S O N 公司于 1989年首先推出的 10。它是一种 P N P N 元件 ,可以被看作是一个无门电极的自由 电压控制的可控硅 ,主要用于 S C B 火工品的静电防护。当静电电压超过它的雪崩电压时 ,半导体放电管由于负阻效应进入导通状态, 吸收大量的静电电 压, 使 S C B 火工品两端的电压箝位于一个预定值,有效地保护火工品免受静电放电的损坏 。而当静电电压小于它的雪崩电压时, 放电管又会恢复到它的高阻抗状
11、态,不影响火工品的正常作用 。 热敏电阻是开发早 、 种类多、发展较成熟的敏感元器件。它是由半导体陶瓷材料组成 ,温度会引起电阻的变化 11, 主要用于 S C B 火工品的射频防护。 当 S C B 火工品受到射频能量冲击时 ,其温度会逐渐升高 。当温度上升到一定值时, 热敏电阻会感应到这个高温 ,它的阻值会迅速地变小 , 和 S C B 火工品并联时就可以分走大量的电流, 从而对火工品起到 保护作用 。当射频能量过后 ,电路电压恢复正常 ,热敏电阻又会很快地恢复原来的高电阻状态, 使得线路正常运行。 2. 1. 4 火工品防静电、 防射频包装材料山西北方晋东化工有限公司将油炉法炭黑和聚乙烯
12、树脂混炼造粒 ,得到半导电粒子,经三层共挤吹膜工艺和电晕处理技术, 制得表面能抗电磁的聚乙 烯薄膜 12。该薄膜可与其它基材可靠复合成机械物理性能优异的防静电软塑包装复合材料, 起到良好的静电 、 电磁和机械物理防护作用 。该材料集高阻气性、 高机械强度于一体 , 体质柔软 ,不仅可以热 合封口,也可以机械封口, 而且价格低廉 ,适用范围广。2. 2 对 S C B 火工品的芯片进行改进 这是 S C B 火工品防静电 、防射频专用的技术,不适用于其它的电火工品, 因为它需要对 S C B 芯片进行改进 ,所以对生产工艺水平的要求也比较高 。2. 2. 1 具有介电层的 S C B 它是在金属
13、焊接区和桥区间增加了一个介电292010年 6月 半导体桥火工品的防静电和防射频技术 陈 飞等 层 ,这个介电层有特定的击穿电压( 可在 10 1000 V 之间 ) 13。低于其击穿电压的杂散电势可以被封堵住, 而高于击穿电压的电压, 会击穿介电层 , 使电 流流到 S C B 上 , 从而产生等离子体 , 引爆药剂 。介电层的厚度和它的介电率决定其介电强度 , 通过选用不同的介电材料以及采用不同厚度的介电层 ,能 对介电层的击穿电压进行调控 。其结构如图 2。图 2 带有电压保护的半导体桥介电层采用的介电材料是电的绝缘材料 , 当它处于金属焊接区和桥区之间时 ,作用相当于电容器 。由于介电
14、材料的种类很多 , 所以介电层的击穿电压 易于控制; 介电层是集成在半导体芯片上 ,并没有增加火工品的体积 ,它可以用于防止连续不断的小能 量的射频干扰。2. 2. 2 带有非线性电阻的 S C B当电阻两端的电压与流过的电流不成比例关系 时 ,伏安特性就会是条曲线, 电阻不是一个常数 ,随电压、电流而变动 ,称之为非线性电阻 。带有非线性 电阻的 S C B 火工品装置是由绝缘导热基片上两段蛇形金属薄膜电阻和中间蝴蝶结形半导体桥电阻串联组成 ,结构示意图如图 3所示 14- 15。图 3 带非线性电阻的半导体桥施加给 S C B 火工品的电信号, 在薄铝层上被转 换成欧姆热 ,在蛇形电阻区域
15、将欧姆热传导到底座中并耗散掉 。壳体应该是好的热导体, 将热量耗散 掉 。与此同时,耦合到 S C B 火工品中的射频信号在蝴蝶结区域会被衰减 ,这两种作用加起来 ,可以使蝴蝶结区域保持较低的温度 , 防止电火工品因射频而 意外发火。但是为了起爆这个火工品, 必须使用具有足够长周期的发火电流, 这样也增加了其发火电 流。2. 2. 3 结型半导体桥火工品结型半导体是一种新型 、 单片固态式的结构 ,主要是对 S C B 芯片结构与掺杂浓度进行了改进 ,该结构对静电和射频放电钝感, 并且由于产生了背靠背 二极管,装置可以形成直流封堵 16。典型的结型半导体的结构如图 4所示 。图 4 结型半导体
16、结构简图将 330 m厚的 n 型硅衬底两面抛光并清洁干 净, 接着将其插入到扩散炉中以使得 p 型掺杂剂扩散到衬底的顶部和底部。这个扩散的 p+区域在衬底的两面和 n 型硅区域构成了 p n 结 ,形成了背靠背二极管。然后把金属淀积到装置的两面以形成电接触, 构成金属电极, 最后再将 n 型硅衬底裁剪成如图4所示的正方形形状。这样便形成了结型半导体芯 片。2. 2. 4 改变半导体桥的形状结构半导体桥的结构发生变化, S C B 的电爆性能也将随之发生改变。改变桥中间尖角的角度为 60 或120 ,减小尖角的深度和尖角的数量 , 有利于防止S C B 在电磁能量作用下的误起爆 17。但是这也同时增加了 S C B 火工品的发火时间和发火能量 ,所以 只有在对火工品的防静电、 防射频要求极高 ,而对发火时间和发
