半导体桥火工品静电响应特性研究.pdf

火工品2023年0 8 月INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：10 0 3-148 0（2 0 2 3）0 4-0 0 19-0 52023年第4期半导体桥火工品静电响应特性研究丁跃伟，丁茂元，赵伶俐，王者军，吴瑞德，陈震（陕西应用物理化学研究所，陕西西安，7 10 0 6 1）摘要：为明确半导体桥火工品发火感度与静电感度的关系，以及并联TVS二极管时的分流规律，按照GJB5309.14-2004火工品试验方法第14部分：静电放电试验和GJB/Z377A-1994感度试验用数理统计方法对半导体桥火工品静电加载后的阻值变化、桥区损伤以及感应能量进行了测试与表征，同时对发火感度进行了测试，拟合出电压与能量方程式。结果表明：采用50%发火电压计算出的静电感度与实测静电感度的偏差约10%；静电放电经TVS二极管分流后加载到半导体桥火工品上的电流约为总电流的40%，而加载到火工品上的能量占比随静电放电电压的增大而减小。关键词：火工品；半导体桥；静电感度；发火感度；TVS二极管中图分类号：TJ45+2Research on Electrostatic Response Characteristics of Semiconductor Bridge DetonatorDING Yue-wei,DING Mao-yuan,ZHAO Ling-li,WANG Zhe-jun,WU Rui-de,CHEN Zhen(Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute,Xian,710061)Abstract:In order to clarify the relationship between the ignition sensitivity and the electrostatic sensitivity of semi-conductor bridge(SCB)detonator,as well as the current distribution law of parallel TVS diode,the resistance value change,bridge area damage,and the energy loaded on the SCB detonator were tested and characterized,according to GJB 5309.14-2004test methods for initiating detonator Part 14:electrostatic discharge test and GJB/Z377A-1994 mathematical statistical methodsfor sensitivity test.Meanwhile,the ignition sensitivity was tested,the voltage and energy equations were fitted respectivelybased on the test results.The results show that the deviation is about 10%between the calculated electrostatic sensitivity inaccordance with 50%firing voltage and the measured electrostatic sensitivity;After the electrostatic discharge is shunted byTVS diode,the current loaded on the SCB detonator is about 40%of the total current,and the energy loaded on the detonatordecreases with the increase of the electrostatic discharge voltage.Key words:Initiating explosive device;Semiconductor bridge;Electrostatic sensitivity;Ignition sensitivity;TVS diode文献标识码：AD0I:10.3969/j.issn.1003-1480.2023.04.004火工品作为武器系统的首发元件，具有功能首发性、作用敏感性等特点，是武器系统中最为敏感的元件，从生产到使用要经历储存、运输、装配、勤务、检测等过程。在其全寿命周期内，火工品可能会经历多次静电放电（ESD,Electrostatic Discharge）的冲击，静电能量的注人将对电火工品的发火性能（感度、发火时间等）以及安全性能（安全电流等）造成影响，甚至导致瞎火或意外发火1-2 。半导体桥（SemiconductorBridge，简称SCB）火工品是利用微电子制造技术，以重掺杂多晶硅桥（SCB）作为发火元件的一类新型火工品，具有发火能量低、作用时间短、可靠性高等优异性能3。国内外学者开展了大量针对半导体桥火工品抗静电性能设计的研究，提出了采用静电泄放通道、增加绝缘环、集成齐纳二极管、并联压敏电阻和TVS二极管等方法4-10 。其中TVS二极管在承受瞬间高能量脉冲时，,收稿日期：2 0 2 3-0 1-30作者简介：丁跃伟（197 7-），男，高级工程师，从事火工品技术研究。20能在极短的时间内由高阻抗变为低阻抗，吸收瞬间大电流，并把电压制到特定的水平，从而保护元器件不受损坏；而一旦电压去除，二极管即会回复到高阻抗的状态。由于TVS二极管具有电压钳位精度好、体积小、响应快等特点，在电火工品抗静电性能提升研究中应用较多，但对TVS二极管在低阻状态下的分流规律，以及电火工品发火感度与静电感度关系的研究还鲜有报道，本文针对某半导体桥火工品开展相关研究。1 试验1.1试验方案试验用半导体桥火工品结构示意图如图1所示，主要由电极、半导体桥换能元、初级装药、输出装药等组成。电极图1半导体桥火工品结构Fig.1 Structure diagram of semiconductor bridge detonator试验方案为：（1）通过静电加载前后半导体桥火工品的阻值变化、桥区损伤以及静电发火等测试，初步获得阻值变化率、桥区损伤与抗静电性能的关系；（2）分别采用静电放电模拟电路与发火测试电路，测试出不同静电电压和发火电压下试样上的感应电流，经积分获得感应能量，进而拟合出放电电压与感应能量的关系式；（3）对静电感度与发火感度进行测试，根据拟合的电压一一一能量关系式，将电压转化为能量，结合发火情况，获得发火感度与静电感度的关系；（4）采用并联TVS二极管的方式对半导体桥火工品进行加固设计，通过对比并联TVS二极管前后试样上的感应电流、感应能量，获得TVS二极管分流规律。1.2静电放电模拟电路静电放电时对电火工品的作用可以等效地看成充电到一定电压的电容器，通过一规定电阻，对被测试样放电。按照GJB5309.14-2004火工品试验方法第14部分：静电放电试验的要求进行试验，试验原丁跃伟等：半导体桥火工品静电响应特性研究V玉电源表图2 静电放电模拟电路原理图Fig.2 Schematic diagram of ESD modeling circuit1.3发火感度测试电路发火感度测试电路如图3所示，通过直流稳压电源对电容器进行充电，充电完成后，启动开关，对半导体桥火工品进行一次放电，发火电容为33F。Ri+电极塞半导体桥初级装药输出装药工图3发火电路原理图Fig.3Schematic diagram of the firing circuit2结果与讨论2.1阻值变化率、桥区损伤与抗静电性能的关系2.1.1静电放电前后试样阻值的测试结果为了明确静电放电前后半导体桥火工品阻值的变化规律，按照GJB5309.14-2004火工品试验方法第14部分：静电放电试验的要求，对半导体桥火工品电极塞进行了静电环境试验，测试了不同静电电压加载后电极塞的阻值，结果如表1所示。表1静电加载前后半导体桥火工品电极塞阻值测试结果Tab.1 Resistance of electro plug of SCB detonator before andafter electrostatic discharge电压电阻均值/2/kV静电加载前7.53.13010.03.14712.53.03015.03.02717.53.11320.03.10722.53.14025.03.09327.53.15330.03.1172023年第4期理框图见图2。试验中，将半导体桥火工品在防爆箱内按照试验要求的接线方式连接至设备输出端，然后通过直流高压电源对电容器进行充电，充电完成后，启动高压开关，对半导体桥火工品进行一次静电放电试验。等效电容为50 0 pF，等效放电电阻为48 50 Q。静电感度仪高压开关充电限流电阻放电电阻直流高压试样防爆箱电容器+试样C最大变化值最大变化静电加载后率/%3.1270.013.0930.062.9030.162.8300.242.9170.312.8400.313.2670.383.7501.129.45716.845.5105.05开关0.11.95.27.69.910.212.135.7541.5162.42023年0 8 月从表1可以看出，静电放电电压为7.5，10 kV时，阻值最大变化率小于2%，可以认为阻值基本未变；静电放电电压为12.5，15.0，17.5kV时，阻值最大变化率在5.2%9.9%之间；静电放电电压大于等于2 0 kV时，阻值最大变化率大于10%。2.1.2静电放电对半导体桥火工品桥区的损伤为了明确阻值变化与桥区损伤的关系，采用激光共聚焦显微镜OLS5000-SAF对静电加载后的半导体桥桥区形貌进行了表征，典型显微镜照片如图4所示。(a)10.0kv(c)15.0 kV图4静电放电后半导体桥显微镜照片Fig.4 Micrograph of semiconductor bridge after electrostaticdischarge从图4中可以看出，12.5kV静电放电后，桥区出现了轻微损伤，且随着放电电压的增大，桥区损伤越来越严重。结合表1的结果可以看出，阻值变化率大于5%的试样桥区会出现不同程度的损伤。2.1.3半导体桥火工品抗静电性能测试结果测试了17.5，2 0.0，2 2.5kV放电条件下半导体桥火工品发火情况，结果如表2 所示。表2 半导体桥火工品静电发火测试结果Tab.2 Electrostatic ignition test results of SCB detonator样品数/发101010从表2 中可以看出，当静电放电电压为17.5kV时，半导体桥火工品出现了发火的情况。结合表1的结果可以看出当半导体桥火工品最大阻值变化率为10%左右时，会出现发火的情况。2.2放电电压与感应能量的关系2.2.1静电放电条件下的感应能量为了获得不同静电放电电压下的感应能量，采用火工品电流环对静电放电条件下加载到半导体桥火工品电极塞上的电流进行了测试，测试到的电流经积分得到能量，结果如表3所示。表3静电放电条件下半导体桥火工品感应电流与能量测试结果Tab.3Test results of current and energy loaded on SCBdetonator under electrostatic discharge condition电压/kV12.515.017.520.022.525.027.530.0根据表3的结果拟合得到静电放电电压与加载能量的关系，如图5所示。0.14(b)12.5 kV0.120.100.080.060.040.02(d)30.0 kV10图5静电放电