微型半导体桥电容抗静电加固技术研究

李黎明，尹国福，姚洪志，纪向飞，王静雅

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

半导体桥（Semiconductor Bridge，简称SCB）火工品是利用半导体膜（或金属-半导体复合膜）作为发火元件进行引燃、起爆作用的新技术火工品，SCB作为换能元，具有发火能量低、作用时间快、安全性好等特点[1-4]，其具有一定的抗静电、抗射频能力[5-6]。但当 SCB处于强静电、射频环境中时，仍不可避免地遭受到静电与射频的危害。陈飞等人采用绝缘环或者泄放通道的方式研究了半导体桥火工品的防静电和射频技术[7]。穆丽军等人[8]在分析电火工品静电作用机理的基础上，利用瞬态脉冲试验原理研究了ESD对电火工品的性能影响，并指出经过 ESD试验后，电火工品温升值变大，平均作用时间变长，提出了可以用瞬态脉冲试验法检测经 ESD后电火工品的性能变化。常悦等[9]通过测量电火工品桥丝在电磁环境下的温度变化，利用传感器测得桥丝温度与调理器输出的感应电压的关系，测量出桥丝上的感应电压，进而对电火工品进行 ESD的效应评估。国外利用二极管具有箝位电压的特性，或利用集成技术对 SCB芯片进行改进，对 SCB火工品进行了电磁加固。如把齐纳二极管或者双性二极管集成到桥区内[10-12]，带具有非线性电阻或者具有电压保护功能的SCB[13-14]，与微电子电路相连接等方法。本文依据国军标静电测试的规定，实验研究了 SCB在强静电放电脉冲作用下的损伤情况，并针对桥区损伤问题，采用抗静电电容对SCB进行加固并进行实验验证。

1 半导体桥静电电压损伤特性

虽然半导体桥芯片本身具有一定的抗静电能力，但是在强静电放电脉冲的作用下仍不可避免地产生损伤，尤其桥区尺寸变小时，半导体桥就越容易受到静电损伤，并且不同尺寸的半导体桥，由于电阻不同受到静电损伤的程度也不同。经实验得，SCB外形尺寸为 810μm×810μm，桥区尺寸为 260μm×60μm，电阻1Ω，通过25kV (500pF，5kΩ)静电放电后桥区无损伤；外形尺寸为 950μm×700μm，桥区尺寸为85μm×60μm，电阻 3Ω，通过 25kV (500pF，5kΩ)静电放电后桥区损伤较严重。

为了获得微型 SCB在强静电放电脉冲作用下产生损伤的最小静电放电电压，以及不同静电电压作用后 SCB电阻的变化情况，本文采用不断降低静电放电电压的方式，将静电放电电压从30kV降至16kV，来模拟桥区尺寸为85μm×60μm的半导体桥在静电放电下的损伤过程。实验结果表明半导体桥电阻随着静电电压的逐渐减小而减小，在静电电压降至一定程度后，电阻变大，如图1所示。

图1 半导体桥电阻变化曲线图Fig.1 Curve of SCB resistance change

SCB静电作用后的显微镜照片如图2所示，照片表明，静电作用后，最先受到损伤的为桥的尖角区域，随静电放电电压的增大，桥区中间部位也受到损伤；当静电电压比较小时，桥区的两个尖角区域呈现对称性的烧蚀，随着静电电压的增大，桥区表面烧蚀越来越严重，由尖端处向桥区中间扩展。桥区静电损伤后的电镜照片如图3所示。由图3分析可知半导体桥在尖端处已经产生了硅裂。这是由于静电放电能量进入半导体桥，当电流经过桥的尖角时，横截面变小，电流密度变大，从而使得该处产生的热量最高，桥区尖角处的温度高于多晶硅的沸点，尖角处的材料被汽化，从而半导体桥桥区处的尖角首先受到烧蚀，使得半导体桥火工品出现意外起爆或影响其发火性能。

图3 半导体桥静电作用后电镜照片Fig.3 SEM of SCB after electrostatic damage

2 电容-半导体桥抗静电测试

2.1 理论分析

考虑如图4所示的电路结构，1个阻值为R的SCB电阻与1个电容C并联，并由一个电流源I(t)所驱动。

图4 带电容的SCB电路Fig.4 SCB circuit with shunting capacitor

图5 直流工作电路Fig.5 DC circuit

当电流源是DC源时，电容相当于断路，电流仅流过SCB电阻，如图5所示。DC源为SCB提供的是稳定的电流和电压，不会引起 SCB电阻上功率的增加，因而很难使SCB工作。

由V=IR得到流过SCB的功率：

式（1）中：V为半导体桥两端的电压；I为流过半导体桥的电流。

当电流源是AC源时，如图6所示，电容开始导电，电容的阻抗为(1Cjω)，工作电路相当于电阻与容抗的并联工作。

图6 交流工作电路Fig.6 AC circuit

当交流电的频率较低，以致RC/1＜＜ω，此时容抗远大于电阻值，因而电流源的大部分电流将流过SCB；如果频率较高，以致RC/1＞＞ω，此时的容抗会远小于电阻值，电流源的大部分电流将流过电容。某种意义上说，这种R和C共同组成的结构实现了一个低通滤波器，也就是可以阻止一切高频的信号对电阻的影响。

针对在强静电放电作用下的损伤问题，采用半导体桥并联电容的方式测试抗静电性能，其原理图如图7所示。

由于电容与半导体桥并联，从电路连接上得到电容上的电压值为：

式（3）中：C0为静电放电电容；Cx为静电保护电容；VESD静电放电电压；Vbd电容上的电压值。

图7 电容-半导体桥抗静电测试原理Fig.7 SCB antistatic test principle with shunting capacitor

由式（3）可以得到，要起到保护半导体桥不受静电影响，必须保证Cx＞＞C0。考虑降额使用，经式（3）可得：

式（4）即取0.3倍的静电保护电容值作为静电保护电容的最小耐压值。

2.2 抗静电测试

根据上述理论分析，分别对并联0.47μF、0.68μF、1.0μF和2.2μF电容的半导体桥进行抗静电测试，半导体桥尺寸为85μm×65μm，电阻为3Ω，静电电压为25kV，充电电容为500pF，串联电阻5kΩ，测试结果如表1所示。

表1 电容-半导体桥抗静电测试结果Tab.1 SCB antistatic test results with different shunting capacitor

由表1可知，25kV静电作用前后半导体桥的电阻值变化不大，只有并联 0.47μF的半导体桥的电阻有接近0.1Ω的变化。静电后的显微镜照片表明，并联 0.47μF电容的桥区尖端有少许的烧蚀，其它桥区则没有变化，如图8所示。

为了进一步研究分析并联电容的半导体桥的抗静电性能，对并联不同电容的半导体桥分别进行 10次的抗静电测试，如图9所示。

从图9分析可知，并联电容对半导体桥抗静电性能有较大的提高，但是不同的电容值对半导体桥抗静电性能有不同的影响。并联0.47μF和0.68μF的电容，静电作用10次后，桥区有明显的损伤，而并联1.0μF和1.5μF电容的半导体桥，静电作用10次后，桥区基本没有变化。因此，电容值愈大，抗静电性能越好，但电容值越大，体积越大，不容易集成，因此，选择1.0μF的电容作为抗静电电容比较理想。

3 电容-半导体桥性能测试

半导体桥并联电容后，半导体桥抗静电的性能大大增强，但并联电容后对发火电压有一定的影响，对作用时间应该也有一定的影响。

3.1 发火电压的测试

试样为外形尺寸950μm×700μm，桥区尺寸85μm×60μm，静态电阻3Ω左右的半导体桥，发火电容为10μF。

对裸半导体桥以及电容-半导体桥进行了发火测试，如表2所示。表2结果显示裸半导体桥的发火电压最低，其值为 8.9V；并联 0.47～1.5μF电容后，并联电容越大，对发火电压的影响越大，

表2 电容-半导体桥发火电压Tab.2 SCB firing voltages with different shunting capacitor

3.2 作用时间的测试

试样为外形尺寸为 950μm×700μm，桥区尺寸85μm× 60μm，静态电阻3Ω左右的半导体桥，在不同的发火电容和发火电压进行了作用时间测试，结果如图10所示。由图10可见并联电容超过1.5μF后，半导体桥发火时间有明显的延迟，而并联电容在0.47～1.0μF之间，发火延迟不明显，并且从半导体桥作用后烧蚀的程度分析，可以看出半导体桥已完全作用，如图11所示。

图10 电容-半导体桥的作用时间Fig.10 Function time of SCB with different shunting capacitor

图11 并联1.0μF电容的SCB作用后照片Fig.11 Photo of SCB with 1.0μF shunting capacitor after function

3.3 抗静电性能实验

在电容-半导体桥上涂覆斯蒂芬酸铅（LTNR）起爆药，进行静电放电实验，每种电容-半导体桥为 10发样品，静电电压25kV。静电实验结果见表3。

表3 电容-半导体桥药头静电实验结果Tab.3 Antistatic test results of SCB loaded LTNR

表 3表明，电容-半导体桥涂覆药剂后，静电没有引起半导体桥药头意外作用，说明并联电容可以增强半导体桥抗静电的性能。分析电容-半导体桥的抗静电性能、发火电压、作用时间，可以得到：并联电容越大，抗静电性能越好，但是并联电容越大，发火电压变大，作用时间延迟变长，不利于半导体桥的起爆。从并联0.47～1.5μF的电容的测试性能数据可以看出，并联1.0μF的电容，可以起到抗静电的能力，并且对发火电压、作用时间基本没有影响，因此，选择1.0μF的电容集成到半导体桥上，与半导体桥并联，能够提高半导体桥的抗静电性能。

4 总结

本文研究了半导体桥在不同强度静电脉冲电压作用下的特性，分析了产生损伤的关键原因，并采用抗静电电容与半导体桥并联的方式进行了抗静电加固以及相关的性能实验，得出以下结论：

（1）桥区尺寸为85μm×60μm的微型半导体桥在静电放电16kV时出现桥区损伤，并随静电电压增大损伤面积增大；

（2）半导体桥并联电容具有较强抗静电能力，并联不同的电容抗静电能力不同，并联电容的容值越大，抗静电能力越强，但是所需的发火电压越大，发火时间越长。因此，针对不同尺寸的半导体桥，应根据理论分析与实验以及实际性能需要来确定并联电容的容值。本文实验证明，对于桥区尺寸为 85μm×60μm的微型半导体桥，应选择1.0μF电容作为抗静电电容。

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