TVS二极管用于半导体桥静电安全性研究❋

左成林 周 彬 杜伟强

南京理工大学化工学院（江苏南京，210094）



TVS二极管用于半导体桥静电安全性研究❋

左成林 周 彬 杜伟强

南京理工大学化工学院（江苏南京，210094）

［摘 要］为了加强半导体桥（SCB）的静电安全性，利用TVS二极管抗浪涌特性，分别对经TVS二极管加固前、后的SCB进行静电安全性研究。研究结果发现：并联TVS二极管后，SCB的发火时间无显著性变化；在500 pF、不串电阻条件下，SCB在6 kV条件下均未发火，在8 kV条件下均发火；在500 pF、不串电阻条件下，TVS二极管加固后的SCB在9 kV条件下均未发火，在13 kV条件下均发火；9 kV静电作用后，TVS加固后SCB的发火时间无显著性变化。因此，TVS二极管既能不影响SCB的正常发火性能，又能有效提高SCB的静电安全性。

［关键词］半导体桥；TVS二极管；静电安全性

［分类号］ TJ450

引言

半导体桥（SCB）［1-2］是利用微电子技术发展起来的新型电火工品，具有作用迅速、体积小、发火能量低、可靠性好等优点，且具有一定的抗静电能力［3］。但是近年来，电火工品的静电安全性问题日益突出，半导体桥的静电安全性有必要得到进一步提高。

国内外研究者对电火工品的静电安全性进行了多年的研究，提出了采用静电泄放通道［4］、增加绝缘环［5］、集成齐纳二极管［6］、并联压敏电阻和TVS二极管等方法［7-8］。任钢［9］利用TVS二极管对半导体桥进行了电磁加固，在美军标和国军标静电条件下进行了静电安全性研究，TVS二极管体现出了优良的电磁防护能力。但是，在不串电阻更为严酷的静电条件下，TVS二极管的安全性目前尚未见公开报道。

本文采用TVS二极管进行静电加固（ESD），在500 pF电容、不串电阻条件下，采用TVS二极管对半导体桥火工品进行静电加固，对SCB的静电安全性进行研究。

1 试验样品

选取SMBJ10CA型号的TVS二极管用于SCB静电防护，该器件为贴片式结构，尺寸为2 mm×2 mm×0. 3 mm，峰值功率为600 W，漏电流小于5 μA，击穿电压11 V左右，外观如图1所示。具有响应快（纳秒级）、体积小、承载能力强等优良特性。本文利用TVS二极管的这些特性对SCB进行静电安全性试验。将TVS二极管与SCB通过导线连接，当静电电压高于器件的击穿电压时，TVS二极管会瞬间响应，由高阻值断路状态转为低阻值静电泄放通道，瞬间分走大量静电能力，对SCB起到很好的防护作用。典型半导体桥尺寸为100 μm×400 μm×2 μm，电阻约为1. 0 Ω，全发火能量约为5 mJ。将斯蒂芬酸铅（LTNR）涂覆在半导体桥芯片上，制成SCB火工品样品。将TVS二极管通过导线外接在SCB脚线端，如图2所示。

2 试验原理及装置

试验在500 pF、不串电阻条件下进行，静电放电对SCB的作用过程可以看成简单的R-C电路，试验原理如图3所示。图3中C为储能电容，设定充电电压，开关转向a时进行充电，开关转向b时对SCB进行放电。

试验所选用的仪器为JGY-50Ⅲ静电感度测试仪、储能电容、防爆箱等。所用药剂为LTNR，采用脚脚静电加载方式。

3 试验结果与讨论

3. 1 静电试验结果

对未防护的典型SCB在不同静电电压下进行试验，得到试验结果如表1所示。

表1 500 pF下典型SCB静电试验结果Tab. 1 500 pF electrostatic test results of typical SCB

试验结果表明，在500 pF、不串电阻条件下，SCB火工品在6 kV条件下均未发火，在7 kV条件下有4发发火，在8 kV条件下全部发火。可以发现，SCB本身具有一定的抗静电能力，临界不发火电压为6 kV，全发火电压为8 kV。

为了提高SCB静电安全性，通过TVS二极管进行加固，所得试验结果如表2所示。

表2试验结果表明，在500 pF、不串电阻条件下，TVS加固后SCB分别在7、8、9 kV下8发样品均未发火，分别在10、11、12 kV下3发样品均有1发样品发火，在13 kV下3发样品均发火。对比表1数据，在500 pF、不串电阻条件下，TVS二极管将SCB火工品不发火电压由6kV提高到9 kV，不发火静电能量由9. 00 mJ提高到20. 25 mJ，全发火电压由8 kV提高到13 kV，全发火静电能量由16. 00 mJ提高到42. 25 mJ，显著提高了SCB的抗静电能力。

表2 500 pF下TVS防护后的典型SCB静电试验结果Tab. 2 500 pF electrostatic test results of typical SCB with TVS diodes

TVS二极管具有瞬态抑制特性，具有优良的电压钳制功能，利用此特性对SCB进行静电防护。当SCB火工品受到静电脉冲时，TVS二极管瞬间响应，由高阻值断路状态转为毫欧级低阻值静电泄放通道，泄放大量静电能量，有效地保护SCB火工品。在不串电阻条件下，静电电压和静电能量相比于国军标和美军标条件下要高出许多，TVS的静电防护能力会受到一定限制。

3. 2 静电对SCB电爆性能的影响

在对SCB火工品进行防护设计时要考虑到防护措施对SCB发火性能无影响，因此，需要对防护后的电爆性能进行测试。SCB火工品经过静电作用后的性能是否发生改变也是考核静电防护措施是否有效的方法，因此，也需要对静电作用后的SCB火工品的电爆性能进行测试。

试验仪器：高速恒流起爆电源，高速数字存储示波器。试验条件：电流5 A，脉冲持续时间10 ms。将获得数据进行分析处理，得到3种样品的爆发时间，结果如表3所示。

表3 恒流发火试验结果Tab. 3 Ignition results under constant conditions

将3种火工品恒流发火时间进行t检验，比较3种火工品的发火时间是否具有显著性差异，所得结果见表4。水平α＝0. 05，样本量n1＝5、n2＝5，查t检验分布表可得t1-α/2｛n1+ n2-2＝8｝＝2. 306。

综合表3和表4结果，并联TVS二极管后，SCB火工品的发火时间均值略有增大，t检验结果无显著影响；对比静电加固前、后并联TVS的SCB火工品的发火时间、t检验结果无显著性影响。TVS二极管在击穿前处于高阻值断路状态，与SCB并联不会影响其正常发火性能；TVS加固的SCB在经受9 kV静电作用后均未发火，其发火时间无显著性变化。

表4 发火时间的t检验结果Tab. 4 t-test results of ignition time

4 结论

本文利用TVS二极管的抗浪涌特性对SCB火工品进行静电加固，在500 pF、不串电阻静电条件下研究其加固效果，得到以下结论：

1）5 A恒流发火试验结果表明，并联TVS二极管对SCB的发火时间无显著性影响。

2）500 pF、不串电阻条件下，SCB火工品临界不发火电压为6 kV，不发火静电能量为9 mJ；全发火电压为8 kV，全发火静电能量为16 mJ，表明SCB自身具有一定的抗静电能力。

3）500 pF、不串电阻条件下，TVS二极管将SCB火工品不发火电压由6 kV提高到9 kV，不发火静电能量由9. 00 mJ提高到20. 25 mJ；全发火电压由8kV提高到13 kV，全发火静电能量由16. 00 mJ提高到42. 25 mJ，显著提高了SCB的抗静电能力。

4）对9 kV静电防护后的SCB进行5 A恒流发火试验，发火时间无显著性变化。

因此，TVS作为SCB火工品静电加固的一种方式，能够显著提高SCB静电安全性。

参考文献

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

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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

作者简介：左成林（1989 -），男，硕士研究生，主要从事半导体桥点火研究。E-mail：zuochenglin86@ sina. com

通信作者：周彬（1971 -），女，博士，副研究员，主要从事半导体桥火工品研究。E-mail：zhoubin8266@ sina. com