肖特基二极管防护后SCB静电安全性研究❋

黄亦斌 周 彬 王 军

南京理工大学化工学院(江苏南京，210094)

引言

半导体桥(semiconductor bridge，简称SCB)火工品是以半导体膜做点火装置，用于引爆含能材料的电火工品[1-3]。SCB火工品具有作用迅速、安全性高、可靠性高等优点，在武器系统中应用越来越广泛。随着科技的不断进步，军事技术的不断发展，各种大功率无线电设备与电磁武器的大量使用使得电磁环境愈发恶劣。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。在恶劣的电磁环境下，火工品的安全性将会急剧下降，可能会误触发，引起意外事故，造成设备的损坏以及人员的伤亡[4]。

早在1934年，国内外的研究者们就开始研究静电放电对电火工品造成的危害，并且采用设计泄放通道、增加绝缘环、并联TVS二极管[5]、并联压敏电阻[6-7]、并联激光二极管[8]等进行静电防护，以提高SCB火工品的静电安全性能。虽然上述方法具有一定的静电防护能力，但是并联上述防护器件后火工品的体积较大，无法满足火工品小型化的需求。肖特基二极管[9](Schottky barrier diode，简称SBD)是多数载流子为主要运动方式的半导体器件，具有正向导通电压较低(仅为0.4 V左右)、反向恢复时间较短(仅为纳秒量级)等明显优势。此外，SBD芯片的体积较小，并且后续能够集成到SCB芯片上，在提高火工品静电安全性能的同时，也能够满足火工品小型化、集成化的需求。

本文中，主要在美军标静电放电条件(25 kV、500 pF、500 Ω)下，并联SBD对SCB火工品进行静电防护，研究防护后SCB火工品的抗静电性能。

1 试验样品

选用图1所示的贴片式SBD对SCB火工品进行静电防护，该芯片的尺寸为2.0 mm×2.0 mm×0.5 mm，击穿电压在12 V左右，具有响应快、反向恢复时间短、体积小等优点。将SBD与SCB火工品并联，当电路受到静电放电作用时，如果静电电压超过SBD的击穿电压，SBD在瞬间被击穿，由原来的高阻抗变成低阻抗，此时静电放电的电流大部分都流经SBD，形成了对SCB的静电防护。此外，SBD的恢复时间较短，当加载在SBD上的电压低于其击穿电压时，SBD迅速恢复到高阻抗状态，能够多次耐受静电能量的冲击。

图1 SBD芯片的外观Fig.1 Appearance of Schottky Diodes used in the test

SCB 的尺寸为 100 μm(L) ×380 μm(W) ×2 μm(T)，封装后的SCB火工品的电阻约为1 Ω，发火能量约为0.5 mJ。如图2所示，将SBD芯片贴在陶瓷塞下方，通过导电胶与脚线相连。在SCB芯片表面涂装上点火药斯蒂芬酸铅(C6HN3O8Pb，LTNR)，装药质量为2 mg，使LTNR均匀覆盖在芯片表面。

图2 并联SBD的SCB外观Fig.2 Appearance of SCB parallel to Schottky Diodes

2 试验原理及装置

主要采用充电电容500 pF、串联电阻500 Ω的静电放电回路进行静电放电试验。静电试验的电路如图3所示，其中C为充电电容，电容大小为500 pF，R1为充电线路中的电阻，R2为串联的无感电阻，电阻为 500 Ω。

图3 静电放电试验电路Fig.3 Schematic of ESD test

试验装置采用JGY-50Ⅲ静电感度测试仪、QK-3型开关箱、CH85型储能高压薄膜电容、TK-60型数字高压表，试验在电压25 kV、电容500 pF、串联电阻500 Ω条件下进行，加载的方式为脚-脚间放电。

3 试验结果与讨论

3.1 静电试验结果

在电压25 kV、电容500 pF、串联电阻500 Ω试验条件下，对未经防护的SCB火工品进行静电放电试验，结果如表1所示。

表1 25 kV、500 pF、500 Ω 条件下 SCB 裸桥静电试验数据Tab.1 ESD results of SCB under the condition of 25kV，500pF and 500Ω

试验结果表明，在 25 kV、500 pF、500 Ω 的条件下，3发SCB样品全部烧蚀，SCB试验前、后的电阻发生了明显的变化。为了进一步观察静电放电试验前、后SCB桥区的变化，通过显微镜拍摄试验前、后SCB桥区的照片，如图4所示。从图4中可以看出，在美军标(25 kV、500 pF、500 Ω)条件下，SCB 桥区表面已经完全烧蚀，静电能量对SCB的性能造成了较大的影响，SCB损伤。

图4 未经防护SCB静电试验前、后桥区的外观Fig.4 Appearance of SCB before and after the electrostatic test

为了提高SCB的静电安全性能，利用SBD对其进行防护，所得试验结果如表2所示，通过显微镜拍摄试验前、后SCB桥区的照片，桥区对比的照片如图5所示。

根据SBD防护后静电试验的结果可知，在美军标(25 kV，500 pF，500 Ω)条件下，5 发 SCB 样品均未烧蚀。对静电试验前、后SCB电阻值变化进行t检验(水平区α=0.05，n1=5，n2=5，通过查表可知t1-α/2{n1＋n2-2}=2.306)，得到的结果如表 3 所示。从表3中的t检验结果可知，静电试验前、后，SCB的电阻值未发生显著性变化。对比表1中的数据，经过SBD防护后SCB的桥区未烧蚀，在(25 kV、500 pF、500 Ω)条件的静电能量冲击下，SCB没有受到损伤，性能没有产生变化，而未经防护的SCB桥区表面已经完全烧蚀，性能发生明显变化，因此，SBD能够很好地实现对SCB的静电防护。

表2 SBD防护后SCB静电试验数据Tab.2 ESD results of SCB with Schottky Diodes

SBD具有电压钳制的功能，SBD在静电作用的过程中被击穿，将电压钳制在一个较低的水平，抑制静电电压的上升。SBD被击穿后处于低阻抗状态，此时大量电流通过SBD，SBD分走大部分的静电能量，对SCB形成防护。

图5 SBD防护后SCB静电试验前、后桥区的外观Fig.5 Appearance of SCB with SchottkyDiodes before and after the test

表3 静电试验t检验结果Tab.3 T-test results of ESD experiments

3.2 静电对SCB电爆性能的影响

静电作用后SCB火工品的发火性能是否受到影响需要进一步研究。通过电容放电发火试验，研究经SBD防护的SCB火工品在静电作用后，发火性能是否产生明显变化。

试验仪器：ALG-CN1储能放电起爆仪，军用钽电容，高速数字存储示波器。试验条件：充电电容22 μF，放电电压16 V。通过Origin软件处理示波器采集到的数据，可以得到图6所示的SCB电容发火特性电参数曲线。图6中，SCB电压曲线的第二个特征峰对应的时间为SCB的爆发时间，对应的能量为SCB的发火能量，分析整理电容发火试验的数据，其结果如表4所示。

将表4中两种样品的爆发时间、发火能量进行t检验(水平区α=0.05，n1=5，n2=5，通过查表可知t1-α/2{n1＋n2-2}=2.306)，比较静电作用前、后SCB火工品的发火性能是否有显著性差异，结果如表5所示。

图6 SCB电容发火特性电参数随时间的变化Fig.6 Electrical parameters of SCB capacitor ignition characteristic changing with time

表4 电容放电发火试验数据Tab.4 Ignition results under capacitive discharge conditions

表5 发火试验t检验结果Tab.5 t-test results of ignition experiments

从表4与表5中可以看出，并联SBD防护后的SCB在静电作用后，爆发时间与发火能量略有减小，但t检验结果显示，其爆发时间与发火能量与未经过静电试验的样品相比无显著性差异，说明静电试验对其发火性能无显著性影响，同时说明SBD对SCB火工品的发火性能没有影响，而且静电防护作用明显。

4 结论

在SCB火工品的基础上，提出使用SBD对其进行静电防护，在25 kV、500 pF、500 Ω静电放电条件下研究其静电防护效果，得到的结论如下：1)未经防护的SCB桥区全部烧蚀，电阻发生明显变化，SCB受到损伤。2)SBD防护后的SCB桥区未烧蚀，静电试验前、后的电阻未发生显著性变化，SCB未损伤。3)对静电试验后的SCB进行电容发火试验，爆发时间与发火能量无显著性变化，SCB的电爆性能未受到影响。

综上，SBD能够有效地实现对SCB火工品的静电防护，且不会影响SCB的发火性能。