摘要:半导体桥火工品是80年代中期引起人们的重视并开始认真研究的。本文探讨了半导体桥火工品的防静电和防射频技术。
关键词:半导体桥火工品;静电防护;射频防护
一、SCB的特性
1、电阻负温特性。对于半导体材料,随着温度的升高,一方面导电粒子的浓度增大有利于导电,另一方面导电粒子的碰撞次数增多有碍导电,这两种因素相互制约及影响,导致一开始时电阻率略有升高,但随着温度的上升,导电粒子的浓度呈指数增长,当温度超过一定值后,电阻率开始下降,从而使半导体电阻呈现负温度系数的特性。
2、边缘汽化效应。由于SCB具有电阻负温特性,温度升高,电阻下降,故当电流流经半导体桥时,桥区局部受热会导致更大的电流流过该区域,从而最高温度区将沿电流方向扩展,这种纵向不稳定的扩展过程导致了边缘汽化效应。
3、较低的熔点和电离能。由于半导体桥中硅的熔点是1410℃,而桥丝(通常为镍铬合金)的熔点为1500℃,且在相同的温度下,硅的蒸汽压比镍的大20倍,另外,多晶硅材料中的固态原子转换为带电的气态粒子所需的电离能远远低于镍铬合金之类的金属材料。
4、高安全电流和低发火能量。由于SCB与硅衬底紧密接触,硅衬底具有良好的散热性,有利于提高SCB火工品的安全电流,同时,又因半导体材料具有负的电阻温度系数,所以有利于低能量发火。
二、SCB火工品防静电、防射频技术
1、采用防静电和防射频器件或外包装材料
1)齐纳二极管。其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。齐纳二极管是利用PN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,但在临界点击穿后,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。
此外,齐纳二极管能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。若将其用于脚-壳间防静电,不仅能起到防静电的作用,同时还解决了发火能量通过该结构损失的问题。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。
2)双极性二极管。它是一种新型的防静电、防射频放电的保护装置,主要利用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。
3)其它的防护器件。另外,还可采用气体放电管、压敏电阻、TVS二极管、半导体放电管、热敏电阻和磁珠等。例如:半导体放电管(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。它是一种PNPN元件,可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SCB火工品的静电防护。当静电电压超过其雪崩电压时,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SCB火工品两端的电压箝位于一个预定值,有效保护火工品免受静电放电的损坏。而当静电电压小于雪崩电压时,放电管又会恢复到它的高阻抗状态,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。它由半导体陶瓷材料组成,温度会引起电阻的变化,主要用于SCB火工品的射频防护。当SCB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,其阻值会迅速变小,和SCB火工品并联时能分走大量的电流,从而保护火工品。当射频能量过后,电路电压恢复正常,热敏电阻又会很快恢复原来的高电阻状态,从而使线路正常运行。
4)火工品防静电、防射频包装材料。聚乙烯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,不但能热合封口,也能机械封口,而且价格低廉,适用范围广。
2、对SCB火工品的芯片进行改进。这是SCB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,因它需要对SCB芯片进行改进,所以对生产工艺水平的要求较高。
1)具有介电层的SCB。它在金属焊接区和桥区间增加了一个介电层,这个介电层有特定的击穿电压。低于其击穿电压的杂散电势可被封堵住,而高于击穿电压的电压,会击穿介电层,使电流流到SCB上,从而产生等离子体,引爆药剂。介电层的厚度和介电率决定其介电强度,通过选用不同的介电材料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。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间时,作用相当于电容器。由于介电材料的种类多,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,可用于防止连续不断的小能量射频干扰。
2)带有非线性电阻的SCB。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SCB火工品装置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。
施加给SCB火工品的电信号,在薄铝层上被转换成欧姆热,在蛇形电阻区域将欧姆热传导到底座中并耗散掉。壳体应是好的热导体,将热量耗散掉。同时,耦合到SCB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,能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。
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,主要改进SCB芯片结构与掺杂浓度,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,装置可形成直流封堵。
4)改变半导体桥的形状结构。半导体桥的结构发生变化,SCB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SCB在电磁能量作用下的误起爆。同时,这也增加了SCB火工品的发火时间和能量,所以只有在对火工品的防静电、防射频要求极高,而对发火时间和能量不作要求的情况下,才能采用这种方法。
3、与微电子电路相连接的SCB火工品
1)在SCB芯片上集成电路。因SCB芯片是用标准的半导体工艺制造的,所以能把精密电路集成安装到它上面。这个电路不光能防护火工品有静电和射频,还包括时间延迟,能在现场工程师指定的确切时间下,通过电脑控制使SCB发火。这种“灵巧”的SCB火工品只产生极小的发射振动,并能有效进行碎石,很好地满足了爆炸工程的需要。
可将该火工品设计到独特的起爆系统中,这个起爆系统还包括编程器和起爆器,带有微电子电路的SCB火工品只有接收到一个特定的数字代码,才能开始起爆、工作,但只有起爆器才能产生该数据代码,所以即使火工品直接连接到编程器,也不会起爆作用的。
2)设计保护外电路。SCB点火系统中的保护电路较重要。在突然受到大能量的电磁干扰时,保护电路可瞬时导通,将大部分具有破坏能力的能量泄放掉,从而使SCB火工品受到保护,避免发火。具体有火花隙、电抗平衡电桥电路等。
参考文献:
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