半导体桥(semiconductor bridge，SCB)是用金属半导体膜或金属-半导体复合膜作为换能元的灵巧点火器，它具有发火能量低、作用快、安全性好、工艺一致性好等优点，目前已经得到了广泛的应用[1-4]。
尽管以SCB为换能元的火工品本身已具有较好的抗静电能力[5-6]，但是静电放电(ESD)产生的电火花会造成半导体桥火工品的早爆或性能变化，从而对火工品产生危害。穆丽军等人[7]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[8]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。
在国外，W.C.Prinse[9]等人对SCB换能元进行了恒流测试，通过破坏性试验和非破坏性试验，得到：一般SCB的作用过程是固态→液态→等离子体；SCB熔化所需能量跟脉冲形状无关，并且就不发火电流和对人体静电的防护方面而言，应用前途光明。在国内，ESD对SCB的损伤研究得很少，故研究SCB在ESD前后的损伤情况和点火特性很有必要，一方面，研究结果可以作为判别暴露于电磁环境的SCB失效与否的一个判据；另一方面，SCB对ESD的响应，有其作为半导体材料和微电子器件的特殊性规律，可以为研究SCB火工品的静电防护提供一定依据。
2 SCB的作用原理及静电感度测试 2.1 SCB点火原理与装置SCB的点火机理是等离子体微对流作用[10]。具体的作用过程是：来自电源系统的脉冲电流流经半导体桥，使其加热、汽化直至击穿，形成高温(4000 K以上)、高压等离子气体；灼热的硅等离子气体颗粒通过微对流运动渗入到与其相邻的点火药中，并在点火药颗粒上凝结、把能量传递给点火药颗粒进而诱发化学反应，使其点燃[11]。
点火装置如图 1所示。
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图 1 点火实验电路图 1—放电设备，2—SCB样品，3—光探头，4—光通道，5—示波器，6—电流通道，7—电压通道 Fig.1 Ignition circuit diagram 1—discharging equipment, 2—charge, 3—optic probe, 4—light channel, 5—oscilloscope, 6—current channel, 7—voltage channel |
作用机理：ESD作用可以等效看成一个充电至一定电压的电容器在电火工品的脚线-脚线或脚线-壳体之间通过一规定电阻放电，测定在规定条件下的发火率或发火电压。
实验电路图如图 2所示。
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图 2 静电感度实验原理图 1—直流高压电源，2—爆炸箱，3—试样，4—示波器，5—UPS Fig.2 Schematic diagram of the electrostatic sensitivity 1—DC high voltage power supply, 2—explosion box, 3—the sample, 4—oscilloscope, 5—UPS |
JGY-50Ⅲ静电感度测试仪，示波器(LeCroy44Xs)，储能电容C，放电电阻R2，UPS直流稳压电源；ALG-CNl储能放电起爆仪；光电二极管(3DUOC)；直流稳压电源(JWY-30B型)；KH-7700三维视屏显微镜；激光共聚焦显微镜(OLS 3100)；斯蒂芬酸铅(LTNR)为自制药剂。
3.2 样品参数半导体的规格为80 μm(L)×380 μm(W)×2 μm(t)的n型重掺杂poly-SCB，电阻约为1 Ω。
装药结构图如图 4所示。
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图 4 装药结构图 1—纸垫片，2—起爆药，3—半导体桥，4—管壳，5—陶瓷塞，6—脚线 Fig.4 Structure of charge 1—paper gasket, 2—primary explosive, 3—SCB, 4—casing, 5—ceramic plug, 6—leg wire |
GJB5309.14-2004火工品试验方法——静电放电试验规定的实验条件：储能电容为500 pF，电阻5000 Ω，在此条件下进行ESD实验以及点火，达到最大量程50 kV时，SCB仍然不会出现影响其性能的损伤情况，由于本实验着力于ESD对SCB的损伤特性，以便今后研究SCB的静电防护措施，而适当选择大电容，可以达到要求，所以试验中选择储能电容C为10000 pF，放电电阻R2为5000 Ω。
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图 3 SCB的结构示意图 Fig.3 Structure of the semiconductor bridge |
静电放电实验：将示波器接入图 2所示的电路，为防止静电放电对示波器产生干扰，选择示波器的电源与静电放电仪器的电源分开，示波器采用UPS直流稳压电源供电。实验开始前将UPS充电，然后断开UPS的电源线，将UPS与示波器连接，即示波器的电源由UPS供应。实验时，先对电容充电；再利用电子转换开关，使放电回路接通，电容放电，电流脉冲对SCB作用，用示波器采集电路中的电流信号以及半导体桥两端的电压信号。示波器用UPS供电时受到的干扰仍然很严重，滤波有相当的难度，故ESD过程中采集到的数据，仅仅作为ESD过程中SCB中电流、电压作用情况的辅助参考数据。
点火实验选用的药剂为斯蒂芬酸铅，每发装20 mg，压药压力为120 MPa，使用47 μF的电容作为储能元件，对ESD前后的SCB进行点火，用示波器采集电流、电压以及出光信号。
4 测试结果与讨论 4.1 ESD前后桥的表面烧蚀面积的对比静电对SCB的作用，最先受到损伤的是桥的尖角区域[12]。静电电压增大后，SCB的中间部位也受到损伤。试验中的电压比较小，桥区的两个尖角区域呈现对称性的烧蚀图像，为了更直观地分析，取其中一个尖角区域的图像说明。
随着ESD电压的增大，桥表面烧蚀情况如图 6所示，其烧蚀面积占桥区总面积的分数对比见表 1。
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图 5 完整的SCB(no ESD) Fig.5 Whole semiconductor bridge(pro-electrostatic discharge) |
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图 6 静电放电实验后SCB的桥形图 Fig.6 Diagrams of SCB after ESD experiment |
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表 1 不同ESD电压下桥区烧蚀面积与桥区总面积之比 Tab.1 The ratio of the ablation areas to the total bridge areas under the different electrostatic discharging voltages |
从图 6以及表 1中看出，静电放电对SCB桥区产生了损伤，随着ESD电压的升高，SCB桥区的烧蚀面积逐渐增大，说明ESD确实对SCB产生了影响，但是由于放电电压很小，桥的表面只有极小一部分发生了作用(如表 1所示)，大部分桥面保持完整，并且作用的部位主要集中在尖角区域；另外由于输入能量比较小，结合示波器的电流电压曲线可以知道，这种情况下的固体硅材料只发生了熔化，但是会影响SCB的点火可靠性。
4.2 ESD前后SCB的电容放电特性比较采用D-最优化法程序进行点火，得到药剂50%发火的电压期望和标准差估计，进一步计算得到99.9%的发火电压作为全发火电压，通过对比不同ESD作用的SCB点火的全发火电压，确定ESD作用后SCB的失效阈值。
对未经过ESD作用的SCB和经过ESD作用的SCB在各自的全发火电压下进行点火实验，每个条件下测试20发。结果见表 2。
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表 2 静电作用前后SCB的点火性能 Tab.2 Firing characters between non-ESD and ESD |
点火电压大于15 V时半导体桥会产生等离子体[13]，本实验的所有点火电压均小于8 V，故都不属于等离子体点火，属于非等离子体点火。
4.2.1 全发火电压的对比由表 2可以看出，未ESD作用的半导体桥全发火电压是7.48 V，经过ESD(21 kV、22 kV、23 kV、26 kV)作用的桥其全发火电压略有降低，说明ESD作用已经对SCB的性能产生了影响，使桥变得更加敏感，并且作用在SCB上的静电电压越大，其点火时的全发火电压越低。这样的结果是由于ESD导致SCB桥面部分熔化(如图 6所示)，使桥膜受到了损伤，影响了其发火性能。
4.2.2 发火能量的对比桥作用于药剂的能量是从开始放电到电流断开积分的能量，E= ∫ UIdt。
由表 2可以看到，ESD后SCB的发火能量均比未ESD的SCB发火能量低，并且随着ESD电压的增大，SCB的点火能量呈递减的趋势，原因是静电对SCB作用时虽未导致其发火，但是已经对桥膜产生了冲击，对桥膜造成了一定的损伤，导致桥膜变得更加敏感，更容易发火，造成不安全。
4.2.3 发火时间的对比由表 2所示，各ESD作用过的SCB其点火时间随着电压的降低而增加，这是因为随着电压的降低，加载到桥膜上面的能量逐渐变小，桥膜达到气化所用的时间就会变长。结果显示，经过ESD作用的桥比未经过ESD作用的桥发火时间长，并且作用在SCB上的静电电压越大，其点火时间越长。ESD后SCB的电阻阻值稍有增大，点火时间会相应变长。
4.2.4 电流峰值以及电流峰值对应时间的对比由表 2可以看出，随着点火电压的增大，电流峰值逐渐减小。电流峰值对应的时间反映了SCB对点火脉冲的响应敏感程度，由表 2可以看到，经受了ESD作用的桥比未静电作用的桥其点火时电流峰值对应的时间长，并且随着ESD电压增大，其电流峰值对应的时间也越长。这说明：静电对SCB的点火敏感性产生了影响，导致SCB对脉冲刺激的瞬发度下降。
4.2.5 t检验经受不同ESD电压(20 kV、21 kV、22 kV、23 kV、26 kV)的SCB分别在各自的全发火电压下重复点火10发，计算其点火能量和点火时间，并采用下述公式进行t检验：
| $ t=\frac{\bar{X}-{{\mu }_{0}}}{S/\sqrt{n}} $ |
其中, X为样本平均数，μ0为系统平均数(即未ESD的桥)，S为标准差，是方差的算术平方根。
| $ {{S}^{2}}{\rm=}1{\rm /}\left( n-1 \right)\left[{{\left( {{X}_{1}}-X \right)}^{2}}{{\left( {{X}_{2}}-X \right)}^{2}}+\cdots +{{\left( {{X}_{n}}-X \right)}^{2}} \right] $ |
拒绝域为：
本实验中n=10,
故拒绝域：︱t︱≥t0.025(9)=2.2622
由表 3可知:当ESD电压≤21 kV时，︱t︱＜2.2622，不在拒绝域中，不存在显著性差异；反之，ESD＞21 kV时，︱t︱＞2.2622，在拒绝域中，有着显著性差异。
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表 3 静电作用后SCB点火能量的t检验 Tab.3 Ignition energy of SCB with ESD by t-test |
同样由表 4可知：当ESD≤21 kV时，︱t︱＜2.2622，不存在显著性差异；反之，ESD＞21 kV时，︱t︱＞2.2622，有着显著性差异。
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表 4 静电作用后SCB点火时间的t检验 Tab.4 Ignition time of SCB with ESD by t-test |
实验结果说明：ESD会影响SCB火工品的发火性能，发火时间和发火能量都明显减小。ESD实验后，SCB的发火敏感度提高，安全性下降。故可以将21 kV作为SCB(1 Ω)承受ESD并导致其性能发生明显改变的阈值。
5 结论(1) ESD会引起SCB桥膜损伤，且经过21 kV以上的ESD作用后桥区面积有显著烧蚀现象，随着ESD电压升高，烧蚀面积增大。
(2) 进行D-最优化实验，可知：ESD电压越大，SCB点火所需的全发火电压越小，且都小于未静电作用桥的全发火电压，可见静电作用增强了桥的感度。
(3) 在全发火电压下进行点火，得到：经受的ESD电压越大，SCB的点火能量越低，且均小于未经受ESD桥的点火能量，故ESD使桥变得敏感；且随着ESD电压的增大，SCB电流峰值对应的时间逐渐增大，说明：经过静电作用以后，SCB对电流脉冲的可靠点火能力下降。
(4) 对点火能量和时间进行t检验，得到：21 kV可以作为判断SCB承受ESD且导致其性能发生明显改变的阈值。当电压大于21 kV时，ESD对桥作用明显；小于21 kV时，ESD基本不影响桥的性能，这个结果为研究SCB的静电防护措施奠定了基础。
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Compared with the bare bridge, the film of semiconductor bridge (SCB) which suffered electrostatic discharge (ESD) was damaged, and the ablation areas of bridge were enlarged along with the discharging voltage, indicating that ESD made the bridge more sensitive.