2. 海军装备部, 北京 100841
2. Equipment Department of PLA Navy, Beijing 100841, China
半导体桥(Semiconductor Bridge, SCB)火工品是近年来发展的一种新型火工品, 它是利用半导体膜(或金属—半导体复合膜)作为发火元件进行引燃、起爆作用的新型火工品[1-3]。SCB火工品以SCB作为换能元件, 利用电激发后产生的等离子体引发下一级装药, 具有发火能量低、作用时间短、安全性好等特点, 并具有一定的抗静电、抗射频能力, 成为第三代火工品的代表之一[4]。SCB火工品在各种常规和智能弹药、航天装备、民用爆破器材等领域有着广泛的应用[5-7]。
作为一种新型火工品, SCB虽已装备部队, 但其贮存失效机理不明。国外研究指出[8], SCB雷管和点火器的改进批次中有SCB焊区腐蚀的现象。分析认为, 腐蚀可能是由焊接导线的粘接剂中含有的氯化物和潮湿共同作用引起的, 并观察到被腐蚀的SCB的电阻比正常SCB高出约1 Ω, 但由于其热循环前未测量其电阻变化, 因此, 无法确定该阻值的变化是否由热循环后的腐蚀引起。该报告认为在选用镀金的SCB进行短期的环境试验后, 当SCB装置的铝层上覆有多孔隙金层时, 如果潮湿和氯化物两个因素同时存在, 就容易发生腐蚀; 腐蚀的程度与受氯化物污染的程度有关; 只有潮湿时不会发生腐蚀。国内的SCB制作工艺与国外相同, 但分为桥区镀金和不镀金两种, 本研究以不镀金的某SCB电极塞为研究对象, 设计了不同贮存环境下SCB电极塞的加速寿命试验, 对其贮存失效模式和失效机理进行研究，这对于SCB火工品生产条件的控制或贮存环境的设计, 提高其贮存可靠性有非常重要的意义。
2 SCB电极塞的腐蚀效应试验设计 2.1 样品和设备半导体桥火工品包括SCB电极塞和装药两部分, 其中, 装药部分为常规药剂。半导体桥电极塞则是包含SCB芯片的新型换能元, 是SCB火工品中的关键部件, 其结构和性能直接影响到SCB火工品的发火性能。本文选择不镀金的某SCB电极塞作为研究对象, 考察SCB电极塞对温度、温湿度及温湿度含氯环境的敏感性。图 1为未经贮存的试验样品照片。
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图 1 试验用电极塞的全貌和芯片 Fig.1 Panorama and chip of SCB electrode plugs |
SCB电极塞包括电极塞和SCB芯片两部分。试验用SCB电极塞所嵌入的SCB芯片为桥路电阻为1 Ω的3-2型SCB芯片, 该芯片包含一个二氧化硅和硅基底, 基底上覆有一个蝴蝶结图形的掺磷多晶硅。在蝴蝶结的两个端面上附加了一个铝层(焊盘), 采用超声焊接方式用硅铝丝将焊盘和外部的脚线连接起来。为了增加牢固性和保护焊点不被氧化, 通常在焊接好的焊点上均匀电镀上一层银。该蝴蝶结图案的狭窄区域是半导体桥(SCB), 一旦加载合适的电能, 桥箔爆发产生等离子体, 进而激发炸药。焊接后的芯片如图 2b所示。
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图 2 贮存70 d后SCB电极塞的桥区和焊点扫描电镜照片 Fig.2 SEM photograph of SCB bridge zone and welding point stored after 70 days |
试验使用的温湿度试验设备为重庆五环生产的HT201型低温恒温恒湿试验箱; 电阻测试使用泰克公司生产的Tektronix DMM4050六位半高精度电阻测试仪; 扫描电镜为捷克TESCAN公司生产的VEGA TS5136型设备; 能谱分析仪为英国牛津公司生产的INCA-300型设备。
2.2 试验条件及试验项目(1) 单一温度条件的加速寿命试验
依据GJB736.8-1990《71 ℃试验法》中规定的试验环境, 贮存环境温度为71 ℃。
(2) 温湿度条件下的模拟贮存试验
在保证SCB电极塞失效机理不变的前提下, 同时加速获得试验结果, 选择贮存环境条件为80 ℃, 相对湿度(RH)95%。
(3) 含氯温湿度条件下的模拟贮存试验
贮存环境条件为80 ℃, RH95%。试验前, 配置浓度为30%的NaCl溶液, 并利用蘸取NaCl溶液的棉签接触SCB电极塞的桥区(含芯片和焊点)部分, 以模拟在产品制作过程中可能引入的氯离子对SCB电极塞的贮存性能的影响。并在常温干燥后进行模拟贮存试验。
(4) 电阻、扫描电镜和能谱测试
每种条件下的试验样品为5发, 试验周期70天。每14天取出试验样品进行电阻测试, 形貌检查和能谱分析。样品取出后, 样品在常温干燥器内放置24 h后进行相关测试。测试完毕后, 样品重新放入温湿度试验箱中继续试验。
具体的试验方案见表 1。
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表 1 SCB电极塞腐蚀效应试验条件 Tab.1 Corrosion effect test condition of SCB electrode plugs |
图 2和表 2给出了71 ℃条件下贮存70天后SCB桥区形貌变化情况和电阻测试结果。从图 2可以看出, 贮存后SCB桥区和焊区表面光洁, 没有腐蚀的现象发生。表 2的电阻测试结果也表明贮存前后电阻没有发生明显的变化。说明单一温度应力对SCB电极塞的性能没有影响。
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表 2 71 ℃下不同贮存时间的电阻测试结果 Tab.2 Resistance test results under different storage time at 71 ℃ |
经80 ℃, RH95%条件贮存70天后, 随着贮存时间的增加, 试验的5发SCB电极塞的脚线的腐蚀程度随贮存时间增加而腐蚀点增多, 说明脚线的腐蚀程度随贮存时间增加而加深。图 3给出了SCB电极塞的脚线腐蚀情况。
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图 3 80 ℃, RH95%条件下贮存70 d后脚线的腐蚀情况 Fig.3 Corrosion situation of leading wire after 70 d storage under the conditions of 80 ℃ and RH 95% |
对试验各阶段的5发SCB电极塞进行了电阻测试, 结果显示, 一发SCB电极塞的电阻在56~70 d贮存过程中由1.17 Ω急剧增加到3 Ω; 其余SCB电极塞的电阻仅增加0.2 Ω左右。对该5发SCB电极塞的电镜分析结果表明, 5发电极塞的桥区无腐蚀, 而焊点除一发发现有严重腐蚀外, 一发焊点出现轻微腐蚀, 其余无明显腐蚀。其中电阻由1.17 Ω急剧增加到3 Ω的该发SCB电极塞的桥区和焊点情况如图 4所示。
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图 4 严重腐蚀样品的桥区和焊点腐蚀情况 Fig.4 Bridge zone and soldering zone corrode situation of the badly corroded sample |
表 3给出了各贮存时间段电阻的测试结果。
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表 3 80 ℃, RH=95%条件下不同贮存时间的电阻测试结果 Tab.3 Resistance test results at different storage time under the conditions of 80 ℃ and RH 95% |
从表 3可以看出, 随着贮存时间的增加, 电阻贮存前期呈现缓慢增加的趋势, 至贮存70天时, 电阻均值有了一个明显的增大。分析其原因, 贮存前期由于SCB桥区和焊点未发生明显的腐蚀, 主要是电极塞脚线的缓慢腐蚀导致电阻发生了缓慢增加; 随着贮存时间的增加, 有一发电极塞的焊点出现严重腐蚀引起了该发电阻的急剧增大, 从而导致了电阻的均值和标准差发生了较大的变化。
对图 4所示的出现严重腐蚀的电极塞的腐蚀点和未腐蚀点进行了能谱分析, 结果见图 5和表 4。在腐蚀点发现有少量的氯离子存在, 但含量很低, 0.2%左右。在未被腐蚀的地方没有氯离子出现。分析其原因, 由于焊点的表面覆盖有一层金属银起保护作用, 潮湿情况下, 极易在电镀银层的空隙处形成缓慢的电化学腐蚀, 但这种腐蚀速度很慢, 短期内不会有明显的现象, 而氯离子则对这种缓慢的电化学腐蚀起了加速作用。
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图 5 严重腐蚀样品的测试点及能谱的谱图 Fig.5 Test point and energy spectrum of the badly corroded sample |
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表 4 严重腐蚀样品测试点的元素含量 Tab.4 Element content of test point for the badly corroded sample |
SCB电极塞采用超声焊接, 且SCB火工品属于危险品, 在加工过程中, 湿度要求在50%以上, 且其加工过程为手工制造, 不可避免地会接触到手汗或空气中的污染物。为了模拟SCB火工品在生产制造过程中所经历的这种状态, 并研究湿度和空气及潜在的氯离子对SCB电极塞的失效模式是否有影响, 设计了本试验。
试验结果显示, 经80 ℃, RH95%条件贮存70天后, 随着贮存时间的增加, 脚线的腐蚀点增多; 而5发样品的焊点随着贮存时间的增加, 均出现了不同程度的腐蚀, 桥区无明显变化, 与仅有湿度作用相比, 该条件下样品的腐蚀程度更为严重。图 6给出了贮存70天后出现严重腐蚀的3号、4号以及发生轻微腐蚀的5号SCB电极塞的桥区和焊点的腐蚀情况。
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图 6 不同样品桥区和焊点的腐蚀情况 Fig.6 Bridge zone and soldering zone for different sample |
表 5给出了80 ℃, RH95%条件下沾有NaCl溶液的SCB电极塞各贮存时间段电阻的测试结果。
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表 5 各贮存时间SCB电极塞电阻测试结果 Tab.5 Resistance test results at different storage time |
从表 5可以看出, 当含氯成份引入后, 在80 ℃, RH95%贮存条件下, 与不引入含氯成分的试验结果相比, 电极塞的电阻阻值增大得更快。结合图 6各SCB电极塞的腐蚀情况发现, 电阻的变化与桥区和焊点的腐蚀程度成正比关系。如3号和4号电极塞焊点发生了严重腐蚀, 直接导致了电阻急剧增大至无穷; 5号电极塞焊点部分完好, 其电阻没有发生显著增大。
对3号、4号和5号电极塞的腐蚀点和未腐蚀点进行了能谱分析, 结果表明, 在腐蚀较为严重的地方氯离子含量通常都大于1%, 有的超过了3%。图 7和表 6给出了4号样的能谱测试结果。
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图 7 4号样的测试点及能谱谱图 Fig.7 Test point and energy spectrum for sample 4 |
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表 6 4号样各测试点的元素含量 Tab.6 Element content of test point for sample 4 |
几种环境条件下SCB电极塞的电阻和腐蚀情况的关系表明, 在SCB火工品的贮存监测过程中, 如发现SCB电极塞的电阻在两个监测时间点之间发生明显增大(通常超过0.5 Ω)时, 预示着桥区和焊点发生了腐蚀; 当SCB电极塞的电阻增大不明显时, 可认为桥区和焊点受腐蚀的可能性较小, 此时脚线的腐蚀是导致电阻增加的主要因素。因此, 可通过监测电阻的变化对SCB火工品的换能元的腐蚀情况进行检测。
4 结论(1) 单一温度不会引起SCB电极塞焊点和脚线的腐蚀, 不会引起SCB电极塞失效; 潮湿会引起SCB电极塞焊点和脚线的缓慢腐蚀, 是导致SCB电极塞失效的一个因素; 湿度和氯离子共同存在引起SCB电极塞焊点的严重腐蚀, 且氯离子的存在对SCB电极塞的腐蚀起了加速作用, 是导致SCB电极塞快速失效的主要因素。
(2) 脚线的腐蚀仅能导致电阻的缓慢增加, 而焊点的腐蚀则会导致电阻明显变大, 因此, 电阻测试可以作为SCB换能元完好性的一个无损检测手段。
(3) SCB桥区性能稳定, 不易发生腐蚀; 湿度的存在会导致SCB电极塞的脚线发生腐蚀, 并易引起SCB焊点的空隙处发生缓慢腐蚀。因此, 应加强生产流程控制, 杜绝生产过程中湿度的引入, 以免在SCB火工品的贮存过程中导致焊点的缓慢腐蚀。
(4) 氯离子对SCB电极塞的焊点腐蚀有加速作用。因此, 在SCB芯片的制造工艺和SCB产品的生产过程中, 应采取措施严格控制氯离子和潮湿的引入。
| [1] |
Strohm G, Son S. Performance Characterization of Nanoscale Energetic Materials on Semiconductor Bridges (SCBs)[C]//48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2010.
|
| [2] |
祝逢春, 徐振相, 陈西武, 等. 半导体桥火工品研究的新进展[J].
兵工学报, 2003(1): 106-110. ZHU Feng-chun, XU Zhen-xiang, CHEN Xi-wu, et al. Study new progression on SCB initiator[J]. Acta Armamentarii, 2003(1): 106-110. |
| [3] |
Jongdae Kim, Tae Moon Roh, Kyoung-IK Cho, et al. Optical characteristics of semiconductor bridge under high current density condition[J].
IEEE Transactions on Electron Devices, 2001, 48(5): 852-857. DOI:10.1109/16.918230 |
| [4] |
李黎明, 尹国福, 王静雅, 等. 微小型半导体桥电容抗静电加固技术研究[J].
兵工学报, 2012(增刊): 73-77. LI Li-ming, YIN Guo-fu, WANG Jing-ya, et al. Research on the antistatic capacitance reinforcement in micro semiconductor bridge[J]. Acta Armamentarii, 2012(Supplement): 73-77. |
| [5] |
Marx K D, Ingersoll D, Bickes R W.
Electrical modeling of wemiconductor bridge (SCB) BNCP detonators with electrochemical capacitor firing sets[M]. USDOE, Washington, DC, 1998.
|
| [6] |
Bickes R W Jr. Wackerbarth D E. SCB thermite igniter studies semiconductor bridge[R]. AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 33rd, Seattle, WA, July 6-9, 1997.
|
| [7] |
卢斌, 洪志敏, 任小明, 等. SCB换能元应用于微型固体推进器中的研究[J].
兵工学报, 2009, 30(2): 305-307. LU Bin, HONG Zhi-min, REN Xiao-ming, et al. Research on SCB energy exchange device in microsolid propellant[J]. Acta Armamentarii, 2009, 30(2): 305-307. |
| [8] |
Klassen Sandra E, Sorensen N Robert. An investigation of corrosion in semiconductor bridge explosive devices[R]. Sandia National Laboratories. 2007.
|
Temperature and humidity stress can cause slow corrosion of SCB electrode plugs. Temperature and humidity stress with salt water can cause rapid corrosion of SCB electrode plugs.