2. 四川华川工业有限公司，四川 成都 610106
2. Sichuan HUACHUAN Industries Company, Chengdu 610106, China
半导体桥(Semiconductor Bridge，SCB)火工品是指利用半导体膜作发火元件的一类电火工品，具有体积小、作用快、安全性好、发火能量低等优点。战场上大功率雷达、电磁武器的应用，对弹药的电磁环境安全性的要求越来越高，火工品作为弹药中最敏感的元件，其电磁环境适应性也越来越受重视。火工品在电磁环境可能因耦合电磁能量而意外发火或受浪涌电压冲击而造成损伤[1]。研究者在火工品电磁安全性方面作了大量工作，Baginski T A等[2]通过集总参数建模，理论分析射频响应特性，设计并制作了新型的无源滤波装置，该滤波器能保护电爆装置同时不影响其可靠发火。Henderson J H[3]设计了一种电爆装置，当杂散射频信号耦合到该电爆装置中时，产生的射频电流被低阻抗的电容通道过滤掉。实验结果表明采用此换能元结构的火工品对各种类型的射频干扰钝感。Ensign-Bickford公司[4]研制了一种新型的SCB火工品结构，它对常规操作中的静电射频钝感，这种新型的SCB火工品对杂散电势、静电放电、无线电脉冲波表现出极高的钝感性。King T L等[5]介绍了两种技术，一是并联齐纳二极管来用于SCB火工品的静电防护，二是在SCB火工品两端并联电容来用于SCB火工品的射频防护。陈飞等[6-9]利用NTC(Negative Temperature Coefficient)热敏电阻的阻值负温度系数特性，将其与SCB火工品并联，用于保护火工品免受连续射频电磁波的干扰。当连续射频波耦合进入SCB火工品时，陶瓷塞在电热作用下温度逐渐升高，NTC热敏电阻感温后阻值迅速减小，并联电路的性能使得大部分电流流经热敏电阻而非SCB火工品，抑制了SCB火工品上的温升; 射频能量过后，热敏电阻又恢复了初始的高阻状态。周彬等人[10]利用TVS二极管的瞬态浪涌抑制特性，对SCB火工品脚-壳之间的静电放电进行了保护。静电放电试验结果显示在静电加载时，大部分电流从TVS上通过，火工品未发火。
压敏电阻具有瞬时钳位电位作用，用于SCB火工品电磁防护时，理论上能抑制浪涌电压对火工品造成损伤，可有效提高其在电磁环境中的安全性，但相关研究未见公开报道。将分立元件用于火工品电磁防护时原则上不应对SCB火工品自身性能产生影响，因此本研究分析了并联氧化锌(ZnO)压敏电阻前后SCB火工品电爆性能变化情况，为ZnO压敏电阻进一步用于SCB火工品电磁防护可行性提供实验支撑。
2 实验部分 2.1 压敏电阻压敏电阻(Varistor)等效于两个串联的齐纳二极管(Zener Diodes)，具有双向导通的特性，可以用来抑制正、反方向的瞬态脉冲。压敏电阻的电压-电流曲线如图 1所示。ZnO压敏电阻[11]是一种是以ZnO为主体，添加若干其它氧化物改性的新型多功能电子元器件。正常工作电压下，ZnO压敏电阻的晶界层呈高电阻状态; 当电路中出现浪涌过电压时，其晶界层立即转变为低电阻状态，通过ZnO压敏电阻的电流急骤增大，浪涌过电压以放电电流的形式被ZnO压敏电阻所分流，从而起到过电压的保护作用; 当浪涌过电压结束后，ZnO压敏电阻又很快恢复为高电阻状态。
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图 1 压敏电阻电压-电流曲线 Fig.1 Voltage-current characteristic curves of varistor |
SCB火工品最重要的元件是起电热换能作用的SCB芯片，SCB芯片和陶瓷塞封装如图 2所示，图 2a是重掺杂多晶硅SCB芯片的结构示意图，桥区呈“H”型。在硅基片与铝覆盖层之间，一般用重掺杂的多晶硅，掺杂浓度约为7×1019个原子/cm3，电阻约为1.0 Ω，陶瓷封装，如图 2b所示。
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图 2 半导体桥芯片和陶瓷塞封装图 Fig.2 Schematic diagram of SCB chip and ceramic plug package structure |
SCB芯片并联ZnO压敏电阻后等效电路模型可以用图 3表示。理论上，由于ZnO压敏电阻的叠层式结构，自身电容1000 pF以上，在低频电磁波辐射时处于断路状态，不影响发火线路的正常工作。当线路中有高频电磁辐射时，ZnO压敏电阻以纳秒级的时间响应，形成低阻抗的通路，分走整个电路中的感应能量，使SCB火工品免受电磁辐射能量的冲击，起到电磁防护作用。
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图 3 压敏电阻与SCB芯片并联等效电路模型 Fig.3 Equivalent model of varistor in parallel with SCB chip |
本实验所用样品采用陶瓷塞封装，制作过程为:将SCB芯片用环氧树脂粘贴在陶瓷塞上，用硅铝丝或金丝键合，键合处采用银浆覆盖以保护键合丝，最后在芯片上沾涂斯蒂芬酸铅(LTNR)。ZnO压敏电阻装在陶瓷塞底部，两极分别用导电胶与两根脚线相连，与SCB芯片形成并联结构。实验前检测电阻以保证样品键合完好。
实验用样品选用常规的典型SCB芯片(Typical SCB，TSCB)与易受电磁影响的低发火能量SCB芯片(Low firing-required energy SCB，LSCB)[12]，TSCB芯片尺寸为100 μm (L)×400 μm (W)×2 μm (T)，LSCB芯片尺寸为20 μm (L)×100 μm (W)×2 μm (T)。TSCB芯片常用全爆发激励条件是47 μF22V，LSCB芯片常用全爆发激励条件为22 μF9V，结合文献[11]压敏电阻的选用要符合击穿电压在10 V左右，且封装尺寸能满足安装到陶瓷塞底部的要求。
表 1所示为选用的压敏电阻相关参数，理论击穿电压分别为8 V和12 V。其中TSCB芯片并联SFI0603ML080C-LF为样品T08，并联SFI0603ML120C-LF为样品T12; LSCB芯片并联SFI0603ML080C-LF为样品L08，并联SFI0603ML120C-LF为样品L12。
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表 1 ZnO压敏电阻参数 Tab.1 Parameters of ZnO varistor |
(1) 电容放电发火实验
为研究电容放电时压敏电阻对回路电流的影响，将贴片压敏电阻用引线外接于陶瓷塞脚线两端。实验线路图如图 4所示，示波器记录爆发过程电压和电流变化，其中一个电流探头探测回路总电流，另一个探测流过外接压敏电阻的电流。总电流减去压敏电阻分路电流，得到流经SCB火工品的电流。放电电容选择精度高、漏电流小、放电快的钽电容。
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图 4 电容放电原理图 Fig.4 Diagram of the capacitor discharge principle |
(2) 恒流激励发火实验
为研究不同电流值下的发火特性，采用恒流发火实验测量样品中通过的电流，通过升降法记录恒流源的不同刺激量下的电流值，以此计算SCB火工品以及并联贴片式压敏电阻后的SCB火工品的发火感度，对比研究其感度变化规律。恒流发火实验仪器选用高速恒流起爆电源(ALG-HL-15A)，其线路原理图如图 5所示。为保护起爆电源，将输出电压峰值定在20 V; SCB火工品爆发时间一般在几微秒到几十毫秒，所以将恒流持续时间定为100 ms。
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图 5 恒流发火实验原理图 Fig.5 Constant current firing principle diagram |
在实验条件47 μF、22 V下，并联压敏电阻前后发火实验过程中电压与电流随时间变化曲线及能量变化曲线如图 6所示。对比三种样品的电流曲线可知，在不同时间段压敏电阻中有不同程度的电流流过。图 6a是TSCB火工品爆发时的典型图像。图 6b中的A点和B点之间，由于系统中通过电压超过ZnO压敏电阻自身的击穿电压，故此时ZnO压敏电阻被击穿，图中蓝色曲线显示ZnO压敏电阻分电路中有电流通过。同理图 6c中A点和B点之间，ZnO压敏电阻被击穿，属于导通状态，蓝色曲线显示该分路中有电流通过。
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图 6 三种SCB火工品的电爆性能曲线 Fig.6 Burst characteristic curves of 3 SCB samples |
根据图 6中的爆发时间、爆发能量，对应图 6中的爆发点即电压曲线1的最大峰值位置，以对样品T08、T12的电爆性能参数进行t检验，比较其电爆性能参数差异。取检验水平α=0.05则置信区间为95%，实验中n1=10，n2=10查表可得临界值t1-α/2{n1+ n2-2=18}=2.101，故拒绝域|t|≥t0.975(18)=2.101，即当t检验结果大于临界值时说明有显著性差异。具体结果见表 2。
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表 2 并联压敏电阻前后TSCB火工品电爆性能t检验值 Tab.2 t-test value of TSCB with and without varistors |
分析表 2中爆发时间、爆发能量的t检验的结果可知，t值均小于t1-α/2，说明并联的贴片式压敏电阻对SCB火工品的电爆性能均无显著性影响。根据SCB火工品的爆发特性曲线(图 6)，SCB火工品电压曲线上第一个峰对应桥区材料的熔化过程，第二个峰对应气化产生等离子体; 由图 6和表 2可知，相比于流经SCB火工品的电流，压敏电阻在电压第一个峰处电流值很小; 从积分能量看，此时压敏电阻分走的能量为0.01 mJ，而SCB火工品整个熔化过程消耗能量1 mJ，相比之下压敏电阻分走的能量非常小，不影响熔化过程。在电压第二个峰起初时刻压敏电阻电流开始明显增大，虽然幅值变化较大，但是此时SCB火工品已经进入等离子体产生阶段，属于作用末期，因此不影响SCB火工品爆发。经过t检验表明并联压敏电阻后，对TSCB火工品爆发时间和爆发力、消耗能量均没有显著影响。
3.1.2 并联压敏电阻前后的LSCB火工品为研究贴片压敏电阻对LSCB火工品电爆性能的影响，对并联压敏电阻前后样品L、L08、L12进行电容发火实验，放电电容为钽电容，充电电容22 μF、发火电压9 V。所得电爆性能曲线见图 7。
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图 7 三种SCB火工品电爆性能曲线 Fig.7 Burst characteristic curves of 3 SCB samples |
对样品L08、L12的电爆性能参数进行t检验。取检验水准α=0.05则置信区间为95%，实验中n1=5，n2=5查表可得临界值t1-α/2{n1+n2-2=8}=2.306)，故拒绝域|t|≥t0.975(8)=2.306，当t检验结果大于临界值时说明有显著性差异。其电爆性能参数差异见表 3。
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表 3 并联压敏电阻前后LSCB火工品电爆性能t检验值 Tab.3 t-test value of low-energy SCB with and without varistors |
表 3可以看出，样品L12的t值均小于t1-α/2，说明使用压敏电阻前后，LSCB火工品的爆发时间和爆发所需能量均无显著性差异，而对于样品L08，其爆发时间在并联压敏电阻前后无显著性影响，而爆发所需能量则有显著性影响，根据SCB火工品爆发特性曲线图 7中，在电压的最大峰值时SCB火工品爆发。在电压曲线最大峰值处样品L08、L12中的ZnO压敏电阻被击穿，图中蓝色曲线显示ZnO压敏电阻分路中有电流通过，而此时SCB火工品已经进入等离子体产生阶段，属于作用末期，因此不影响SCB火工品爆发。所以ZnO压敏电阻对LSCB火工品的爆发时间没有显著性影响。用Origin计算得到样品L自身爆发所需能量0.12 mJ，样品L08、L12中压敏电阻分路中分走的能量约0.02 mJ，可见压敏电阻分路中的能量占火工品爆发总能量约14%，爆发所需能量有所提高。由于LSCB火工品本身爆发所需能量较小，因此压敏电阻对TSCB火工品不明显的分流效果在LSCB火工品这里就变得有影响; 但是影响仅局限于爆发消耗能量，而对爆发时间没有影响，故不影响实际使用。
3.2 恒流感度实验 3.2.1 并联压敏电阻后的TSCB火工品恒流发火感度实验采用文献[13]中升降法，试探估计样品T的初始刺激量x0=1.995 A，选择步长为d=0.01，则y0=lnx0=0.691，进行试验，经过试探估计样品T08的初始刺激量x0=2.020 A选择步长为d=0.01则y0=lnx0=0.703然后进行试验，实验数据根据GJB-Z377A-1994感度试验用数理统计方法计算得出样品T和T08的0.1%发火电流和99.9%发火电流，结果见表 4。
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表 4 样品T和T08的0.1%和99.9%发火电流值 Tab.4 Firing current of samples D and T08 |
由表 4可知，样品T的0.1%发火电流为1.935 A、99.9%的发火电流为2.035 A，样品T08的0.1%发火电流为1.965 A、99.9%的发火电流为2.043 A; 置信区间取(1±5)%，可得样品T的置信0.1%发火电流范围为1.838~2.032 A，99.9%发火电流范围为1.933~2.136 A，对比分析可得出，样品T08的0.1%的发火电流、99.9%的发火电流均在置信区间内，并联压敏电阻后对于TSCB火工品的恒流发火感度没有影响。因为压敏电阻对恒流源是断路，在恒流下压敏电阻处于不导通状态，分路中没有电流通过，对SCB火工品的电爆性能没有影响，即并联压敏电阻对于TSCB火工品的恒流发火感度没有影响。
3.2.2 并联压敏电阻后的LSCB火工品经过试探估计样品L、L08的初始刺激量x0=1.100 A选择步长为d=0.035则y0=lnx0=0.0953然后进行试验，实验数据根据《GJB-Z 377A-1994感度试验用数理统计方法》中的计算得样品L、L08的0.1%发火电流和99.9%发火电流，结果如表 5。
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表 5 样品L和样品L08的0.1%和99.9%发火电流值 Tab.5 Firing current of sample L and L08 |
由表 5可知，置信区间取(1±5)%，样品L的置信0.1%发火电流范围为0.897~0.991 A，99.9%发火电流范围为1.085~1.20 A，样品L08的0.1%的发火电流、99.9%的发火电流均在置信区间内，故并联压敏电阻后对于LSCB火工品的恒流发火感度没有影响。因为在恒流下压敏电阻处于不导通状态，分路中没有电流通过，所以并联压敏电阻对于TSCB火工品的恒流发火感度没有影响。
4 结论在电容放电条件下研究了并联压敏前后半导体桥爆发性能的变化情况，以及恒流激励条件下，测试了并联压敏电阻前后半导体火工品发火感度，结论如下:
(1) 在电容放电发火条件下，SCB火工品并联ZnO压敏电阻对TSCB火工品的电爆性能没有显著影响。
(2) 在电容放电发火条件下，并联SFI0603ML120C-LF型号压敏电阻的样品L12，压敏电阻不影响LSCB火工品的爆发时间和爆发能量; 而并联SFI0603ML080C-LF压敏电阻的样品L08，其爆发所需能量用t检验法检验表明有显著性变化，爆发时间无显著性变化。
(3) 在恒流激励源下，压敏电阻为断路处于不导通状态，分路中没有电流通过，对SCB火工品的电爆性能无影响，用t检验法检验表明并联压敏电阻对TSCB火工品和LSCB火工品的恒流发火感度没有影响。
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Varistor, as used for electrostatic or radio frequency (RF) protection of semiconductor bridge (SCB) igniters, should not affect the SCB inherent properties. Therefore, two kinds of experiments are adopted to study the variation of the firing time and the firing-required energy.