Al/CuO复合半导体桥静电安全性研究

王　榴，刘　虎，周　彬，李　勇

（1. 南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094；2. 安徽红星机电科技股份有限公司，安徽 合肥，231135）

Al/CuO复合半导体桥静电安全性研究

王榴1，刘虎2，周彬1，李勇1

（1. 南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094；2. 安徽红星机电科技股份有限公司，安徽 合肥，231135）

为了研究Al/CuO复合半导体桥（简称Al/CuO-SCB）的静电安全性，分别对不同桥型的Al/CuO-SCB进行静电放电实验及研究。结果发现：在500pF、5kΩ、25kV静电放电条件下，不同桥型的Al/CuO-SCB均未发火；小尺寸的Al/CuO-SCB在相同静电作用下桥膜容易受到损伤，并且经过静电放电后的Al/CuO-SCB的爆发时间和爆发所需能量均没有发生显著性差异。比较Al/CuO-SCB和未加Al/CuO含能薄膜层的半导体桥静电实验结果，得出Al/CuO含能薄膜层没有影响半导体桥的静电安全性。

半导体桥；Al/CuO纳米复合薄膜；静电安全；电爆参数

在电火工品生产、运输和使用过程中，往往会遇到静电、感应电流及杂散电流等电能量，从而造成电火工品发火或可靠性降低等危害。因此，国内外学者对电火工品静电安全性展开了一系列研究，提出了集成齐纳二极管［1］、并联电容［2］或者并联TVS二极管［3］等防静电方法，同时也探究了半导体桥（SCB）火工品脚-脚间静电放电作用规律［4］。

复合半导体桥火工品是一类改进了的半导体桥火工品，其发火元件由半导体桥材料和可反应材料构成，通过可反应材料之间的化学或物理反应所释放的能量达到点火起爆的目的。它不仅具有临界发火能量低、安全性好、作用迅速等优点，而且具有更高的温度和输出能量。目前，朱朋等人研究了Al/Ni复合半导体桥［5］和Al/CuO复合半导体桥［6］的电爆性能，结果发现这两种复合半导体桥均提高了输出能量，增大了半导体桥点火可靠性。但是，有关复合半导体桥静电安全性的研究尚未见公开报道。

本文通过静电放电实验研究了Al/CuO复合半导体桥（简称Al/CuO-SCB）的静电安全性，旨在为半导体桥技术的改进提供参考。

1　实验样品

Al/CuO-SCB的结构示意图如图1所示，其中桥区由夹在SiO2层与电极区域之间的重掺杂多晶硅构成，掺杂元素为磷，掺杂原子浓度约7×1019个/cm3。

图1　Al/CuO-SCB的结构示意图Fig.1　The structure of Al/CuO-SCB chip

为了保证含能薄膜层不影响多晶硅层的电性能，在多晶硅层与部分电极上沉积一层绝缘层SiO2，隔断含能薄膜层与桥区的直接电接触，同时为使Al/CuO膜能较好地附着在SiO2层上，在SiO2层和Al/CuO膜之间沉积了一层附着性较好的Ti。另外，含能桥膜层由Al和CuO膜依次叠加组成，每层Al和CuO桥膜的尺寸为800μm（长）×1 400μm （宽），Al层单层厚度为100μm，CuO层单层厚度为200μm，Al和CuO膜各8层，含能薄膜总厚2.4mm。桥区的形状示意图如图2所示，分别有矩形和V形尖角两种。桥区的尺寸由左往右依次为：24μm（长）×100μm（宽）× 2μm（厚）、60μm（长） ×250μm （宽）×2μm （厚）、100μm（长）×350μm（宽）× 2μm（厚）、100μm（长） ×380μm（宽）× 2μm （厚）。对应桥型代号分别是S、M、Lr、Lv。

Al/CuO-SCB的封装结构示意图如图3所示。将Al/CuO-SCB用环氧树脂胶粘接在陶瓷塞凹槽内，再用键合硅铝丝使点火芯片与陶瓷塞脚线导电连接，并用导电胶保护键合丝。

图2　桥区的形状示意图Fig.2　The shape of Al/CuO-SCB bridge

图3　Al/CuO-SCB的封装结构示意图Fig.3　The package structure of Al/CuO-SCB

2　ESD实验原理及装置

在火工品静电安全性研究中，通常选用人体带电模型进行ESD实验设计，如GJB 5309.14-2004∶ ESD试验［7］。静电放电（Electrostatic Discharge，简称ESD）对Al/CuO-SCB的作用可等效成一个简单的R-C电路，实验原理见图4。图4中C为储能电容，当开关与a接触时，电容器C充电，充电到设定电压时，将开关拨至与b接触，电容器C向火工品脚-脚间放电。

图4　ESD实验原理图Fig.4　Schematic of ESD test

实验中使用的仪器主要有：陕西应用物理化学研究所生产的JGY-50Ⅲ静电感度测试仪；储能钽电容C；放电电阻R；防爆箱等。实验条件：放电电容500pF、串联电阻5kΩ、静电电压25kV；药剂为斯蒂芬酸铅（LTNR）；静电加载方式：脚-脚ESD；实验环境：温度15～30℃，湿度不大于65%。

3　ESD实验结果与分析

3.1ESD实验结果

实验样品选用不同桥型的Al/CuO-SCB，每组3个试样。各桥型的Al/CuO-SCB ESD实验结果见表1。

表1　Al/CuO-SCB ESD实验结果Tab.1　ESD test results of Al/CuO-SCB

根据表1可以看出，由于Al/CuO-SCB具有较好的静电防护能力，在放电电容500pF、串联电阻5kΩ、静电电压25kV条件作用下，4种桥型的Al/CuO-SCB均未发火。

3.2ESD 对Al/CuO-SCB电阻的影响

对ESD前和ESD后的Al/CuO-SCB的电阻均值进行t检验（α=0.05），比较其电阻是否有显著性差异，检验结果见表2。

表2　Al/CuO-SCB ESD前后电阻t检验结果Tab.2　t-test results of the resistance of Al/CuO-SCB before and after ESD

由表2可以看出，M、 Lr 、Lv型Al/CuO-SCB ESD后电阻没有发生显著性差异，S型Al/CuO-SCB ESD后电阻发生了显著性差异。通过光学显微镜观察ESD前后Al/CuO-SCB的桥区，如图5所示。对比ESD前后Al/CuO-SCB桥区外观图可以发现， M、Lr 、Lv型Al/CuO-SCB的桥区没有损伤，静电仅对S型Al/CuO-SCB桥区造成了损伤，部分桥膜已经熔化。

熔化热和汽化热计算公式如下所示：

Q1＝Cp× m ×（tmelt－t0）＋△Hmelt×n （1）

Q2＝Q1＋Cp× m ×（tvap－tmelt）＋△Hvap×n（2）

式（1）～（2）中：Q1是Al/CuO-SCB的熔化热；Q2是Al/CuO-SCB的汽化热；m是Al/CuO-SCB桥区的质量；n是Al/CuO-SCB桥区物质的量，t0＝298K。查表知多晶硅的热力学数据［8］：Cp＝700 J/（kg·K），△Hmelt＝50.55 kJ/mol，△Hvap＝384.22 kJ/mol，tmelt＝1 687 K，tvap＝2 628 K，ρsi＝2.328 g/cm3。Al/CuO-SCB的熔化热与汽化热理论计算结果如表3所示。根据文献［9］可知，500pF、5kΩ、25kV条件下加载在Al/CuO -SCB脚-脚两端的电能为：

式（3）中：R是Al/CuO-SCB的电阻，Ro＝5kΩ，C＝500pF，U＝25kV。计算得E＝0.031 mJ。由表3可知，该静电能量达到了S型Al/CuO-SCB的理论熔化热，从而导致S型Al/CuO-SCB ESD后电阻发生了显著性差异。由此可推知，小尺寸的Al/CuO-SCB在相同静电作用下桥膜容易受到损伤。

图5　ESD前后Al/CuO-SCB显微外观图Fig.5　Microscopic appearance of Al/CuO-SCB before and after ESD

表3　Al/CuO-SCB熔化热与汽化热理论计算结果Tab.3　Theoretical results of melting heat and vaporization heat of Al/CuO-SCB

已知Lv型未加Al/CuO含能薄膜层的SCB在500pF、5kΩ、25kV条件下不发火，ESD前后桥膜外观没有变化，阻值也没有显著改变［10］。将其与Lv型Al/CuO-SCB的静电实验结果进行比较，可以得出两者的静电实验结果一致，说明Al/CuO含能薄膜层没有影响SCB的静电安全性。

3.3ESD对Al/CuO-SCB电爆性能的影响

为研究500pF、5kΩ、25kV条件下ESD对Al/CuO-SCB电爆性能的影响，将经过ESD后的Al/CuO-SCB进行电容放电发火实验，实验条件：47μF、22V。将所得数据通过origin分析处理，得到样品的爆发时间及爆发所需能量，其结果见表4。

表4　Al/CuO-SCB电爆特性参数Tab.4　Electro-exploding parameters of Al/CuO-SCB

对未经过ESD 的Al/CuO-SCB和经过ESD的Al/CuO-SCB的电爆特性参数进行t检验，比较其电爆特性参数是否有显著性差异（取α=0.05，因n1=3，n2=3，查表可得t1-α/2｛n1+n2-2=4｝=2.78），检验结果见表5。

表5　Al/CuO-SCB ESD后电爆特性参数t检验结果Tab.5　t-test results of the electro-exploding parameters of Al/CuO-SCB after ESD

由表5可以看出：S、M、Lr、Lv 型Al/CuO -SCB在ESD后桥区爆发时间t及爆发所需能量E均未发生显著性变化。说明500pF、5kΩ、25kV条件下ESD对Al/CuO-SCB电爆性能没有明显影响。观察表4可以看出与未经ESD的 Al/CuO-SCB相比较，经过ESD的S型Al/CuO-SCB桥区爆发时间和爆发所需能量都有减小。结合表2和图5，在500pF、5kΩ、25kV条件作用下仅有S型Al/CuO-SCB桥区发生了损伤，并且电阻显著性减小，当电流再次通过桥区时，容易在桥区损伤部位积累热量，因此经过ESD的S型Al/CuO-SCB爆发时间和爆发所需能量减小。

4　结论

本文在500pF、5kΩ、25kV的静电实验条件下，对Al/CuO-SCB进行ESD实验，得出如下结论：（1）静电放电条件下，4种不同桥型的Al/CuO -SCB均未发火。（2）采用t检验法检验ESD前后Al/CuO-SCB的电阻，结果表明仅有S型Al/CuO-SCB ESD后电阻发生显著性差异。通过显微镜对比观察ESD前后的Al/CuO-SCB，发现S型 Al/CuO-SCB部分桥膜发生熔化。因此，小尺寸的Al/CuO-SCB在相同静电作用下桥膜容易受到损伤。（3）通过比较Lv 型Al/ CuOSCB和Lv型未加Al/CuO含能薄膜层的SCB的静电实验结果，得出Al/CuO含能薄膜层没有影响SCB的静电安全性。（4）测试未经过静电放电的Al/CuO-SCB和经过静电放电的Al/CuO-SCB的电爆特性参数，t检验结果表明经过静电放电后的Al/CuO -SCB的爆发时间和爆发所需能量均没有发生显著性差异。因此，Al/CuO-SCB作为一类改进了的SCB，仍然具有较好的抗静电能力，其桥区上集成的含能薄膜层没有影响SCB的静电安全性。

［1］ Novotney D B， Welch B M， Evick D W. Semiconductor bridge development foe enhanced ESD and RF immunity ［R］. AIAA99-2417，1999.

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［3］ 周彬，王林狮，秦志春.一种半导体桥火工品抗静电技术［J］.火工品，2010（2）∶5-7.

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［6］ Peng Zhu， Ruiqi Shen， Yinghua Ye， Shuai Fu， and Dongle Li. Characterization of Al/CuO nanoenergetic multilayer films integrated with semiconductor bridge for initiator applications［J］. Appl. Phys，2013，113（18）∶184 505-184 505-5.

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［8］ 邓志杰，郑安生.半导体材料［M］.北京∶化学工业出版社，2004.

［9］ 叶迎华.火工品技术［M］.北京∶北京理工大学出版社，2007.

［10］ 陈飞.SCB火工品静电、射频损伤机理及其加固技术的研究［D］.南京∶南京理工大学，2012.

Research on the Electrostatic Safety of Energetic Semiconductor Bridge Integrated with Al/CuO Nanoenergetic Multilayer Films

WANG Liu1，LIU Hu2，ZHOU Bin1，LI Yong1

（1.School of Chemical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing， 210094；2.Anhui Hongxing Mechanical and Electrical Technology Company， Hefei， 231135）

In order to research the electrostatic safety of energetic semiconductor bridge integrated with Al/CuO nano-energetic multilayer films（abbreviation∶ Al/CuO-SCB）， different kinds of Al/CuO-SCB were tested in the electrostatic discharge（ESD） experiment. The tests show that all kinds of Al/CuO-SCB didn't fire under the condition of 500pF， 5kΩ and 25kV，the Al/CuO-SCB with small size was damaged easily by ESD， as well as the function time and the energy required of the Al/CuO-SCB didn't have significant differences after ESD test. It could infer that Al/CuO nanoenergetic multilayer films（Al/CuO-nEMFs） have no influence on the electrostatic safety of Al/CuO-SCB， by comparison with the experiment results of Al/CuO-SCB and semiconductor bridge without Al/CuO-nEMFs.

Semiconductor bridge；Al/CuO nanoenergetic multilayer films；Electrostatic safety；Electro-exploding parameters

TJ450.1

A

1003-1480（2015）01-0006-04

2014-10-22

王榴（1989-），女，在读硕士研究生，主要从事半导体桥点火研究。