TVS二极管用于半导体桥静电安全性研究 .pdf
图 1 试验用 TVS 外观图 Fig. 1 Appearance of TVS diodes used in test doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 03. 013 TVS 二极管用于半导体桥静电安全性研究 ❋ 左成林 周 彬 杜伟强 南京理工大学化工学院江苏南京,210094 [摘 要] 为了加强半导体桥SCB的静电安全性,利用 TVS 二极管抗浪涌特性,分别对经 TVS 二极管加固前、 后的 SCB 进行静电安全性研究 研究结果发现并联 TVS 二极管后,SCB 的发火时间无显著性变化;在 500 pF、不 串电阻条件下,SCB 在 6 kV 条件下均未发火,在 8 kV 条件下均发火;在 500 pF、不串电阻条件下,TVS 二极管加固 后的 SCB 在 9 kV 条件下均未发火,在 13 kV 条件下均发火;9 kV 静电作用后,TVS 加固后 SCB 的发火时间无显著 性变化 因此,TVS 二极管既能不影响 SCB 的正常发火性能,又能有效提高 SCB 的静电安全性 [关键词] 半导体桥;TVS 二极管;静电安全性 [分类号] TJ450 引言 半导体桥SCB [1-2] 是利用微电子技术发展起 来的新型电火工品,具有作用迅速、体积小、发火能 量低、可靠性好等优点,且具有一定的抗静电能 力[3] 但是近年来,电火工品的静电安全性问题日 益突出,半导体桥的静电安全性有必要得到进一步 提高 国内外研究者对电火工品的静电安全性进行了 多年的研究,提出了采用静电泄放通道[4]、增加绝 缘环[5]、集成齐纳二极管[6]、并联压敏电阻和 TVS 二极管等方法[7-8] 任钢[9]利用 TVS 二极管对半导 体桥进行了电磁加固,在美军标和国军标静电条件 下进行了静电安全性研究,TVS 二极管体现出了优 良的电磁防护能力 但是,在不串电阻更为严酷的 静电条件下,TVS 二极管的安全性目前尚未见公开 报道 本文采用 TVS 二极管进行静电加固ESD,在 500 pF 电容、不串电阻条件下,采用 TVS 二极管对 半导体桥火工品进行静电加固,对 SCB 的静电安全 性进行研究 1 试验样品 选取 SMBJ10CA 型号的 TVS 二极管用于 SCB 静电防护,该器件为贴片式结构,尺寸为 2 mm 2 mm 0. 3 mm,峰值功率为 600 W,漏电流小于 5 μA,击穿电压 11 V 左右,外观如图 1 所示 具有响 应快纳秒级、体积小、承载能力强等优良特性 本文利用 TVS 二极管 的这些特性对 SCB 进 行静电安全性试验 将 TVS 二极管与 SCB 通 过导线连接,当静电电 压高于器件的击穿电压 时,TVS 二极管会瞬间 响应,由高阻值断路状 态转为低阻值静电泄放 通道,瞬间分走大量静 电能力,对 SCB 起到很 好的防护作用 典型半 导体桥尺寸为 100 μm 400 μm 2 μm,电阻约为 1. 0 Ω,全发火能量约为 5 mJ 将斯蒂芬酸铅LT- NR涂覆在半导体桥芯片上,制成 SCB 火工品样 品 将 TVS 二极管通过导线外接在 SCB 脚线端,如 图 2 所示 2 试 验原理及装置 试验在500 pF、不串电阻条件下进行,静电放电 对 SCB 的作用过程可以看成简单的 R-C 电路,试验 原理如图 3 所示 图 3 中 C 为储能电容,设定充电 电压,开关转向 a 时进行充电,开关转向 b 时对 SCB 进行放电 试验所选用的仪器为JGY-50Ⅲ静电感度测 试仪、储能电容、防爆箱等所用药剂为LTNR,采用 脚脚静电加载方式 .26. 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 3 期 ❋ 收稿日期2015-09-25 作者简介左成林1989 - ,男,硕士研究生,主要从事半导体桥点火研究 E-mailzuochenglin86@ sina. com 通信作者周彬1971 - ,女,博士,副研究员,主要从事半导体桥火工品研究 E-mailzhoubin8266@ sina. com 图 2 试验用外接 TVS 的 SCB 外观图 Fig. 2 Appearance of SCB with external TVS diodes used in test 图 3 静电试验原理图 Fig. 3 Schematic of electrostatic test 3 试验结果与讨论 3. 1 静电试验结果 对未防护的典型 SCB 在不同静电电压下进行 试验,得到试验结果如表 1 所示 表 1 500 pF 下典型 SCB 静电试验结果 Tab. 1 500 pF electrostatic test results of typical SCB 电压/ kV静电能量/ mJ样品数量发火数量 56. 2580 69. 0080 712. 2584 816. 0088 试验结果表明,在 500 pF、不串电阻条件下, SCB 火工品在 6 kV 条件下均未发火,在 7 kV 条件 下有 4 发发火,在 8 kV 条件下全部发火 可以发 现,SCB 本身具有一定的抗静电能力,临界不发火电 压为 6 kV,全发火电压为 8 kV 为了提高 SCB 静电安全性,通过 TVS 二极管进 行加固,所得试验结果如表 2 所示 表 2 试验结果表明,在 500 pF、不串电阻条件 下,TVS 加固后 SCB 分别在7、8、9 kV 下8 发样品均 未发火,分别在 10、11、12 kV 下 3 发样品均有 1 发 样品发火,在 13 kV 下 3 发样品均发火 对比表 1 数据,在 500 pF、不串电阻条件下,TVS 二极管将 SCB 火工品不发火电压由 6kV 提高到 9 kV,不发火 静电能量由9. 00 mJ提高到20. 25 mJ,全发火电压由 8 kV提高到13 kV,全发火静电能量由16. 00 mJ提 表 2 500 pF 下 TVS 防护后的典型 SCB 静电试验结果 Tab. 2 500 pF electrostatic test results of typical SCB with TVS diodes 电压/ kV静电能量/ mJ样品数量发火数量 712. 2580 816. 0080 920. 2580 1025. 0031 1130. 2031 1236. 0031 1342. 2533 高到 42. 25 mJ,显著提高了 SCB 的抗静电能力 TVS 二极管具有瞬态抑制特性,具有优良的电 压钳制功能,利用此特性对 SCB 进行静电防护 当 SCB 火工品受到静电脉冲时,TVS 二极管瞬间响应, 由高阻值断路状态转为毫欧级低阻值静电泄放通 道,泄放大量静电能量,有效地保护 SCB 火工品 在不串电阻条件下,静电电压和静电能量相比于国 军标和美军标条件下要高出许多,TVS 的静电防护 能力会受到一定限制 3. 2 静电对 SCB 电爆性能的影响 在对 SCB 火工品进行防护设计时要考虑到防 护措施对 SCB 发火性能无影响,因此,需要对防护 后的电爆性能进行测试 SCB 火工品经过静电作用 后的性能是否发生改变也是考核静电防护措施是否 有效的方法,因此,也需要对静电作用后的 SCB 火 工品的电爆性能进行测试 试验仪器高速恒流起爆电源,高速数字存储示 波器 试验条件电流 5 A,脉冲持续时间 10 ms 将获得数据进行分析处理,得到 3 种样品的爆发时 间,结果如表 3 所示 表 3 恒流发火试验结果 Tab. 3 Ignition results under constant conditions 样品类型样本量 发火时间 均值/ μs 标准 偏差 SCB570. 26. 50 SCB + TVS581. 413. 32 ESD 后 SCB + TVS583. 111. 85 将 3 种火工品恒流发火时间进行 t 检验,比较 3 种火工品的发火时间是否具有显著性差异,所得结 果见表 4 水平 α =0. 05,样本量 n1=5、n2=5,查 t 检验分布表可得 t1-α/2{n1+ n2-2 =8} =2. 306 综合表 3 和表 4 结果,并联 TVS 二极管后,SCB .36.2016 年 6 月 TVS 二极管用于半导体桥静电安全性研究 左成林,等 表 4 发火时间的 t 检验结果 Tab. 4 t-test results of ignition time 类型t 检验值 SCB 与 SCB + TVS1. 690 2. 306 SCB + TVS 与 ESD 后 SCB + TVS0. 213 2. 306 火工品的发火时间均值略有增大,t 检验结果无显 著影响;对比静电加固前、后并联 TVS 的 SCB 火工 品的发火时间、t 检验结果无显著性影响 TVS 二极 管在击穿前处于高阻值断路状态,与 SCB 并联不会 影响其正常发火性能;TVS 加固的 SCB 在经受 9 kV 静电作用后均未发火,其发火时间无显著性变化 4 结论 本文利用 TVS 二极管的抗浪涌特性对 SCB 火 工品进行静电加固,在500 pF、不串电阻静电条件下 研究其加固效果,得到以下结论 15 A 恒流发火试验结果表明,并联 TVS 二极 管对 SCB 的发火时间无显著性影响 2500 pF、不串电阻条件下,SCB 火工品临界不 发火电压为 6 kV,不发火静电能量为 9 mJ;全发火 电压为8 kV,全发火静电能量为16 mJ,表明 SCB 自 身具有一定的抗静电能力 3500 pF、不串电阻条件下,TVS 二极管将 SCB 火工品不发火电压由 6 kV 提高到 9 kV,不发火静 电能量由 9. 00 mJ 提高到 20. 25 mJ;全发火电压由 8kV 提高到 13 kV,全发火静电能量由 16. 00 mJ 提 高到 42. 25 mJ,显著提高了 SCB 的抗静电能力 4对 9 kV 静电防护后的 SCB 进行 5 A 恒流发 火试验,发火时间无显著性变化 因此,TVS 作为 SCB 火工品静电加固的一种方 式,能够显著提高 SCB 静电安全性 参 考 文 献 [1] BICKES R W,GRUBELICH M C,HAMIS J A,et al. 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Electrostatic Safety of Semiconductor Bridge with External TVS Diodes ZUO Chenglin, ZHOU Bin, DU Weiqiang School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology Jiangsu Nanjing, 210094 [ABSTRACT] In order enhance electrostatic safety of the semiconductor bridge SCB, two kinds of SCB,including SCB and SCB with external TVS diodes, were tested in the electrostatic discharge experiment because of the surge handling capability of TVS diodes. The results show that the ignition time of SCB paralleling TVS diodes has no significant changes. On the conditions of 500 pF without series resistance,SCB does not fine at 6 kV and full fine at 8 kV, while SCB paralleling TVS diodes does not fine at 9 kV and full fine at 13 kV. Ignition time of SCB with TVS diodes has no significant changes after 9 kV electrostatic discharge experiment. It’s concluded that TVS diodes have no influence on normal ignition perfor- mance of SCB, and can improve the electrostatic safety of SCB effectively. [KEY WORDS] semiconductor bridges; TVS diodes; electrostatic safety .46. 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 3 期