半导体桥的研究进展与发展趋势.pdf

2 0 0 9 年4 月半导体桥的研究进展与发展趋势张文超等 2 l 半导体桥的研究进展与发展趋势’ 张文超张伟 徐振相 秦志春周彬叶家海 田桂蓉 南京理工大学化工学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要] 文章系统地综述了半导体桥芯片的研究现状和半导体桥点火性能测试的研究进展，并对半导体桥的发 展趋势以及应用前景进行了分析和展望，指出今后应当对反应式半导体桥和其它新型半导体桥的设计、制备及点 火机理进行研究。 [ 关键词] 火工品半导体桥半导体技术发展方向 ， 【分类号] ’玎4 5 0 ．3嬲5 ．2 2 随着科学技术的发展和电磁环境恶劣程度加 强，对火工品发火的精确性、一致性、抗静电、抗电磁 辐射等能力提出了更高的要求，半导体桥火工品 S C B 以其低发火能量、高安全性、高瞬发度以及能 与数字逻辑电路组合等优点已成为满足上述高要求 的理想的产品⋯，它的诞生是电火工品一次革命性 的飞跃。 目前，数字化、智能化武器弹药的点火、姿态控 制、弹道修正、解锁分离以及安全保险等都离不开微 型点火和传爆序列模块 芯片 。另外汽车的安全 气囊、预紧张器等民用领域也对发火装置的小型化 以及低发火能量提出了高要求，与传统的桥丝式点 火系统相比，将智能电子、保险和发火电路集成到起 爆器上，再加上半导体桥火工品点火性能的优越性， 使起爆器在体积、质量、功率和功能上都具有更多的 优势【2J ，因此半导体桥火工品已成为微型点火和传 爆序列芯片的研究和应用领域的热点。 半导体桥火工品的核心是半导体桥芯片 以下 简称半导体桥 ，其结构和性能直接影响半导体桥 火工品的性能。半导体桥是指利用微电子制造技术 使一种或多种金属或其它材料有控制地沉积于硅片 上，形成的单层或多层半导体复合桥膜作为换能的 器件p 1 。以下主要对半导体桥的研究进展和发展 趋势进行介绍和讨论。 l 半导体桥的研究现状 1 ．1 多晶硅半导体桥 最早的半导体桥是指在多晶硅中进行重掺杂形 成发火桥，利用半导体膜做发火元件的一类电火工 品，其结构由蓝宝石 或硅 基片与铝 或钨 覆盖层 之间呈”H ”型的重掺杂多晶硅构成[ ．】。该技术是 H o u a n d e r 在1 9 6 8 年发明的J ，在8 0 年代中期才真 正开始引起人们重视，美国桑迪亚实验室对该技术 作了改进和完善，并于1 9 8 7 年获得了专利[ ．】。 多晶硅半导体桥的发火机理是在电流的作用下 硅桥因焦耳热迅速气化并在电场的作用下形成 4 1 0 0 一6 0 0 0 K 弱等离子体，这种高温、高压的流体迅 速扩散到装药中，使装药受热达到着火温度而发 火【5 ’6 J 。该半导体桥具有低发火能量、高安全性、瞬 发度高等优点，但是铝电极易腐蚀且会产生电子迁 移现象J ，同时半导体桥也存在桥部产生火花量不 足，即点火可靠性较差的缺点。 1 ．2 单层金属半导体复合桥 1 9 9 0 年，D ．A ．B 明跏博士发明了钞硅 W ／S i 半导体复合桥【s 】，它由未掺杂的多晶硅上沉积一层 钨构成，其作用原理为当电流通过钨桥时，首先大量 电流从钨桥上流过，W ／S i 被加热，其中钨桥上电阻 增加，电流减小，而硅桥上电阻迅速减小，电流增加， 最后硅层被气化形成等离子体放电。钨／硅半导体 桥很好地解决了多晶硅半导体桥存在的易腐蚀、电 子迁移等问题，其结构如图l 所示HJ 。 I 、 ／I 二氧化硅 硅 图l 钨硅桥结构图 收稿日期2 0 ∞瑚抛 基金项目国家自然科学基金 5 ∞0 6 0 3 3 和重点实验室基金资助项目 项目编号略 。 作者简介张文超 1 9 r 7 7 一 ，助理研究员．在职博士．主要从事先进火工品、等离子体点火等方面研究。B 叫d 凼哪州州h o a ∞ y - h ∞． 万方数据 2 2 爆破器材E x p l ∞i v eM a t e l i a l s 第3 8 卷第2 期 由于在半导体桥上增加了金属层，与多晶硅半 导体桥相比金属半导体复合桥发火时产生了固体粒 子，这在一定程度上增加了半导体桥的点火能力，但 由于钨层的熔点3 6 9 5 K ，高于硅层蒸发的温度 2 6 2 8 K ，硅层蒸发产生等离子体被固态钨层包覆，从 而影响发火能力’。 为了克服上述缺陷，B e m a r d oMT 【刚等人在此 基础上发明了钛金属半导体复合桥，将上述钨层用 钛代替，由于钛的熔点为1 6 6 0 K 。低于硅蒸发时的温 度，在硅层蒸发前就已经熔化。另外，钛层受热时还 可以与环境中的氧气和氮气等发生放热反应，进一 步提高半导体桥的点火能力。由于产生的火花量有 限，因此对“桥”与药剂界面的要求比较苛刻。少许 的间隙也会影响发火甚至导致不发火【1 0 1 。 1 ．3多层金属半导体复合桥 多层金属半导体复合桥卜刎是对单层金属半 导体复合桥的进一步发展，由B 唧裥oM a n i I l 眈’I b v 盯等在2 0 0 0 年发明，结构如图2 所示【l 。它由硅 或蓝宝石基片、重掺杂多晶硅层、钳钛一钨／钨 。I V T i W ／w 复合层构成。在制作工艺过程中，吼伍- W ／w 复合层均采用金属溅射技术，不存在退火过 程。该器件克服了多晶硅半导体桥中使用铝电极的 电子迁移问题和硅钨桥中使用钨基层，因退火引起 的氧化问题，而且作用时间短、消耗能量小。由于该 多层金属结构与半导体之间粘着力强，减少了图l 中金属．硅界面的接触电阻并增加了金属层向底层 的传热，提高了器件的安全性。 图2 多层金属半导体桥复合桥结构图 日本的前田繁等人在上述半导体桥基础上进行 了改进，发明了焊盘部分和电桥部分由多组金属层 T i 、Z r 、A u 等 和金属氧化物 S i 0 2 、T i O 、灿0 3 等 层交替重叠 最上层为金属层，最下层为金属氧化 物层 的半导体桥引。通过加热金属层，金属在数 微秒内因超过沸点汽化而产生细微爆炸形成火花。 由于该半导体复合桥特殊的多层结构增大了火花 量，提高了点火可靠性，并且由于不通过化学反应而 降低了点火反应时间。多层金属半导体复合桥结构 比多晶硅、单层金属半导体复合桥复杂，制作成本也 较高。 1 ．4 反应式半导体桥 反应式半导体桥是半导体桥技术的新发展，由 R 0 l 锄dM ．F [ 1 列等人在2 0 0 4 年发明并申请专利。其 采用微电子制作工艺在金属半导体复合桥上分别溅 射Z r 、H f 、A J 和c u O 、F e 2 0 3 、M n 0 2 或z r T i 、B T i 等复合膜，通过复合膜的反应热或晶格热来提高半 导体桥的点火能力，反应式半导体桥的结构简图如 图3 所示。 金属桥 多晶硅 二氧化硅 图3 反应式半导体桥结构简图 由于在半导体桥上增加了可反应物质，靠金属 及氧化物之间发生铝热反应或晶格热放出的大量的 热和产生的火花使药剂发火，即使桥体和药剂之间 的间隙增加到近3 衄的情况下，被点药剂仍能全部 发火。 W i I 商e dB e Ⅱl h a r d ㈨等人在此基础上发明了可 以与活性金属层反应的含氟聚合物 F 凹2 2 等 、含 氯聚合物 P v C 等 和含氧聚合物 硝化棉等 等代 替上述金属氧化物的反应式半导体桥，其发火能量 为前者的l ／3 而点火可靠性大大提高。 反应式半导体桥降低了发火能量，增强了产品 的安全性，另外这种新装置解决了模件 器件 的可 靠性问题，因此该技术在机动车旁侧气囊和快速弹 射弹等军民用领域有广泛应用前景。将这项新技术 用于起爆器／雷管以及微型点火器件中，有效地降低 了制作成本。试验证明这种装置的可靠性，尤其是 跨间隙点火能力，表明反应式半导体桥是一种非常 强而可靠的点火源。 2 半导体桥点火性能测试研究进展 M y u n g ．ⅡP a d 【【l 副等人比较了s i I l g l e ．s C B 和 P o l y ．S C B 等离子体放电的电压和光输出的性能发 现S i n g l e S C B 比P b l y S C B 放电快，且S 叫e - S C B 的 温度上升速度更快。这是因为对于P l o y ．S C B ，部分 电流流过氧化层，损失了部分热。由此可知，s c B 的 结构对其等离子体放电有着重要的影响。 半导体桥生成的等离子体由于温度高、尺度小、 持续时间短等特点，对其温度的瞬态测量是个难题。 张文超【I 副等人采用高速数字存贮示波器、应用原子 发射光谱双谱线法测得了S C B 等离子体温度随时 间的变化曲线，对今后测量瞬态、小尺度、低温等离 万方数据 2 0 0 9 年4 月半导体桥的研究进展与发展趋势张文超等 2 3 子体温度具有借鉴意义。在此基础上，得到了一定 电容下不同充电电压与S C B 等离子体温度变化规 律，该项研究对研究半导体桥的发火机理具有基础 性作用。 祝明水[ 1 “ 等人通过对半导体桥动态阻抗的试 验研究，将半导体桥的作用过程分为四个阶段，分别 用线性和指数衰减关系表示。试验结果表明，四段 关系式能够很好地拟合高加载速率、无能量损失情 况下的半导体桥动态电阻一输入能量曲线。该结果 对分析半导体桥的电学行为以及对半导体桥电学性 能的模拟将会有所帮助，对半导体桥火工品的设计 能够起到一定的指导作用。 金峰【l 钉等人在比较、分析几种常用的半导体桥 结构的基础上，设计了一种新的半导体桥结构，该结 构从理论上讲具有更好的点火性能。通过对半导体 桥长、宽、厚度和连接区的设计分析，得到了半导体 桥结构设计的思路和各参数的确定方法，论证了半 导体桥厚度6 2 I l 皿的合理性。根据半导体桥点火 过程中的能量关系建立了数学模型，推导出了半导 体桥长和宽的计算公式。 S C B 点火装置的临界发火能量和发火时间是 S C B 点火装置的重要参数，降低临界发火能量对点 火装置的灵巧化、小型化、智能化以及降低发火电压 具有十分重要的意义。降低发火能量除了从“桥” 的材料上进行改进之外，也可以从“桥”的尺寸设 计、质量等着手。毛国强等的研究表明9 I 1 s c B 发火时间随着其质量的增加成指数递增的趋势，发 火时所消耗的的能量呈线性递增的关系。 2 质量 相等，长宽比不等的S C B ，发火时间、发火所需的能 量与S C B 长宽比的增加均呈现出指数递减关系。 3 对S C B 选择合适的掺杂浓度和图形、增大长宽 比、减小质量，可以降低S C B 火工品的发火能量。 祝明水等人的研究表明，适当缩短“桥”长是提高半 导体桥电功密度、降低发火能量的有效途径啪J 。 3 半导体桥的研究方向和发展趋势 从目前国内外半导体桥的研究进展来看，国外 对半导体复合桥以及反应式半导体桥等新型半导体 桥进行了研究，而国内主要集中在对多晶硅半导体 桥的设计、制造、点火起爆以及应用等进行了研究， 对性能更优越的反应式半导体桥和其它新型半导体 桥的相关研究国内未见公开报道，因此开展反应式 半导体桥的设计、制备及点火机理研究具有重要意 义；其次，就是要想优化S C B 火工品，相关的机理及 基础研究是关键，对半导体桥机理的研究需要进一 步深入；另外由于半导体桥应用前景极其广泛，利用 微电子行业制造技术、集成技术、封装技术等自动化 生产工艺，开发和生产小型化、智能化和低成本的半 导体桥已是发展的趋势。相信随着半导体桥火工品 性能的不断优化，半导体桥必将得到更加广泛的应 用。 参考文献 [ 1 ] 徐振相，周彬，秦志春，等．微电子火工品的发展及应 用[ J ] ．爆破器材，2 0 0 4 ，3 3 增刊 2 9 3 4 ． [ 2 ] c ．B o u c h e r ，D ．N o v o t n e y ．N e x tG e 鹏m t i 帆s e l n i ∞n d u c 眩 B r i d g eI n i d 砷啪[ R ] ．A l A A 2 0 0 0 - 3 7 3 1 ，2 0 0 0 ． 【3 】祝逢春，秦志春，陈西武，等．半导体桥的设计分析 [ J ] ．爆破器材，2 0 0 4 ，3 3 2 2 2 2 5 ． [ 4 ] R D b e I tw ．B i c k ∞J r ，A l 丘耐c ．s c h w a 忍．s e Ⅲi ∞n d ∞研 B r i d g e S C B I 鲥t e r [ P ] ．U S ，u S P 4 7 0 8 0 6 0 ，1 9 8 7 ． [ 5 ]H o n 锄d 盱J r ．s e m i c o I l d u 砸“ b 出i 佗I g n i t 盯[ P ] ．u s ， U S P3 3 6 6 0 5 5 ．1 臾路． 【6 ] J ∞g d a e №，l e e - s o oN 锄，J 哪i I l gK c ．P l a 8 m n 静 h 咖D e 璐i t yG e n e r a t e db yaS 锄i c o n d u c t 盯酾d g e 衄a F 呻甜∞0 f I n p u tE n e r g y 蚰dL a n dM 砒e r i a l [ J ] ．观 T I 叫蛐c t i 哪蚰日啪风v i c 鹤，1 9 9 r 7 ，4 4 6 1 0 2 2 一 1 0 2 6 ． 【7 ] 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，2 0 0 3 ，2 4 1 1 0 6 1 1 0 ． [ 8 ]D ．A ．B e n B ∞，R ．w ．B i c k 朗，J r ．，R ．S ．B l e w e r ． T 1 m 黜nB r i 姆f o r “L o wE 弛田I 鲥d 叩c I f E x p l o e i “ 鲫dE 鹏r g e t i cM a t d a l 8 [ P ] ．U s ，u S P4 9 7 6 2 0 0 ，1 9 9 0 ． [ 9 ] B 锄a r d oM a r t i r I ％- 1 ．0 v 盯，M a r t i nc ．F ．鸺t e r ．T i t a I l i 哪 s e m i c ∞d u c t o r B r i d g eI | p 嚏i t 盯 [ P 】．u s ，u S P 2 0 0 r 7 ∞56 ‘钙9 A L ．2 0 0 7 ． [ 1 0 ]W ．D ．f 讪留．A ni Ⅲp m v e dI g I 蚯帆D 耐∞t l 圮l t c 撒- 饥S e m i ∞n d u c t o rB r i 如[ R ] ．A 姒2 0 0 1 - 3 镐4 ， 2 0 0 1 ． [ 1 1 ] B e 巾a I d oM a I t i n 眈- 1 I o Ⅷr ，J o l l I IA ．M o 咖y a ．S e 面鲫I - d u c t o rB 蒯g eD e v i c e 舳dM e t h o do fM a k i I l gt l 地S a 啦 [ P ] ．u s ，u S P6 1 3 3 1 4 6 ，2 0 0 0 ． [ 1 2 ] 前田繁，椋木大刚．半导体桥装置以及具备半导体桥 电桥装置的点火器[ P ] ．中国专利2 0 0 5 8 0 0 3 3 6 4 0 ．1 ， 2 0 0 r 7 ． 【1 3 ] R 础I I l dM ．F ，W i n 岱e dB ，u l r i c h ．kB 谢伊i 鲥t e r [ P ] ．u S ，U S P 鹋1 0 8 1 5 8 2 ，2 0 0 4 ． [ 1 4 ] W i 血i e dB e n 山I l d ，【越zM u e u 盯，u h i c hK u 眦．B 耐伊 t r p eI 鲥t 盱辆t i ∞E l e m 哪[ P ] ．u S ， U S P 6 9 8 6 3 0 7 8 2 。2 0 0 6 ． [ 1 5 ]M y m 略- 1 1P a r k ，H y o ．T 帖c h ∞，s - HY 咖，e ta 1 ．c 锄- p a r i 咖0 fP k m aG e r l 吲m o nB e h 删船B e m 嘲aS ．m 出 c r y 8 t a lS e m i ∞n d u c t o rB r i d g e B i n 西e - s c B a n da 附y ． 8 i l i c ∞s 锄i 鲫l d u c t o fB r i d g e p o l y s c B [ J ] ．s a 姗 a I l dA c t u 吐∞A ，2 0 0 4 ，1 0 4 1 0 8 ． 【1 6 ] 张文超，周彬，王文，等．半导体桥等离子体温度的 万方数据 2 4 爆破器材E 】【p l I 幛i v eM 且t e r i a l s 第3 8 卷第2 期 [ 1 7 】 [ 1 8 ] 原子发射光谱法测量[ J ] ．原子与分子物理学报， 2 0 0 8 ，2 5 2 3 1 3 3 1 6 ． 祝明水，何碧，胡美娥，等．半导体桥动态阻抗的试验 研究[ J ] ．爆破器材，2 0 0 7 ，3 6 2 1 8 2 0 ． 金峰，康小明．半导体桥结构设计分析[ J ] ．爆破器 材，2 0 0 8 ，3 7 1 2 l 一2 4 ． [ 1 9 ]毛国强．低发火能量、高安全性半导体桥的研究 [ D ] ．南京南京理工大学，2 0 c r 7 ． [ 2 0 ] 祝明水，何碧，费三国，等．关于降低半导体桥发火能 量的理论探讨[ J ] ．火工品，2 0 0 7 1 3 5 3 7 ． 1 h g 他醛蛆dD 吖e l o p m 蛐to n 洲c o n d u c t o rB d d g eK 幽t 叫 Z H A N GW e 眦h a o ，Z H A N GW e i ，X Uz h e 捌a I l g ，Q I Nz l l i c h 岫，z } l O uB i n ，Y EJ i a h a i ，’I I A NG u i 咖g S c 埘0 fC h e m i c a lE I l g 洳e r i I I g ，N 觚j i I l g 眦咖畸o fS c i e 眦＆‰h n o 蛔 J i 柚轳uN 眦j i n g ，2 1 0 0 9 4 [ A B 鲫R A C I ．] ．I kp m 卵靶80 f ∞m i c 伽d u c t o rb 谢g ec h i p 蛐di 乜i 鲥d ∞c h 唧c t e r i s d c 聪倒蛐雠th 帆b 嘲舢心 m a r i z e d8 y 8 t e m a t i c a u y ．T h ed e v e l 叩m e n t 臼℃n d 眦d8 p p l i e dp r ∞p e c th v eb ∞n 锄a l y z e df ．o rt l l e8 e m i 咖d u d o rh i d 护c I l i p ． I ti 8 阿眦do u tt l l 砒d 髓蛔，咖I m k t u 托a I l d 艋n g 哦h a I l i 哪o f 也e 瑚| c t i v es c Ba n dt I l eo t h 竹咖p 画ks c B8 h o I l l db e i n v ∞t i g a t e di r It l l e 矗l t u 陀． [ Ⅺ’Yw 0 R D s ] i n 晒a 血唱d e v i ∞，哪i o ∞d u c 附M d 萨。砌n i 咖d u c 盼t ∞l 瑚 D 盯，d e 叫【o p 删叫d i l e c t i ∞ l 破坏油包水乳化炸药的介质 日本专利，J P2 0 0 l1 2 2 6 8 7 ，2 0 0 l ，5 ．8 。共7 页 日文 一种用于破坏油包水乳化炸药的介质，它含有 表面活性荆、醇和醚。具有亲水亲油平衡 H L B 为 9 ～1 7 的非离子表面活性剂是最适合要求的。在乳 化炸药的生产设备和运输容器中残留的乳化炸药可 加入上述介质和水，在搅拌或环流后，将炸药破坏和 清除。 2 乳化粉状粒状炸药及其在地下矿中的应用 E x p l D s ．B l a s d I l gT e c h ．，P r o c ．W o r l dC ∞f ．1 髓 炸药与爆破技术，第1 次世界会议会议录 2 0 0 0 ， 2 5 l 一2 5 4 英文 提出了一种新的粉状粒状硝酸铵炸药，即乳化 粉状粒状炸药 锄u 1 8 i f i e d 州d e 咒dg r a 删h t e de x p b s i v e 。这种炸药具有乳化炸药和粉状炸药两者显 著优点的油包氧化剂相 o x i d i 冼rp h 舾e - i n - o i l 的独 特结构。在该文中讨论了这种乳化粉状粒状炸药的 配方、制造、工艺、性能及其在地下矿爆破中的应用。 3 浆状炸药 这里指梯思梯与水组成的浆状液 的 安全情况 N A l I os c i ．S e r 北大西洋公约组织科学丛书 Ⅱ2 0 0 0 ，3 退役枪炮和火箭的发射药在工业炸药中 的应用 ，1 4 9 一1 7 3 英文 已研究了一种用高压水射流将弹药中的炸药取 出的方法，在炸药与金属件分离后，弹药部件还可以 再用。分离出的梯恩梯装药还可以用作工业炸药的 成分。金属弹壳可以用作教练弹。就一切情况来 说，由弹药拆卸得出的炸药是不能再使用的，因此必 须加以处理。处理废炸药的一种可能的方法是把炸 药焚烧掉。在焚烧炸药时常有爆炸危险。由于炸药 的特性，可能发生物理变化和化学变化，缓慢的燃烧 反应可能转化为急烈的燃烧或甚至引起爆轰，这会 导致财产损失和人员伤亡。抑制炸药事故发生的最 常用的方法是使炸药加湿 即将炸药加水 。炸药 中含水达3 0 ％时，就不再被归类为炸药。为防止炸 药在水中沉降，可加入附加物使浆状液安定，可至少 贮存数月。为评估在处理和焚烧浆状液时可能发生 的危险。对含有5 0 ％梯恩梯和5 0 ％水的浆状液进行 了安全性试验。这些试验包括对撞击、摩擦、静电放 电和热感度的试验。对于浆状液被干燥后形成的浆 状物做了同样的试验以研究浆状液溢出、泄漏而使 浆状液干燥的可能性的危险。下一步是研究浆状液 在密闭时的反应。这种密闭状态可能发生于工艺设 备中，由于密闭的炸药通常表现出很高的反应速率 和压力。这种浆状液在工艺设备中可被外来热源 如着火和电气短路 所点燃。所用的试验方法包 括‰m n 试验和爆燃转爆轰试验。最严厉的试验 是爆轰试验，在爆轰试验中，可以检测出浆状液呈现 爆轰反应的能力。进行的试验清楚地表明很难点燃 这种浆状液，一旦被点燃，也没有检测出反应的传 播。即使从邻近爆轰炸药的极强的冲击波散射到浆 状液中，结果是传播的冲击波的衰减。这种浆状液 在处理、运输和贮存时是安全的。 钟一鹏译自美国 v 0 1 ．1 3 4 ．N o ．2 4 2 0 0 1 万方数据