李 芳, 張 蕊, 都振華, 崔菲菲, 周德鑫, 王 晟, 付東曉, 李 庚

(1. 陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所, 陜西 西安 710061; 2. 海軍裝備部, 北京 100841)

1 引 言

半導(dǎo)體橋(Semiconductor Bridge,SCB)火工品是近年來發(fā)展的一種新型火工品,它是利用半導(dǎo)體膜(或金屬—半導(dǎo)體復(fù)合膜)作為發(fā)火元件進(jìn)行引燃、起爆作用的新型火工品[1-3]。SCB火工品以SCB作為換能元件,利用電激發(fā)后產(chǎn)生的等離子體引發(fā)下一級裝藥,具有發(fā)火能量低、作用時間短、安全性好等特點,并具有一定的抗靜電、抗射頻能力,成為第三代火工品的代表之一[4]。SCB火工品在各種常規(guī)和智能彈藥、航天裝備、民用爆破器材等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[5-7]。

作為一種新型火工品,SCB雖已裝備部隊,但其貯存失效機(jī)理不明。國外研究指出[8],SCB雷管和點火器的改進(jìn)批次中有SCB焊區(qū)腐蝕的現(xiàn)象。分析認(rèn)為,腐蝕可能是由焊接導(dǎo)線的粘接劑中含有的氯化物和潮濕共同作用引起的,并觀察到被腐蝕的SCB的電阻比正常SCB高出約1 Ω,但由于其熱循環(huán)前未測量其電阻變化,因此,無法確定該阻值的變化是否由熱循環(huán)后的腐蝕引起。該報告認(rèn)為在選用鍍金的SCB進(jìn)行短期的環(huán)境試驗后,當(dāng)SCB裝置的鋁層上覆有多孔隙金層時,如果潮濕和氯化物兩個因素同時存在,就容易發(fā)生腐蝕; 腐蝕的程度與受氯化物污染的程度有關(guān); 只有潮濕時不會發(fā)生腐蝕。國內(nèi)的SCB制作工藝與國外相同,但分為橋區(qū)鍍金和不鍍金兩種,本研究以不鍍金的某SCB電極塞為研究對象,設(shè)計了不同貯存環(huán)境下SCB電極塞的加速壽命試驗,對其貯存失效模式和失效機(jī)理進(jìn)行研究，這對于SCB火工品生產(chǎn)條件的控制或貯存環(huán)境的設(shè)計,提高其貯存可靠性有非常重要的意義。

2 SCB電極塞的腐蝕效應(yīng)試驗設(shè)計

2.1 樣品和設(shè)備

半導(dǎo)體橋火工品包括SCB電極塞和裝藥兩部分,其中,裝藥部分為常規(guī)藥劑。半導(dǎo)體橋電極塞則是包含SCB芯片的新型換能元,是SCB火工品中的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)和性能直接影響到SCB火工品的發(fā)火性能。本文選擇不鍍金的某SCB電極塞作為研究對象,考察SCB電極塞對溫度、溫濕度及溫濕度含氯環(huán)境的敏感性。圖1為未經(jīng)貯存的試驗樣品照片。

a. panoramab. chip

圖1試驗用電極塞的全貌和芯片

Fig.1Panorama and chip of SCB electrode plugs

SCB電極塞包括電極塞和SCB芯片兩部分。試驗用SCB電極塞所嵌入的SCB芯片為橋路電阻為1 Ω的3-2型SCB芯片,該芯片包含一個二氧化硅和硅基底,基底上覆有一個蝴蝶結(jié)圖形的摻磷多晶硅。在蝴蝶結(jié)的兩個端面上附加了一個鋁層(焊盤),采用超聲焊接方式用硅鋁絲將焊盤和外部的腳線連接起來。為了增加牢固性和保護(hù)焊點不被氧化,通常在焊接好的焊點上均勻電鍍上一層銀。該蝴蝶結(jié)圖案的狹窄區(qū)域是半導(dǎo)體橋(SCB),一旦加載合適的電能,橋箔爆發(fā)產(chǎn)生等離子體,進(jìn)而激發(fā)炸藥。焊接后的芯片如圖2b所示。

試驗使用的溫濕度試驗設(shè)備為重慶五環(huán)生產(chǎn)的HT201型低溫恒溫恒濕試驗箱; 電阻測試使用泰克公司生產(chǎn)的Tektronix DMM4050六位半高精度電阻測試儀; 掃描電鏡為捷克TESCAN公司生產(chǎn)的VEGA TS5136型設(shè)備; 能譜分析儀為英國牛津公司生產(chǎn)的INCA-300型設(shè)備。

2.2 試驗條件及試驗項目

(1)單一溫度條件的加速壽命試驗

依據(jù)GJB736.8-1990《71 ℃試驗法》中規(guī)定的試驗環(huán)境,貯存環(huán)境溫度為71 ℃。

(2)溫濕度條件下的模擬貯存試驗

在保證SCB電極塞失效機(jī)理不變的前提下,同時加速獲得試驗結(jié)果,選擇貯存環(huán)境條件為80 ℃,相對濕度(RH)95%。

(3)含氯溫濕度條件下的模擬貯存試驗

貯存環(huán)境條件為80 ℃,RH95%。試驗前,配置濃度為30%的NaCl溶液,并利用蘸取NaCl溶液的棉簽接觸SCB電極塞的橋區(qū)(含芯片和焊點)部分,以模擬在產(chǎn)品制作過程中可能引入的氯離子對SCB電極塞的貯存性能的影響。并在常溫干燥后進(jìn)行模擬貯存試驗。

(4)電阻、掃描電鏡和能譜測試

每種條件下的試驗樣品為5發(fā),試驗周期70天。每14天取出試驗樣品進(jìn)行電阻測試,形貌檢查和能譜分析。樣品取出后,樣品在常溫干燥器內(nèi)放置24 h后進(jìn)行相關(guān)測試。測試完畢后,樣品重新放入溫濕度試驗箱中繼續(xù)試驗。

具體的試驗方案見表1。

表1SCB電極塞腐蝕效應(yīng)試驗條件

Table1Corrosion effect test condition of SCB electrode plugs

No.temperature/℃relativehumidity(RH)/%saltwater171--28095-3809530%NaCl

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 單一溫度應(yīng)力條件下試驗結(jié)果及分析

圖2和表2給出了71 ℃條件下貯存70天后SCB橋區(qū)形貌變化情況和電阻測試結(jié)果。從圖2可以看出,貯存后SCB橋區(qū)和焊區(qū)表面光潔,沒有腐蝕的現(xiàn)象發(fā)生。表2的電阻測試結(jié)果也表明貯存前后電阻沒有發(fā)生明顯的變化。說明單一溫度應(yīng)力對SCB電極塞的性能沒有影響。

a. bridge zoneb. welding point

圖2貯存70 d后SCB電極塞的橋區(qū)和焊點掃描電鏡照片

Fig.2SEM photograph of SCB bridge zone and welding point stored after 70 days

表271 ℃下不同貯存時間的電阻測試結(jié)果

Table2Resistance test results under different storage time at 71 ℃

storagetime/dmeanresistance/Ωstandarddifference/Ω01.1080.004141.1020.004281.110.007421.1160.009561.1060.011701.1180.008

3.2 溫濕度條件下試驗結(jié)果及分析

經(jīng)80 ℃,RH95%條件貯存70天后,隨著貯存時間的增加,試驗的5發(fā)SCB電極塞的腳線的腐蝕程度隨貯存時間增加而腐蝕點增多,說明腳線的腐蝕程度隨貯存時間增加而加深。圖3給出了SCB電極塞的腳線腐蝕情況。

對試驗各階段的5發(fā)SCB電極塞進(jìn)行了電阻測試,結(jié)果顯示,一發(fā)SCB電極塞的電阻在56～70 d貯存過程中由1.17 Ω急劇增加到3 Ω; 其余SCB電極塞的電阻僅增加0.2 Ω左右。對該5發(fā)SCB電極塞的電鏡分析結(jié)果表明,5發(fā)電極塞的橋區(qū)無腐蝕,而焊點除一發(fā)發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重腐蝕外,一發(fā)焊點出現(xiàn)輕微腐蝕,其余無明顯腐蝕。其中電阻由1.17 Ω急劇增加到3 Ω的該發(fā)SCB電極塞的橋區(qū)和焊點情況如圖4所示。

表3給出了各貯存時間段電阻的測試結(jié)果。

圖380 ℃,RH95%條件下貯存70 d后腳線的腐蝕情況

Fig.3Corrosion situation of leading wire after 70 d storage under the conditions of 80 ℃ and RH 95%

圖4嚴(yán)重腐蝕樣品的橋區(qū)和焊點腐蝕情況

Fig.4Bridge zone and soldering zone corrode situation of the badly corroded sample

表380 ℃,RH=95%條件下不同貯存時間的電阻測試結(jié)果

Table3Resistance test results at different storage time under the conditions of 80 ℃ and RH 95%

storagetime/dmean/Ωstandarddifference/Ω01.0780.017141.0640.014281.0700.012421.1100.031561.1070.031701.2250.418

從表3可以看出,隨著貯存時間的增加,電阻貯存前期呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢,至貯存70天時,電阻均值有了一個明顯的增大。分析其原因,貯存前期由于SCB橋區(qū)和焊點未發(fā)生明顯的腐蝕,主要是電極塞腳線的緩慢腐蝕導(dǎo)致電阻發(fā)生了緩慢增加; 隨著貯存時間的增加,有一發(fā)電極塞的焊點出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕引起了該發(fā)電阻的急劇增大,從而導(dǎo)致了電阻的均值和標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)生了較大的變化。

對圖4所示的出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕的電極塞的腐蝕點和未腐蝕點進(jìn)行了能譜分析,結(jié)果見圖5和表4。在腐蝕點發(fā)現(xiàn)有少量的氯離子存在,但含量很低,0.2%左右。在未被腐蝕的地方?jīng)]有氯離子出現(xiàn)。分析其原因,由于焊點的表面覆蓋有一層金屬銀起保護(hù)作用,潮濕情況下,極易在電鍍銀層的空隙處形成緩慢的電化學(xué)腐蝕,但這種腐蝕速度很慢,短期內(nèi)不會有明顯的現(xiàn)象,而氯離子則對這種緩慢的電化學(xué)腐蝕起了加速作用。

圖5嚴(yán)重腐蝕樣品的測試點及能譜的譜圖

Fig.5Test point and energy spectrum of the badly corroded sample

表4嚴(yán)重腐蝕樣品測試點的元素含量

Table 4 Element content of test point for the badly corroded sample %

3.3 沾有NaCl溶液的SCB電極塞在溫濕度條件下試驗結(jié)果及分析

SCB電極塞采用超聲焊接,且SCB火工品屬于危險品,在加工過程中,濕度要求在50%以上,且其加工過程為手工制造,不可避免地會接觸到手汗或空氣中的污染物。為了模擬SCB火工品在生產(chǎn)制造過程中所經(jīng)歷的這種狀態(tài),并研究濕度和空氣及潛在的氯離子對SCB電極塞的失效模式是否有影響,設(shè)計了本試驗。

試驗結(jié)果顯示,經(jīng)80 ℃,RH95%條件貯存70天后,隨著貯存時間的增加,腳線的腐蝕點增多; 而5發(fā)樣品的焊點隨著貯存時間的增加,均出現(xiàn)了不同程度的腐蝕,橋區(qū)無明顯變化,與僅有濕度作用相比,該條件下樣品的腐蝕程度更為嚴(yán)重。圖6給出了貯存70天后出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕的3號、4號以及發(fā)生輕微腐蝕的5號SCB電極塞的橋區(qū)和焊點的腐蝕情況。

a. sample 3

b. sample 4

c. sample 5

圖6不同樣品橋區(qū)和焊點的腐蝕情況

Fig.6Bridge zone and soldering zone for different sample

表5給出了80 ℃,RH95%條件下沾有NaCl溶液的SCB電極塞各貯存時間段電阻的測試結(jié)果。

表5各貯存時間SCB電極塞電阻測試結(jié)果

Table 5 Resistance test results at different storage time Ω

從表5可以看出,當(dāng)含氯成份引入后,在80 ℃,RH95%貯存條件下,與不引入含氯成分的試驗結(jié)果相比,電極塞的電阻阻值增大得更快。結(jié)合圖6各SCB電極塞的腐蝕情況發(fā)現(xiàn),電阻的變化與橋區(qū)和焊點的腐蝕程度成正比關(guān)系。如3號和4號電極塞焊點發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕,直接導(dǎo)致了電阻急劇增大至無窮; 5號電極塞焊點部分完好,其電阻沒有發(fā)生顯著增大。

對3號、4號和5號電極塞的腐蝕點和未腐蝕點進(jìn)行了能譜分析,結(jié)果表明,在腐蝕較為嚴(yán)重的地方氯離子含量通常都大于1%,有的超過了3%。圖7和表6給出了4號樣的能譜測試結(jié)果。

圖74號樣的測試點及能譜譜圖

Fig.7Test point and energy spectrum for sample 4

表64號樣各測試點的元素含量

Table 6 Element content of test point for sample 4 %

幾種環(huán)境條件下SCB電極塞的電阻和腐蝕情況的關(guān)系表明,在SCB火工品的貯存監(jiān)測過程中,如發(fā)現(xiàn)SCB電極塞的電阻在兩個監(jiān)測時間點之間發(fā)生明顯增大(通常超過0.5 Ω)時,預(yù)示著橋區(qū)和焊點發(fā)生了腐蝕; 當(dāng)SCB電極塞的電阻增大不明顯時,可認(rèn)為橋區(qū)和焊點受腐蝕的可能性較小,此時腳線的腐蝕是導(dǎo)致電阻增加的主要因素。因此,可通過監(jiān)測電阻的變化對SCB火工品的換能元的腐蝕情況進(jìn)行檢測。

4 結(jié) 論

(1) 單一溫度不會引起SCB電極塞焊點和腳線的腐蝕,不會引起SCB電極塞失效; 潮濕會引起SCB電極塞焊點和腳線的緩慢腐蝕,是導(dǎo)致SCB電極塞失效的一個因素; 濕度和氯離子共同存在引起SCB電極塞焊點的嚴(yán)重腐蝕,且氯離子的存在對SCB電極塞的腐蝕起了加速作用,是導(dǎo)致SCB電極塞快速失效的主要因素。

(2) 腳線的腐蝕僅能導(dǎo)致電阻的緩慢增加,而焊點的腐蝕則會導(dǎo)致電阻明顯變大,因此,電阻測試可以作為SCB換能元完好性的一個無損檢測手段。

(3) SCB橋區(qū)性能穩(wěn)定,不易發(fā)生腐蝕; 濕度的存在會導(dǎo)致SCB電極塞的腳線發(fā)生腐蝕,并易引起SCB焊點的空隙處發(fā)生緩慢腐蝕。因此,應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)流程控制,杜絕生產(chǎn)過程中濕度的引入,以免在SCB火工品的貯存過程中導(dǎo)致焊點的緩慢腐蝕。

(4) 氯離子對SCB電極塞的焊點腐蝕有加速作用。因此,在SCB芯片的制造工藝和SCB產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中,應(yīng)采取措施嚴(yán)格控制氯離子和潮濕的引入。

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