鄭子龍， 張文超， 秦志春， 吳剛剛， 俞春培， 王嘉鑫， 陳亞杰， 葉家海， 田桂蓉

(南京理工大學(xué) 化工學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

0 引言

半導(dǎo)體橋(SCB)火工品是一類利用半導(dǎo)體膜作為換能元件，通過微機電加工工藝制得的電火工品，具有高安全性、高可靠性、高瞬發(fā)度和低發(fā)火能量等優(yōu)點，已大量應(yīng)用于武器彈藥、航天等領(lǐng)域[1]。SCB火工品作為武器裝備的首發(fā)元件和最敏感元件，其在日益復(fù)雜電磁環(huán)境下的安全可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全可靠性。為提高SCB火工品的安全防護能力、防止意外發(fā)火，研究人員通過各種方式對SCB進(jìn)行了安全防護。Baginski等[2]根據(jù)鋁和硅材料逸出功的不同，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計在鋁和硅層間形成肖特基勢壘結(jié)；當(dāng)有靜電沖擊時，形成與電阻橋并聯(lián)的肖特基二極管，將高于電阻橋發(fā)火閾值的電流分走，從而防止電阻橋因靜電沖擊產(chǎn)生的歐姆熱而意外發(fā)火。Baginski等[3]將齊納二極管與SCB的橋區(qū)并聯(lián)，以防止交流感應(yīng)電壓或靜電放電對SCB產(chǎn)生不利影響。Bernardo等[4]將交叉切割及摻雜在芯片側(cè)面形成的兩個背靠背二極管與SCB相并聯(lián)，使靜電加載時通過二極管泄放，從而保護SCB不受靜電影響；Bernardo等[5]在金屬焊接區(qū)與橋區(qū)間增加介電層，以防止小能量的射頻干擾。趙佳[6]利用瞬態(tài)抑制二極管等器件加強SCB火工品的防靜電防射頻能力，且通過了1.0 A、1.00 W、5 min不發(fā)火的鈍感電火工品實驗。譚明[7]利用導(dǎo)熱性更好的陶瓷作為SCB封裝材料，通過數(shù)值模擬和實驗方法驗證了該SCB火工品可滿足鈍感電火工品的實驗要求。李慧等[8]利用ANSYS軟件模擬發(fā)現(xiàn)SCB的橋區(qū)尺寸影響其安全可靠性。陳飛等[9]、李勇等[10]利用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻提高了SCB火工品的安全防護能力，使SCB通過了1.0 A、1.00 W、5 min的鈍感電火工品實驗，但沒有對1.5 A、2.25 W、5 min的高鈍感性能進(jìn)行研究。

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，隨著大功率雷達(dá)、電磁武器的應(yīng)用，戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益惡劣，安全電流為1.0 A的電火工品逐漸不能滿足武器裝備的鈍感要求，因此安全電流為1.5 A的高鈍感電火工品成為研究的熱點。

本文通過選擇性能優(yōu)異的負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻，將其與SCB火工品并聯(lián)(簡稱NTC-SCB)，以滿足安全電流為1.5 A、最高2.0 A的高鈍感要求；研究了1.0 A和1.5 A恒流通電情況下NTC熱敏電阻對SCB的分流情況；對比研究了SCB、NTC-SCB和1.5 A、2.25 W、5 min安全電流實驗后的NTC-SCB在電容放電和恒流激勵條件下的發(fā)火特性。

1 實驗部分

1.1 貼片式NTC熱敏電阻

NTC熱敏電阻是一種電阻值隨著溫度升高而降低的電阻，它由兩種或者兩種以上過渡金屬氧化物材料組成，如MnO2、NiO、Fe2O3、CuO、Co2O3、TiO2等，在高溫環(huán)境(1 000～1 300 ℃)中長時間燒結(jié)，形成具有尖晶石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體陶瓷，然后在100～250 ℃下老化以穩(wěn)定性能，再分割成微小型基片，根據(jù)需要進(jìn)行不同外觀結(jié)構(gòu)的封裝[11]。根據(jù)工作溫度的不同，可將NTC熱敏電阻分為低溫型、常溫型、高溫型和臨界溫度系數(shù)線性熱敏電阻。常溫型熱敏電阻是研究比較成熟的一類熱敏電阻，其工作溫度范圍是-50～300 ℃，廣泛用于電器件的測溫、控溫、溫度補償及時間延遲等，比較適合SCB的安全防護[12]。

根據(jù)SCB電極塞結(jié)構(gòu)，本文選用體積小、無引線、適合表面貼裝、具有優(yōu)良可焊性的貼片式NTC熱敏電阻，其外觀如圖1(a)所示，尺寸為長度L=1.6 mm、寬度W=0.8 mm、高度H=0.8 mm，工作溫度范圍為-50～300 ℃，溫度響應(yīng)時間小于0.1 s. NTC熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系可用(1)式[13]表示為

(1)

式中：Rt為工作溫度T(單位為K)下NTC熱敏電阻的阻值；R0為工作溫度T0下NTC熱敏電阻的阻值；B為NTC熱敏電阻的材料系數(shù)。通過測試不同溫度下NTC熱敏電阻的阻值并對其進(jìn)行校準(zhǔn)，利用(1)式進(jìn)行擬合，最終得到NTC熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系式為

(2)

擬合相關(guān)系數(shù)為0.998. 具體擬合曲線如圖1(b)所示。

1.2 實驗樣品

本文實驗選用標(biāo)準(zhǔn)SCB芯片為研究對象，設(shè)計電阻為1.0 Ω，將其封裝在φ6 mm×4.5 mm的陶瓷電極塞中[14]。實驗中將貼片式NTC熱敏電阻用絕緣膠貼在SCB電極塞背面，并用錫焊將其兩級分別與SCB電極塞的兩根腳線連接，與SCB芯片形成并聯(lián)電路，如圖2所示。NTC-SCB的防護原理是：當(dāng)SCB受到電磁沖擊時溫度上升，NTC熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而下降，使輸入的總電流分流到NTC熱敏電阻上，通過SCB的電流減小，抑制半導(dǎo)體橋溫度繼續(xù)升高，達(dá)到熱穩(wěn)定平衡，使SCB滿足高鈍感的要求。

1.3 實驗裝置及實驗過程

在SCB火工品上涂覆斯蒂芬酸鉛(LTNR)起爆藥(黏結(jié)劑為硝化棉)，50 ℃溫度下烘干后進(jìn)行實驗。

1.3.1 安全電流實驗

為研究NTC熱敏電阻對SCB的防護作用及分流效果，NTC熱敏電阻不用錫焊連接，而是將其兩極各引出一根導(dǎo)線，并與SCB兩極引出的腳線并聯(lián)，以測試通電過程中各分路的電流變化情況。實驗電路圖如圖3所示。由圖3可見，電壓探頭用來測量SCB兩端電壓，電流探頭1用來測量干路的總電流I，電流探頭2用來測量SCB芯片支路中的電流Is，二者相減即可得到流過NTC熱敏電阻的電流In. 分別對并聯(lián)NTC熱敏電阻前后的SCB進(jìn)行安全電流實驗。選用南京理工大學(xué)自主研發(fā)的DC9801智能雷管電參數(shù)測試儀，利用美國LeCroy公司產(chǎn)WaveSurfer44Xs型高速數(shù)字存儲示波器采集通過SCB和NTC熱敏電阻的電流和兩端電壓。

1.3.2 電容放電和恒流激勵發(fā)火實驗

為研究NTC熱敏電阻對SCB發(fā)火特性的影響，采用電容放電和恒流激勵方式對SCB和NTC-SCB進(jìn)行點火實驗，同時研究1.5 A、2.25 W、5 min實驗后NTC-SCB發(fā)火性能的變化。電容放電實驗電路圖如圖4所示，選用精度高、內(nèi)阻小、漏電電流小、放電快的鉭電容。實驗過程中，SCB接入電路后，開關(guān)1閉合、開關(guān)2斷開，電源對電容充電；然后開關(guān)1斷開、開關(guān)2閉合，SCB的放電回路接通，電容對SCB放電，利用高速數(shù)字示波器記錄SCB發(fā)火過程中的電壓與電流。恒流激勵下的實驗電路只需要將圖4中的電容放電起爆儀(包括電源、開關(guān)、電容器)換為恒流源。

1.3.3 恒流激勵下的發(fā)火感度實驗

為研究NTC熱敏電阻對SCB在恒流激勵條件下發(fā)火特性的影響，采用感度實驗測試方法——蘭利法[15]分別測試SCB、NTC-SCB和1.5 A、2.25 W、5 min安全電流實驗后NTC-SCB的發(fā)火感度。具體實驗過程可以查閱參考文獻(xiàn)[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 安全電流實驗

從小電流向大電流分別對SCB和NTC-SCB進(jìn)行安全電流實驗，直至實驗過程中發(fā)火，每個電流條件下做3發(fā)平行實驗，結(jié)果如表1所示。由表1可知，SCB在沒有并聯(lián)NTC熱敏電阻時最大安全電流為0.8 A，在1.0 A、1.00 W、5 min安全電流實驗中，雖然有兩發(fā)樣品不發(fā)火，但是LTNR起爆藥顏色已由淡黃色變?yōu)樯铧S色，表明一部分藥劑發(fā)生了熱分解，且SCB的電阻也在高溫下發(fā)生了變化。其放電過程中SCB兩端的電壓和電流變化情況如圖5(a)所示(記為SCB-1.0 A)。由圖5(a)可見，隨著焦耳熱的積累，SCB溫度升高，高摻雜的多晶硅在低于1 100 K條件下是正溫度反饋[16]，因此電阻也逐漸升高，同時將熱量傳遞給陶瓷塞并擴散至空氣中，由于是恒流輸出，導(dǎo)致電壓逐漸升高，大約80 s達(dá)到熱穩(wěn)定平衡(橋區(qū)產(chǎn)生的焦耳熱速率等于系統(tǒng)向外散熱速率)。

表1 安全電流實驗結(jié)果

SCB并聯(lián)NTC熱敏電阻后的最大安全電流達(dá)到2.0 A，表明NTC熱敏電阻的加入能很好地使SCB火工品鈍感化甚至高鈍感化。圖5(b)、圖5(c)分別為NTC-SCB在1.0 A和1.5 A的安全電流實驗(分別記為NTC-SCB-1.0 A、NTC-SCB-1.5 A)中的SCB兩端電壓、通過SCB和NTC熱敏電阻的電流及溫度變化情況。根據(jù)測試得到的電壓與電流，可通過(3)式計算出電流加載過程中熱敏電阻阻值的變化情況為

(3)

將(3)式代入(2)式，可得到NTC熱敏電阻的溫度T隨時間的變化曲線。由此可知當(dāng)達(dá)到熱穩(wěn)定平衡時，這個溫度可以代表整個點火裝置的平衡溫度。當(dāng)通入1.0 A電流時，SCB產(chǎn)生焦耳熱，溫度升高，與其并聯(lián)的NTC熱敏電阻溫度也隨之升高，導(dǎo)致其電阻降低，通過SCB芯片的電流從最初的0.96 A在50 s左右減小到0.66 A. 相應(yīng)地，NTC熱敏電阻的分流比從4%增加至34%，并長時間保持穩(wěn)定，最終熱穩(wěn)定平衡時的溫度為110 ℃. 在1.5 A、2.25 W、5 min的安全電流實驗中，相對于1.0 A電流時NTC-SCB的產(chǎn)熱功率更高，40 s即可達(dá)到熱穩(wěn)定平衡，熱平衡時NTC熱敏電阻分流60%，分流效果更顯著，熱平衡溫度為167 ℃，雖然高于1.0 A時的平衡溫度和硝化棉分解溫度，但并未達(dá)到LTNR的起始分解溫度，因此在實際應(yīng)用中可以考慮在LTNR中加入耐高溫的黏合劑(如聚醋酸乙烯酯、酚醛樹脂等)。表2所示為NTC-SCB在1.0 A和1.5 A的安全電流實驗中的熱平衡參數(shù)。由表2可知，NTC熱敏電阻的平均分流比分別為35%和62%，平衡溫度大約在112 ℃和170 ℃左右，且樣品一致性較好。

2.2 電容放電和恒流激勵發(fā)火實驗

為了研究NTC熱敏電阻和1.5 A、2.25 W、5 min安全電流實驗對SCB在電容放電和恒流激勵情況下發(fā)火性能的影響，分別對SCB、NTC-SCB和1.5 A、2.25 W、5 min安全電流實驗后的NTC-SCB等3種狀態(tài)下在電容33 μF、電壓30 V和恒流7.0 A

表2 熱平衡參數(shù)

條件下進(jìn)行點火實驗，得到不同類型SCB電容放電和恒流激勵發(fā)火過程曲線如圖6所示。

在恒流激勵發(fā)火時，3種狀態(tài)下的電流電壓變化趨勢相似，由于輸入能量的速率相對電容放電時較慢，從電壓變化曲線來看，沒有出現(xiàn)明顯的第1個峰，但是同樣經(jīng)歷了橋區(qū)加熱、熔化、汽化過程，出現(xiàn)了SCB爆發(fā)時電壓突然增大、電流快速降為0 A的過程，此過程與電容放電時相似，均為電流對等離子體的二次放電過程，因此可判斷在恒流條件下3種狀態(tài)下的SCB均為電爆發(fā)火。從恒流發(fā)火時的平均發(fā)火時間(見表3)來看，SCB在恒流發(fā)火時平均發(fā)火時間是電容放電時的4.76倍，遠(yuǎn)大于電容放電時的發(fā)火時間。這種現(xiàn)象首先與兩種激勵的方式有關(guān)，由于恒流激勵時輸入能量的速率較慢，導(dǎo)致橋區(qū)在加熱、熔化過程中向周圍環(huán)境的熱損耗較多，需要更多的時間和能量使橋區(qū)達(dá)到電離發(fā)火的狀態(tài)。另外，NTC-SCB在恒流發(fā)火時的平均發(fā)火時間是電容放電時的5.70倍，要大于SCB時的4.76倍，因此可以判斷NTC熱敏電阻在恒流發(fā)火時具有比電容放電更明顯的分流現(xiàn)象，導(dǎo)致恒流激勵的發(fā)火時間大于電容放電時的發(fā)火時間。這兩種原因同時也導(dǎo)致恒流激勵的臨界發(fā)火能量大于電容放電時的發(fā)火能量。從t檢驗結(jié)果(見表4)來看，SCB并聯(lián)NTC熱敏電阻及進(jìn)行1.5 A、2.25 W、5 min安全電流實驗后均出現(xiàn)了顯著性變化，但是單從NTC-SCB的平均發(fā)火時間(63.51 μs)和臨界發(fā)火能量(3.19 mJ)來看，相對于傳統(tǒng)的橋絲式換能元、橋帶式換能元和金屬橋膜換能元[18]，NTC-SCB仍然具有高瞬發(fā)性和低點火能量的特點。

表3 不同類型SCB電容放電和恒流激勵發(fā)火實驗結(jié)果

表4 t檢驗結(jié)果

注：ta、tb分別表示電容放電時發(fā)火時間和臨界發(fā)火能量的t檢驗結(jié)果；tc、td分別表示恒流激勵時發(fā)火時間和臨界發(fā)火能量的t檢驗結(jié)果。

2.3 恒流激勵下的發(fā)火感度實驗

為了研究NTC熱敏電阻和1.5 A、2.25 W、5min安全電流實驗對SCB在恒流激勵下發(fā)火感度的影響，采用蘭利法分別測試SCB、NTC-SCB和1.5 A、2.25 W、5 min安全電流實驗后NTC-SCB的恒流發(fā)火感度。刺激量上下限設(shè)置為6.0 A和1.0 A，步長0.01 A，實驗結(jié)果如表5所示。由表5可見，50%發(fā)火電流為1.764 A，0.1%發(fā)火電流與99.9%發(fā)火電流的不確定區(qū)間為1.130 A. 并聯(lián)NTC熱敏電阻后，0.1%發(fā)火電流、50%發(fā)火電流和99.9%發(fā)火電流均有所增加，這是因為NTC熱敏電阻會產(chǎn)生一定的分流效果，而0.1%發(fā)火與99.9%發(fā)火的區(qū)間并無明顯變化，感度分布變異系數(shù)隨著50%發(fā)火電流的增加而減小。1.5 A、2.25 W、5 min安全電流實驗后的NTC-SCB，相對于實驗前的NTC-SCB，50%發(fā)火電流并無明顯變化，而0.1%發(fā)火電流減小，99.9%發(fā)火電流增加至4.285 A，同時感度分布變異系數(shù)也增大至13.49%，這可能是因為1.5 A的安全電流實驗相當(dāng)于對SCB和LTNR進(jìn)行約170 ℃的高溫處理，導(dǎo)致LTNR失去結(jié)晶水，晶體破碎、晶粒變小、體積變蓬松，并伴隨有微量熱分解，同時導(dǎo)致硝化棉快速分解，橋- 藥接觸傳熱學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，因此NTC-SCB的發(fā)火閾值及感度分布散差發(fā)生變化。當(dāng)發(fā)火電流裕度為1.30時，該NTC-SCB可用于提供大于5.571 A電流的火工裝置[19]。

表5 不同類型SCB恒流激勵下發(fā)火感度實驗結(jié)果

注：I0.1、I50、I99.9分別表示0.1%發(fā)火電流、50%發(fā)火電流和99.9%發(fā)火電流，不確定區(qū)間為0.1%發(fā)火電流與99.9%發(fā)火電流的區(qū)間，感度分布變異系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差與樣本均值(50%發(fā)火電流)之比[20]。

3 結(jié)論

本文通過并聯(lián)NTC熱敏電阻，使SCB達(dá)到了1.5 A、2.25 W、5 min、最高2.0 A、4.00 W、5 min不發(fā)火的高鈍感要求，研究了1.0 A和1.5 A通電條件下NTC熱敏電阻與SCB形成并聯(lián)電路后的分流情況；通過電容放電、恒流激勵發(fā)火實驗和恒流激勵下的發(fā)火感度實驗研究了SCB、NTC-SCB和1.5 A、2.25 W、5 min安全電流實驗后NTC-SCB的發(fā)火性能。得到主要結(jié)論如下：

1) 在1.0 A、1.00 W、5 min和1.5 A、2.25 W、5 min條件下達(dá)到熱平衡時，NTC熱敏電阻的分流比大約為35%和62%，平衡時的溫度約為112 ℃和170 ℃.

2) 在33 μF、30 V電容放電條件下，并聯(lián)NTC熱敏電阻后及1.5 A、2.25 W、5 min安全電流實驗后，SCB的發(fā)火時間和臨界發(fā)火能量均未出現(xiàn)顯著性變化。而在7.0 A恒流激勵條件下，SCB發(fā)火時間和發(fā)火能量有較明顯提高，但是仍然保持高瞬發(fā)性和低點火能量的優(yōu)點。

3) 由于NTC熱敏電阻分流，SCB的99.9%發(fā)火電流在并聯(lián)NTC熱敏電阻后從2.329 A增加到3.709 A；NTC-SCB在1.5 A、2.25 W、5 min安全電流實驗后的99.9%發(fā)火電流增加到4.285 A；當(dāng)發(fā)火電流裕度為1.30時，NTC-SCB高鈍感半導(dǎo)體橋可用于提供大于5.571 A電流的火工裝置。