CN111952297A - 一种单片集成钝感火工品换能元芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单片集成钝感火工品换能元芯片，更具体地设计一种将火工品点火换能元件和可控硅结构的保护器件等进行单片集成形成对射频（RF）和静电（ESD）钝感的单片方案。与现有技术相比，本发明的装置具有更好的可靠性、安全性、效能更优异，以及成本更加低廉、产品体积更小的特点。更进一步的，其可以作为一个单元，与更大的芯片系统进行进一步集成。
Description
技术领域：
本发明涉及一种将火工品点火换能元件和可控硅结构的保护器件等进行单片集成，更具体的涉及一种对RF和ESD钝感的单片集成钝感半导体桥换能元芯片及其制备方法。
背景技术：
1968年L.E.Hollander等人公开的美国专利No#3366055披露了半导体桥换能元(SCB：Semiconductor Bridge)火工品。它与传统的桥丝(Bridge-wire)火工品相比，具有高瞬发性、高安全性、高可靠性、低发火能量以及能与数字逻辑电路组合等优点。半导体桥真正引起人们的重视是在20世纪80年代中期，美国山迪亚国家实验室(Sandia NationalLab)的R. W.Bickes等人对其进行了大量的研究、改进和完善，于1987年获得美国专利No#4708060。半导体桥火工品已用于数字化或智能化武器、卫星姿态控制、弹药弹道修正、民用安全气囊和爆破工程等，已成为微型点火和传爆序列芯片研究和应用领域的热点。
随着现代武器、弹药等爆炸装置及系统所处的电磁环境日益复杂和恶化，这些武器、弹药中的电火工品通过引线及耦合作用等接收、拾取的电磁能量，引起意外起爆或性能降低的风险日渐增大，带来的安全性和可靠性隐患。在射频(RF)和静电(ESD)能量较小的情况下，不足以引起火工品发火，但其热累积效应会使火工品的性能恶化，如爆炸药剂发生热分解引起性能变化，从而失去正常工作的可靠性，造成瞎火、发火延迟、钝感等。在电磁干扰能量积累到一定程度，就会造成火工品的意外发火起爆，威胁武器和人员安全。特别是对低发火能量(～1.0mJ)半导体桥SCB火工品，有必要对其进行ESD及RF防护。
1993年、1997年公开的两份美国专利US5179248和US5672841中分别提到用齐纳二极管进行脚—脚之间的射频防护和脚—壳间的静电防护，可以使电压箝位到某一固定值,从而保护脚—脚与脚—壳间不被击穿而发火。齐纳二极管一般用于电路中来防止作用时间短、电压幅度高、瞬态能量大的瞬态干扰能量对火工品的干扰。然而，由于二极管的整流特性，在正向偏置模式下，这种保护会丢失，因此使采用齐纳二极管保护方案的SCB火工品成为了带极性防护的器件，且能量吸收较小，负荷承受能力弱，容易出现过热情况。
B.Martinez-Tovar等人1999年公开的美国专利No#5992326,通过在多晶硅层和电极层之间添加了介电层，首先击穿介电层，以保护SCB点火器件远离静电高压(ESD)冲击的损害。
T.A.Baginski等人1999年公开的美国专利No#5905226设计了一个带有非线性电阻的半导体桥SCB换能元火工品装置，由两段蛇形金属薄膜电阻和中间蝴蝶结形SCB桥火工品电阻串联组成。施加给SCB火工品的电信号,在薄铝层上被转换成欧姆热，在蛇形电阻区域将欧姆热传导到底座中并耗散掉。可以使蝴蝶结区域保持较低的温度,防止SCB火工品因射频而意外发火。但是为了起爆这个火工品,须使用具有足够长周期的发火电流。
为了解决齐纳二极管防护方案中的极性问题，T.A.Baginski等人2001年提出了结型半导体桥火工品，采用两个肖特基(Schottky)二极管背靠背连接，直接集成到SCB火工品的桥区内的方法。该方案的缺点是电流负荷能力低。2008年进一步给出了一种单片集成背靠背的PN结型防护的半导体桥火工品芯片，能隔离500V以上的电压，24小时长时间暴露在恶劣的电磁干扰(EMI)环境下而不发火。如图1所示。该装置简单，易于制造，机械坚固，并且能够直接点燃普通的烟火化合物(BKNO3)。该结构对静电和射频放电钝感,并且由于产生了背靠背PN结二极管,装置可以形成直流封堵。2014年南京理工大学的周彬等人从半导体理论和实验上，对该结构进一步进行了验证(论文见IEEE TRANSACTIONS ON PLASMASCIENCE,VOL.42, NO.12,DECEMBER 2014)。
2006年南京理工大学的周彬、叶林等人.采用分立的半导体放电管、热敏电阻以及磁珠等对半导体桥SCB火工品施加静电和射频防护加固。研究表明，对于典型的半导体桥SCB而言，一般对ESD和EMI钝感，其中ESD损伤表现的更严重一些。ESD可以形成高电位、强电场和瞬时大电流，还可产生强烈的电磁辐射，形成电磁脉冲。ESD造成电子器件损伤的失效机理主要包括：热二次击穿、表面击穿、介质击穿、体击穿、金属导电层熔融和气体电弧放电，主要取决于放电电流或功率和放电电压。通常ESD造成的突发性硬失效约占总数的10％，而潜在性具有累积效应的缓慢软失效的器件约占90％，这类损伤不易察觉，因此危害性甚大。
如图2所示为采用分立的半导体放电管对半导体桥SCB火工品进行静电防护的原理图，其优点包括：与SCB连接的是保护器件是可控硅结构的半导体放电管，具有电流容量大、无极性双向对称浪涌保护、本身电容较小信号损失小、精确导通和快速响应(ns级)等方面的能力的优于气体放电管，压敏电阻及二极管。此外不同于箝位保护器件的是，半导体放电管的导通电压VT很小，因此几乎无热耗，所以可无限重复使用，且不会蜕化。
综上看见，现有技术的火工芯片在ESD和RF方面都存在安全性和可靠性问题，容易被损坏或烧毁，还存在危险性大，分立的防护方案体积大、质量一致性很难控制、成本高等问题。
发明内容：
本发明涉及一种单片集成钝感火工品换能元芯片，所述芯片将火工品换能元和防护器件单片集成在一起，形成了对射频(RF)和静电(ESD)钝感的火工品。
本发明的单片集成钝感火工品换能元芯片，其火工品换能元可以采用半导体桥SCB(多晶硅膜、反应式/复合式金属膜等)。
本发明的单片集成钝感火工品换能元芯片，其防护器件可采用可控硅晶闸管结构的半导体放电管。
半导体放电管是一种微型化、高频化和高可靠性的特殊新型电力电子半导体器件，它的结构是一种五层双端对称双向晶闸管，导通与关断只由外加电压或dv/dt决定，因此在线路的在线保护方面有着优越的性能而广泛地应用于通信电路系统中作为雷电浪涌、强脉冲干扰保护器。当外加电压低于其不动作电压时，管子的漏电流极小，相当于断路；当外电压继续加大时，开始发生击穿(与二极管类似)；外电压进一步加大后，管子两端变成通态，相当于短路，可泄放大的电流；当外电压撤去以后，管子可恢复断态，能重复使用且双向结构及电参数一致，可以泄放双向的过电压。
本发明的单片集成钝感火工品换能元芯片，其火工品换能元与半导体放电管等效电路可以是并联连接。当火工品换能元受到静电(ESD)和射频(RF)等电磁能量干扰，超过了半导体放电管的不动作电压VBR时，触发半导体放电管导通，迅速释放所述电磁干扰能量而达到保护火工品换能元的目的。
本发明的单片集成钝感火工品换能元芯片，其中，半导体放电管采用横向的NPNPN五层双端对称双向晶闸管结构。该结构的电流泄放能力强、漏电流极小、反应迅速、双向对称无极性。
本发明的单片集成钝感火工品换能元芯片，通过将半导体桥SCB换能元(多晶硅、反应式 /复合式金属膜等)与晶闸管结构的半导体放电管进行单片集成。基于引爆装置本质上是一次性使用的特点，本芯片方案的一个实施例还采用了衬底晶体硅-薄膜多晶硅，共同构成晶闸管结构的半导体放电管保护机构，并和半导体桥换能元SCB集成在同一芯片上。
本发明的单片集成钝感半导体桥换能元芯片，其钝感不动作电压可系列化，通过衬底1 和基区2之间的PN结击穿电压的设计来选取半导体放电管的不动作电压VBR规格(如商用的半导体放电管产品规格：25V、58V、120V、220V、320V……等系列)。对于火工品应用而言，这个VBR值通常在10-1000V范围内。通过阴极的触发周界和短路点的大小和密度(分别指如图3或4中N区3的形状和个数)的选取，来选取半导体放电管的其他参数：IBO、IH、dv/dt、di/dt 等。
本发明可以构成一个标准的对ESD及RF钝感的半导体桥火工品芯片的知识产权(IP)模块，可以进一步嵌入其他芯片设计中。
附图说明
1)图1是F钝感单片集成结型半导体桥火工芯片；其中，(a)是顶视图；(b)是等效电路图；(c)是特性曲线图。
2)图2是半导体放电管特性曲线和对SCB火工静电ESD防护原理图；其中，(a)是放电管特性曲线图；(b)是脚-脚间ESD防护图；(c)是脚-管壳间ESD防护图
3)图3是单片集成钝感半导体桥换能元芯片示意图；
4)图4是单片集成钝感半导体桥换能元芯片示意图。
具体实施方式
实施例1
如图3所示是本发明实施例1的单片集成钝感半导体桥换能元芯片的示意图。该图所示是一只采用某种包括NiCr、PtW、Au、NiAl、Al、CuO、Pd或Al等金属制作的金属膜或者复合含能膜桥的换能元件5，并联一只横向的半导体放电管组成。N型硅衬底1，P型区域2、N型区域3 等构成横向NPNPN五层结构双端对称双向晶闸管组成的半导体放电管保护器件。横向半导体放电管可以看作是两个无门极的晶闸管的组合，对于通常作为晶闸管阴极(图3中N区3)和作为门极(图3中P区2)用金属电极(图3中5)短接起来，即金属电极5不但被用来制作火工品换能元的电极和桥区，而且同时被用来制作所述阴极和门极的电极，并将所述阴极和门极短接在一起。
图3中4所代表的介质层或者介质层组合，起电绝缘和热隔离作用，使得火工品换能元发火作用时尽可能减少能量损失。该介质层或者介质层组合可以是SiO2、PI(聚酰亚胺)或者其他可以满足电绝缘和热隔离的材料或其组合，所述火工品换能元的桥区位于图中4的上方。
实施例2
如图4所示是本发明实施例2的单片集成钝感半导体桥换能元芯片的示意图。基于引爆装置本质上一次性使用的特点，实施例2采用了衬底晶体硅-多晶硅薄膜混合制造了横向NPNPN 五层结构双端对称双向晶闸管组成的半导体放电管保护器件。其半导体SCB桥采用的是基于电爆等离子体作用的重掺杂多晶硅桥火工品换能元。其中，重掺杂多晶硅N+区(图中3)不仅构成了SCB半导体桥火工品换能元器件(位于电绝缘热隔离介质层4的上部区域)，而且在横向“NPNPN”五层结构的半导体放电管中构成了两边的N区(两边对称的N发射区3)，中间的N区由衬底N区1构成。依照本实施例2的单片集成钝感半导体桥换能元芯片没有门极，对于通常作为晶闸管阴极(图中N区3)的和作为门极的P区2是用金属电极5短接起来。
图4中4所代表的可以是介质层或者介质层组合，起电绝缘和热隔离作用，使得换能元发火作用时尽可能减少能量损失。该介质层或者介质层组合可以是SiO2、PI(聚酰亚胺)或者其他可以满足电绝缘和热隔离的材料或其组合，所述火工品换能元的桥区位于图4中4的上方。
本发明提出了一种单片集成的芯片方案：通过采用横向NPNPN结构的半导体放电管作为静电(ESD)和射频(RF)的防护器件，和半导体SCB桥(多晶硅、反应式/复合式金属膜等)火工品换能元并联连接形成了单颗芯片。本发明具有以下诸多优势：(1)形成了对ESD和RF钝感的火工品，改善了其安全性和可靠性；(2)双向无极性防护了ESD和RF，不动作电压VBR等参数可以系列化；(3)不同于箝位防护器件，半导体放电管的导通电压VT很小，几乎无热耗。(4) 相较于分立器件方案，采用微电子工艺的单片集成方案，使得产品体积大幅度减小；(5)可实现批量制造，一致性更好、成本更加低廉。
Claims (17)
1.一种单片集成钝感火工品换能元芯片，其特征在于，该芯片将火工品换能元和防护器件单片集成在一起。
2.根据权利要求1所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其特征在于，所述防护器件为可控硅晶闸管结构的半导体放电管。
3.根据权利要求1或2所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其特征在于，所述火工品换能元为半导体桥。
4.根据权利要求3所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其特征在于，所述火工品换能元采用多晶硅、反应式或复合式金属膜半导体桥。
5.根据权利要求4所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其特征在于，所述火工品换能元采用包括NiCr、PtW、Au、NiAl、Al、CuO、Pd或Al在内的金属或者复合含能膜桥制成。
6.根据任一权利要求1、2、4或5所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其特征在于，所述半导体放电管是一种五层双端对称双向晶闸管。
7.根据权利要求6所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其特征在于，半导体放电管采用横向的NPNPN结构。
8.根据任一权利要求4、5或7所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其特征在于，所述火工品换能元与半导体放电管等效电路为并联连接。
9.根据权利要求8所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其特征在于，所述芯片采用衬底晶体硅和薄膜多晶硅共同构成NPNPN结构的半导体放电管保护机构。
10.根据任一权利要求1、2、4、5、7或9所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其特征在于，所述芯片通过阴极的触发周界和短路点的大小和密度来选取半导体放电管的参数。
11.根据任一权利要求1、2、4、5、7或9所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其中，火工品换能元半导体桥桥区的下方有起电绝缘和热隔离作用特殊的介质层或者介质层组合区域。
12.根据权利要求11所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其中，起电绝缘和热隔离作用特殊的介质层或者介质层由SiO2、聚酰亚胺或者其他电绝缘和热隔离的介质层材料或者介质层组合而成。
13.根据任一权利要求1、2、4、5、7、9或12所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其中，晶闸管阴极和门极用金属电极短路连接。
14.根据权利要求13所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其中，半导体桥换能元件采用的是基于电爆等离子体作用的重掺杂多晶硅桥。
15.根据任一权利要求1、2、4、5、7、9、12或14所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其中，晶闸管阴极和门极用金属电极短路连接。
16.根据任一权利要求1、2、4、5、7、9、12或14所述的单片集成顿感火工品换能元芯片，通过衬底1和基区2之间的PN结击穿电压的设计来选取半导体放电管的不动作电压VBR规格，可使所述火工品换能元芯片的规格系列化。
17.根据任一权利要求1、2、4、5、7、9、12、14或15所述的单片集成钝感火工品换能元芯片，其作为对ESD及RF钝感的半导体桥火工品芯片模块，整体嵌入其他芯片设计中。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112701086A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-04-23 | 浙江华泉微电子有限公司 | 一种集成射频、静电防护器件的火工品换能元的制备方法 |
| CN113314470A (zh) * | 2021-05-12 | 2021-08-27 | 湘潭大学 | 一种集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构和方法 |
| CN114975307A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-08-30 | 杭州电子科技大学 | 一种热反馈机制换能元芯片的设计方法 |
| CN114975306A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-08-30 | 杭州电子科技大学 | 一种热反馈机制换能元芯片 |
| TWI867961B (zh) * | 2024-02-07 | 2024-12-21 | 國巨股份有限公司 | 薄膜電阻及其製造方法 |
-
2019
- 2019-05-14 CN CN201910401708.0A patent/CN111952297A/zh active Pending
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