CN103673792B - 一种高瞬发半导体桥发火组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高瞬发半导体桥发火组件，属于半导体桥发火装置领域。所述高瞬发半导体桥发火组件包括管壳(7)以及安装在管壳(7)内的装药和换能元；所述管壳(7)为套筒结构，其一端为开口端，另一端为封闭端，在封闭端上开有轴向通孔；所述换能元包括陶瓷电极塞(11)，在所述陶瓷电极塞(11)的上方设有半导体桥芯片；所述半导体桥芯片从下到上依次包括硅衬底、多晶硅基片(4)，电桥(1)和铝电极(6)；所述硅衬底的下端面粘接在所述陶瓷电极塞(11)的上端面上；所述铝电极(6)包括两块分开且对称设置的电极区(3)，两个电极区(3)通过所述电桥(1)连接。
Description
技术领域
本发明属于半导体桥发火装置领域，具体涉及一种高瞬发半导体桥发火组件。
背景技术
现有的半导体桥长100μm，宽380μm，厚2μm，掺杂浓度为7×1019磷原子/cm3时，此时电阻率可达到7.6×10-4Ω·cm，同时可得到1Ω左右的电桥电阻。由于现有半导体桥发火装置体积较大，发火电压较高，一般在10V～30V，难以满足低电压、低能量发火的要求。
发明内容
本发明针对现有半导体桥存在发火电压偏高、不能满足低压发火(＜10V)的技术要求的问题，提供一种高瞬发半导体桥发火组件，通过改进电桥尺寸，确定最佳的掺杂浓度，优化电桥结构，从而达到显著降低发火电压和发火能量的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高瞬发半导体桥发火组件，包括管壳7以及安装在管壳7内的装药和换能元；
所述管壳7为套筒结构，其一端为开口端，另一端为封闭端，在封闭端上开有轴向通孔；
所述换能元包括陶瓷电极塞11，在所述陶瓷电极塞11的上方设有半导体桥芯片；所述半导体桥芯片从下到上依次包括硅衬底、多晶硅基片4，电桥1和铝电极6；所述硅衬底的下端面粘接在所述陶瓷电极塞11的上端面上；
所述铝电极6包括两块分开且对称设置的电极区3，两个电极区3通过所述电桥1连接；
所述装药包括两层装药，分别为第一层装药9和第二层装药8；
在管壳7内先装入第二层装药8，再装入第一层装药9，然后将陶瓷电极塞11塞入管壳7内，所述陶瓷电极塞11的外表面与管壳7的内表面接触；所述第二层装药8与管壳7的封闭端接触，第二层装药8覆盖在第一层装药9上，第一层装药9覆盖在电桥1的上表面上。
所述电桥1为带缺口的长方形电桥或正方形电桥；所述带缺口的长方形电桥是在长方形的两个短边上分别设有一个V型角缺口，两个V型角缺口对称设置，两者的顶点相对；所述正方形电桥的长宽相等。
所述电桥1的长度为15～35μm，宽度为60～100μm，厚度为2μm；
所述铝电极6的厚度为0.8～1.2μm，该结构尺寸小，发火电压或能量低。
所述电桥1的材料为高掺杂浓度n型多晶硅，其掺杂浓度为1020个磷原子每立方厘米。
所述第一层装药9采用的是等离子体敏感的斯蒂芬酸铅，第二层装药8采用的是叠氮化铅；
所述第一层装药9和第二层装药8的质量之比为：1/5～1/2；
所述第一层装药9的药剂粒径不大于电桥1的最小尺寸的十分之一；
所述第一层装药9和第二层装药8的密度均不小于药剂理论密度的90％。
所述陶瓷电极塞11是高绝缘的，采用的是95瓷或99瓷。
在所述陶瓷电极塞11内设有两根脚线13，两根脚线13的上端分别与两个电极区3连接，下端伸出陶瓷电极塞11。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明具有尺寸小、发火能量低、发火电压低、发火时间短的优点，且具有良好的抗静电、防射频的能力。
附图说明
图1是本发明高瞬发半导体桥发火组件的结构示意图。
图2是本发明高瞬发半导体桥发火组件中的具有带缺口长方形电桥的换能元的俯视图。
图3是图2中的带缺口长方形电桥的结构示意图。
图4是本发明高瞬发半导体桥发火组件中的具有正方形电桥的换能元的俯视图。
图5是图4中的正方形电桥的结构示意图。
图6是图3和图5中沿A-A方向的剖面图。
图7是图2和图4中沿B-B方向的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
为了克服现有半导体桥在10μF电容放电时，发火电压难以降至10V以下的缺点，本发明设计出一种高瞬发半导体桥发火组件，其结构如图1所示，利用本发明可使发火电压降至6.3V以下，放电电压10V时的发火时间降至10μs以下。
如图1所示，本发明高瞬发半导体桥发火组件包括换能元、装药和管壳7；所述换能元采用低能爆发微型半导体桥换能元，所述装药采用微纳米等离子体敏感发火装药。
所述低能爆发微型半导体桥换能元包括陶瓷电极塞11和半导体桥芯片，所述半导体桥芯片从下至上依次包括硅衬底、多晶硅基片4、电桥1和铝电极6。所述低能爆发微型半导体桥换能元有两种：一种是具有正方形电桥的，如图4所示，另一种是具有带缺口的长方形电桥的，如图2所示。正方形电桥的长宽相等，具体结构如图5所示；带缺口的长方形的半导体桥换能元是在传统桥的基础上设计为中间有两个对称的V型角缺口，具体结构如图3所示，当较小的电流通过时，热量通过桥面散失到基底和环境中，当有较大的脉冲电流流经此处时，由于此处电流密度最高，温度升高最快，最容易发生电爆现象，产生等离子体。
如图3和图5所示，在硅衬底(如图3和图5中的不规则曲线所示意的)上外延多晶硅基片4，用三氯氧化磷扩散的磷给多晶硅掺杂，当掺杂浓度为1020个磷原子/cm3时达到了多晶硅的临界饱和浓度，此时厚度2μm的多晶硅电桥(就是指长方形或正方形电桥)可达到9.93Ω的方阻。高掺杂浓度多晶硅的厚度为2μm，然后用计算机控制掩膜技术和光刻工艺形成所需要的掺杂产晶，即高掺杂浓度多晶硅2，它分为两个对称的面积相对较大的电极区3及中间的电桥1，本发明中电桥的形状有带缺口5的长方形(如图3所示)和正方形(如图5所示)两种。
如图3和图5所示，高掺杂浓度多晶硅2的形状决定电桥的宽度W，然后将铝淀积在全部高掺杂浓度多晶硅2上，再用计算机控制掩膜技术、光刻以及洗蚀工序形成铝电极6的两个电极区3和中间的电桥1的形状。如图6和图7所示(图6中的铝电极与掺杂硅未按比例画)，铝电极6之间的距离决定了电桥的长度L。
激发半导体桥产生高温等离子体的能量与电桥的体积有关，桥的体积越大，激发电桥成为等离子体态所需要的能量也越多，并且单位时间内通过电桥表面散失的热量越多。所以通过适当减小半导体桥的体积可实现降低发火能量或发火电压的目的。但是如果桥的体积过小，所产生的等离子体的量不足以激发药剂发火。所以半导体桥在满足低电压发火的情况下存在最佳尺寸。本发明中电桥的宽度W设计为60～100μm，长度L设计为15～35μm，铝电极6的厚度设计为0.8～1.2μm。
微纳米等离子体敏感发火装药是由等离子体敏感的LTNR和PbN6组成的两层装药的点火药。等离子体敏感的LTNR的发火能量低，但是燃速很低，而PbN6虽然发火能量相对较高，但是燃速很高。本发明针对这种现象，通过将两者按照一定的比例和顺序相结合，实现发火组件的低能高瞬发发火要求。具体来说，等离子体敏感的LTNR为第一层装药9，PbN6为第二层装药8，LTNR与PbN6的质量之比为：1/5～1/2，第一层装药的药剂粒径不大于桥片最小尺寸(对于正方形就是指长或宽对吧，对于长方形就是两个V形顶点之间的距离或者其宽度)的十分之一，装药密度不小于药剂理论密度的90％，电桥与等离子体敏感的LTNR紧密接触，电桥爆发后产生的约2000℃高温的等离子体以高速微对流的方式向等离子体敏感的LTNR传递热量，当药剂的温度达到其爆发点时使等离子体敏感的LTNR瞬间发火进而点燃PbN6。最少药量以完全包覆住电桥为准。
具体实施时，如图1所示，在管壳7中首先装16mg的叠氮化铅(PbN6)，然后装4mg等离子体敏感的斯蒂芬酸铅(LTNR)，再将换能元(包括陶瓷电极塞11和电桥1)插入管壳7中，对半导体桥换能元施加15MPa的压力，施加该压力一方面是为了压紧这些元件，另外一方面，该压力还跟装药密度有关，压力过大时，装药密度会太大而出现压死现象；压力太小时，装药密度太小，不利于药剂之间的传热。
图1是发火组件，图2和图4是换能元，也就是图1中除去管壳7、PbN68和LTNR9之外的组件。图1中的脚线13是穿过高绝缘陶瓷电极塞11的，然后用超声波焊接的方式将铝丝或者金丝14焊在脚线13和铝电极6上，铝丝或者金丝14用来连接铝电极6和脚线13。图2和图4中的数字标注12指的是陶瓷电极塞11上的台阶。
通过10μF的钽电容(该电容不是在半导体发火组件里的，而是发火电路中的)对半导体桥发火组件放电，可达到全发火电压低于6.3V的低电能发火要求和10V的放电电压下发火时间低于10μs的高瞬发度要求。
本发明高瞬发半导体桥发火组件是利用半导体桥换能元将电能转化为电爆等离子体能，约2000℃高温的等离子体以高速微对流的方式向等离子体敏感的LTNR传递热量，使等离子体敏感的LTNR瞬间发火进而点燃PbN6的器件，它具有良好的抗静电、防射频的能力。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (4)
1.一种高瞬发半导体桥发火组件，其特征在于：所述高瞬发半导体桥发火组件包括管壳(7)以及安装在管壳(7)内的装药和换能元；
所述管壳(7)为套筒结构，其一端为开口端，另一端为封闭端，在封闭端上开有轴向通孔；
所述换能元包括陶瓷电极塞(11)，在所述陶瓷电极塞(11)的上方设有半导体桥芯片；所述半导体桥芯片从下到上依次包括硅衬底、多晶硅基片(4)，电桥(1)和铝电极(6)；所述硅衬底的下端面粘接在所述陶瓷电极塞(11)的上端面上；
所述铝电极(6)包括两块分开且对称设置的电极区(3)，两个电极区(3)通过所述电桥(1)连接；
所述装药包括两层装药，分别为第一层装药(9)和第二层装药(8)；
所述第二层装药(8)与管壳(7)的封闭端接触，第二层装药(8)覆盖在第一层装药(9)上，第一层装药(9)覆盖在电桥(1)的上表面上；
所述电桥(1)的长度为15～35μm，宽度为60～100μm，厚度为2μm；
所述铝电极(6)的厚度为0.8～1.2μm；所述电桥(1)的材料为高掺杂浓度n型多晶硅，其掺杂浓度为1020个磷原子每立方厘米；
所述第一层装药(9)采用的是等离子体敏感的斯蒂芬酸铅，第二层装药(8)采用的是叠氮化铅；
所述第一层装药(9)和第二层装药(8)的质量之比为：1/5～1/2；
所述第一层装药(9)的药剂粒径不大于电桥(1)的最小尺寸的十分之一；
所述第一层装药(9)和第二层装药(8)的密度均不小于药剂理论密度的90％。
2.根据权利要求1所述的高瞬发半导体桥发火组件，其特征在于：所述电桥(1)为带缺口的长方形电桥或正方形电桥；所述带缺口的长方形电桥是在长方形的两个短边上分别设有一个V型角缺口，两个V型角缺口对称设置，两者的顶点相对；所述正方形电桥的长宽相等。
3.根据权利要求1所述的高瞬发半导体桥发火组件，其特征在于：所述陶瓷电极塞(11)是高绝缘的，采用的是95瓷或99瓷。
4.根据权利要求1所述的高瞬发半导体桥发火组件，其特征在于：在所述陶瓷电极塞(11)内设有两根脚线(13)，两根脚线(13)的上端分别与两个电极区(3)连接，下端伸出陶瓷电极塞(11)。
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