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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein elektrisches Zündmittel.
Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung,
die eine Laminatbrücke
umfasst, die eine Reaktion mit einer relativ hoher Energieabgabe
für eine
relativ niedrige Energiezufuhr auslöst. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls
auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterbrückenvorrichtung.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen nimmt ein elektrisches Zündmittel (EED = electro-explosive
device) elektrische Energie auf und löst eine mechanische Schockwelle und/oder
eine exothermische Reaktion, wie beispielsweise eine Verbrennung,
Verpuffung oder Explosion, aus. EEDs wurden sowohl bei kommerziellen
als auch bei staatlichen Anwendungen für eine Vielfalt von Zwecken,
wie beispielsweise, um das Aufblasen von Airbags in Automobilen
auszulösen oder
eine Energiequelle in einem Waffensystem zu aktivieren, verwendet.
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EEDs
des Standes der Technik umfassen diejenigen, die einen Brückendraht
verwenden, um ein Waffenmaterial zu entzünden. Ein Brückendraht ist
ein dünner
Widerstandsdraht, der zwischen zwei Kontakten befestigt ist. Das
Waffenmaterial umgibt den Brückendraht.
Wenn Strom durch den Brückendraht
geleitet wird, resultiert ohmsche Heizung. Wenn der Brückendraht
die Entzündungstemperatur des
Waffenmaterials erreicht, wird das Waffenmaterial ausgelöst. Typischerweise
ist das Waffenmaterial eine primäre
oder pyrotechnische Ladung, die eine sekundäre Ladung zündet, die ihrerseits eine Hauptladung
zündet.
EEDs, die einen Brückendraht
verwenden, weisen bei modernen Anwendungen erhebliche Nachteile
auf. Beispielsweise sind EEDs erhöhten Pegeln elektromagnetischer
Störung
(EMI) bei vielen militärischen
und zivilen Anwendungen unterworfen. Hohe Pegel von EMI stellen
eine ernste Gefahr dar, weil die EMI elektromagnetische Energie durch
einen direkten oder indirekten Weg in ein EED koppeln kann, was
bewirkt, dass es unbeabsichtigterweise zündet. EEDs können ebenfalls
unbeabsichtigterweise durch elektrostatische Entladung (ESD = electrostatic
discharge) gezündet
werden. Herkömmliche
Vorrichtungen, um sich vor unbeabsichtigter Entladung zu schützen, wie
beispielsweise passive Filterschaltungen und EMI-Abschirmung, stellen
ihre eigenen Raum- und Gewichtsprobleme bei typischen Anwendungen
dar.
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Um
die Empfindlichkeit eines EED gegen Streusignale zu verringern,
kann die Gesamtenergie des Zündsignals
erhöht
werden, die notwendig ist, um das EED zu zünden. Als Ergebnis können Streusignale
niedrigen Pegels durch den Brückendraht
geleitet werden, ohne irgendeine Entzündung zu verursachen, und lediglich
das Zündsignal
mit höherem Pegel
würde ausreichende
Energie aufweisen, um das EED zu entzünden. Ein Zündsignal höherer Magnitude ist jedoch
nicht immer wünschenswert.
Bei vielen Anwendungen, wie beispielsweise bei Automobil-Airbags,
ist die verfügbare
Leistung extrem begrenzt, was es notwendig macht, ein EED bereitzustellen,
das eine niedrige Zündenergie
aufweist, die nahe an dem Energiepegel von potentiellen Störsignalen,
wie beispielsweise jene von ESD- oder EMI-Quellen, sein kann.
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Eine
Art von EED, das einige Probleme mit der unbeabsichtigten Zündung mildert,
wird eine Halbleiterbrücke
oder SCB (semiconductor bridge) genannt. Eine SCB kann weniger Energie
als die verwenden, die von einem Brückendraht-EED für den gleichen zündfreien
Pegel verwendet wird. Beispielsweise kann die durch eine SCB erforderliche
Energie eine Größenordnung
geringer als die sein, die durch eine Brückendrahtvorrichtung mit der
gleichen zündfreien
Leistung erforderlich ist. Eine SCB ist eine Waffenmaterial-auslösende Vorrichtung,
die auf einem Halbleitersubstrat gebaut ist. Die SCB entzündet typischerweise
das Waffenmaterial mit einem heißen Plasma. Wenn die SCB zündet, erzeugt
sie ein Hochtemperatur-Plasma (in einigen Fällen beispielsweise größer als
4000 K) mit hoher Leistungsdichte, das das Waffenmaterial entzündet. Die
SCB kann Plasma in weniger als einigen Mikrosekunden verglichen mit
dem Brückendraht
erzeugen, das sich auf den Auslösepunkt
in Hunderten von Mikrosekunden erhitzten kann. Durch die SCB entzündetes Waffenmaterial
ist typischerweise ein benachbartes Waffenmaterial oder ein primärer Explosivstoff,
der in Mikrosekundenschnelle entzündet wird und seinerseits eine Ausstoßladung
entzündet.
Die ausgezeichneten Wärmeübertragungseigenschaften
des Halbleiters stellen eine Wärmesenke
mit hoher Kapazität
für die SCB
und somit einen relativ hohen zündfreien
Pegel bereit. Im Allgemeinen sollte eine SCB durch eine Spannungsquelle
mit niedriger Impedanz oder eine kapazitive Entladung angetrieben
werden, um einen Lawinenzustand ordnungsgemäß zu unterstützen, der
zu Plasmaerzeugung führt.
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Die
Verwendung von EEDs bei Automobil-Airbags und anderen sicherheitskritischen
Anwendungen stellt verschiedene Probleme zusätzlich zu der Verhinderung
der unbeabsichtigten Zündung dar.
Beispielsweise ist die Zuverlässigkeit
eines Airbag-EED kritisch. Das Airbag-EED muss zuverlässig zünden und
auf eine Art und Weise hergestellt sein, die eine Verifikation der
Zuverlässigkeit
ermöglicht. Herkömmliche
SCBs weisen einige Nachteile auf, die es schwierig machen, verifizierbar
zuverlässige SCB-EEDs
zu erzeugen. Beispielsweise liefern SCBs eine sehr heiße Zündquelle,
jedoch mit niedriger Energie, die lediglich für Mikrosekunden andauert. Bei
typischen SCBs ist der Betrag der Energieabgabe von dem Pegel der
Energiezufuhr abhängig
und geringer als diese. In Fällen,
in denen lediglich ein sehr kleiner Betrag abgegebener Energie erzeugt werden
kann, kann die abgegeben Energie nicht ausreichend sein, um eine
zuverlässige
Zündung
bereitzustellen.
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Es
ist ebenfalls schwierig, die Zuverlässigkeit von herkömmlichen
SCB-Komponenten
zu verifizieren. Ein Grund dafür
ist, dass bei herkömmlichen SCBs
das Waffenmaterial und die SCB eng gekoppelt sein müssen, um
die kleine Energieabgabe der SCB zu dem primären Waffenmaterial zu übertragen. D.h.,
an der Waffenmaterial/SBC-Grenzfläche muss das Waffenmaterial
in innigem Kontakt mit der SBC zu allen Zeiten für die SCB-Zündung sein, um das Waffenmaterial
zuverlässig
zu entzünden.
Testverfahren wurden entwickelt, um zu versuchen, die Waffenmaterial/SBB-Grenzfläche in Brückendrahtvorrichtungen
zu verifizieren, wobei diese Testverfahren jedoch im Allgemeinen
für Halbleitervorrichtungen nicht
gut arbeiten. Beispielsweise kann es möglich sein, die Anwesenheit
der geeigneten Menge von Waffenmaterial durch Wiegen zu verifizieren,
wobei es jedoch sehr schwierig ist, eine geeignete Grenzfläche oder
den innigen Kontakt zwischen der SCB und dem Waffenmaterial zu verifizieren.
Sogar wenn eine geeignete Grenzfläche bei der Herstellung existiert, ist
es schwierig zu bestimmen, ob sich eine Grenzfläche in einer bestimmten Vorrichtung
mit der Zeit, beispielsweise durch Schwingung oder Schock, verschlechtert.
Sogar wenn eine geeignete Grenzfläche ohne positive Retention
der SCB gegen das Waffenmaterial gegeben ist, kann das Waffenmaterial
durch den durch die SCB-Zündung erzeugten
Schock abgeworfen anstatt entzündet
werden. Die positive Retention führt
jedoch ihre eigenen Probleme ein, einschließlich zusätzlicher Kosten und Komplexität, ohne
die Verifikation kontinuierlicher Zuverlässigkeit im Einsatz zu lösen. Außerdem können die
an die SCB bei der positiven Retention angelegten Kräfte die
SCB und/oder Verbindungsbons in der Vorrichtung brechen.
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Die
WO 97/42462 offenbart eine Halbleiterbrückenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und bildet eine Grundlage für das Verfahren zur Herstellung
einer Halbleiterbrückenvorrichtung gemäß Anspruch
11.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER OFFENBARUNG
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Eine
Halbleiterbrückenvorrichtung
(SCB device = semiconductor bridge device) auf einem Substrat mit
einer Laminatbrücke
wird offenbart. Bei einer Ausführungsform
umfasst die SCB-Vorrichtung mehrere alternierende Schichten eines
thermisch und elektrisch isolierenden Materials und eines leitenden Materials,
das exothermisch mit dem isolierenden Material reaktiv ist. Die
mehreren alternierenden Schichten bilden eine Laminatschicht auf
einem Isolator auf dem Oberflächenbereich
des Substrats. Bei einer Ausführungsform
ist das Substrat Silicium. Bei einer Ausführungsform ist Bor das isolierende
Material und Titan das leitende Material. Die Laminatschicht ist
typischerweise kontinuierlich. In einer Draufsicht erscheint jedoch
die Laminatschicht als zwei große
Abschnitte, die im Wesentlichen den Oberflächenbereich des Substrats abdecken
und durch einen Brückenabschnitt
verbunden sind. Der Brückenabschnitt
weist eine kleine Querschnittsfläche
bezogen auf die Richtung des Stromflusses auf. Die Laminatschicht
ist als eine Reihe von einzelnen, alternierenden isolierenden und
reaktiven Schichten aufgebaut. Der Brückenabschnitt reagiert, wenn Strom
durch Kontakte auf dem Laminat geleitet wird, der den Rest des Laminats
auslöst.
Wenn eine Schicht des Laminats konsumiert ist, wird eine weitere
Schicht freigelegt und wird Teil der leitenden Schaltung. Die erzeugte
abgegebene Energie ist ausreichend, um Waffenmaterial über einen
Zwischenraum zu zünden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht einer Ausführungsform
einer Halbleiterbrücke
(SCB), die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet.
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2 ist
eine Querschnittsansicht der SCB von 1.
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3 ist
eine Draufsicht einer Ausführungsform
einer SCB gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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4 ist
eine Querschnittsansicht der SCB von 3.
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5 ist
eine Querschnittsansicht eines elektrischen Zündmittels (EED) gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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1 und 2 veranschaulichen
eine Ausführungsform
einer SCB, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet. Die
SCB 101 umfasst integral ausgebildete Nebenschluss-Dioden
zum Schutz gegen ESD-Ereignisse und einen verstärkten Brückenüberzug für erhöhten Zündwirkungsgrad. Mit Bezug zuerst
auf 1 ist die SCB 101 auf einem Siliciumwafer-Substrat 102 ausgebildet,
das im Allgemeinen quadratisch ist, jedoch ebenfalls von beliebiger
zweckmäßiger Form
sein kann. Eine erste, im Allgemeinen dreieckige Anschlussfläche 103 ist
an einer Seite des Substrats 102 aufgetragen, und eine zweite
im Allgemeinen dreieckige Anschlussfläche 104 ist an der
gegenüberliegenden
Seite des Substrats 102 aufgetragen. Die Anschlussflächen 103 und 104 sind
mit Ausnahme einer relativ schmalen leitenden Brücke 106, die die Anschlussflächen zusammen
koppelt und elektrisch verbindet, im Allgemeinen voneinander beabstandet
und elektrisch isoliert. Bei einer Ausführungsform ist die Anschlussfläche 103 teilweise
aus einer aufgetragenen Schicht aus Palladium 107 gebildet,
und die Anschlussfläche 104 ist
auf ähnliche
Weise teilweise aus einer aufgetragenen Schicht 108 aus
Palladium gebildet. Bei einer Ausführungsform ist die Brücke 106 ebenfalls
aus Palladium gebildet. Die Anschlussflächen 103 und 104 und
die Brücke 106 sind
ferner als eine einzelne Schicht aus Palladium mit üblichen Ätz- und
Auftragungs-Techniken
für integrierte
Schaltungen aufgetragen.
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Eine
erste Diode 112 ist unter der Palladiumschicht 107 der
ersten Anschlussfläche 103 ausgebildet
und mit dieser elektrisch gekoppelt, und auf ähnliche Weise ist eine zweite
Diode 113 unter der der Palladiumschicht der zweiten Anschlussfläche 104 ausgebildet
und mit dieser elektrisch gekoppelt. Die Bildung und Struktur dieser
Dioden wird ausführlicher nachstehend
beschrieben. Eine erste Kontaktinsel 109, die vorzugsweise
aus Verbundschichten aus Titan, Nickel und Gold (Ti/Ni/Au) gebildet
ist, wird auf der Palladiumschicht 107 der ersten Anschlussfläche 103 aufgetragen,
und eine zweite ähnliche
Kontaktinsel 111 wird auf der Palladiumschicht 106 der
zweiten Anschlussfläche 104 aufgetragen.
Die Kontaktinseln stellen eine geeignete Oberfläche bereit, mit der elektrische
Anschlussleitungen mit den Anschlussflächen mittels Lot, leitendem
Epoxid oder dergleichen zum Liefern eines Zündstroms an die Vorrichtung
verbunden werden können.
Ein chemisch explosiver Verbundüberzug 114,
der nachstehend ausführlicher
beschrieben ist, wird auf der Brücke 106 zum
Verstärken
der Energieabgabe und zum Erhöhen
der Dispersion eines Zündereignisses
bereitgestellt.
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Mit
Bezug nun auf 2, die eine Ansicht des Querschnitts
A-A von 1 ist, ist das Substrat 102 ein
Siliciumchip 116, der auf eine herkömmliche Art und Weise verarbeitet
ist. Eine Schicht 117 aus Siliciumdioxid ist auf der Oberfläche des
Chips ausgebildet und arbeitet als ein elektrischer Isolator. Zwei
beabstandete, dreieckig geformte Öffnungen 118 und 119 sind
in der Siliciumdioxidschicht mit einer beliebigen geeigneten Ätztechnik
geätzt,
um die Oberfläche
des Siliciumchips freizulegen. Eine erste Schicht oder Insel 121 aus
Aluminium wird dann über der
ersten geätzten Öffnung 118 aufgetragen,
und eine zweite Schicht oder Insel 122 aus Aluminium wird über der
zweiten geätzten Öffnung 119 aufgetragen.
Die Aluminiuminseln können
auf dem Chip mit jeder geeigneten Technik, wie beispielsweise durch Aufdampfung,
aufgetragen werden.
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Die
erste Aluminiuminsel 121 bildet einen ersten Schottky-Sperrschichtübergang 123 mit
der Oberfläche
des Siliciumchips 116, und die zweite Aluminiuminsel 122 bildet
einen zweiten Schottky-Sperrschichtübergang 124 mit der
Oberfläche
des Siliciumchips 116. Demgemäß wird ein Paar von beabstandeten
Schottky-Dioden 112 und 113 integral mit der SCB 101 ausgebildet.
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Die
SCB 101 umfasst eine schleifenförmige Schicht 126 aus
Palladium, die über
der Oberfläche des
Chips aufgetragen ist. Die Schicht 126 aus Palladium ist
konfiguriert, um einen ersten Bereich 107, einen zweiten
Bereich 108 und eine Brücke 106 zu
definieren, die sich zwischen den größeren Bereichen 106 und 108 des
schleifenförmigen
Bereichs 126 erstreckt und diese elektrisch koppelt. Der
erste Bereich 107 der Schleife deckt die erste Schottky-Diode 112 ab
und ist elektrisch mit dieser gebondet, und der zweite Bereich 108 der
Schleife deckt die zweite Schottky-Diode 113 ab und ist
mit dieser elektrisch gebondet.
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Die
erste Kontaktinsel 109 ist auf der Oberfläche des
ersten Bereichs 107 der schleifenförmigen Palladiumschicht und
die zweite Kontaktinsel 111 ist auf der Oberfläche des
zweiten Bereichs 108 der schleifenförmigen Palladiumschicht aufgetragen.
Die Kontaktinseln 109 und 111 sind bei einer Ausführungsform
Verbundschichten aus Ti/Ni/Au. Die Kontaktinseln 109 und 111 sind
Kontakte, an denen elektrische Anschlussleitungen an den Bereichen 107 und 108 der
schleifenförmigen
Palladiumschicht 126 gebondet sein können. Die elektrischen Anschlussleitungen
liefern Zündstrom
zu der schleifenförmigen Palladiumschicht 126.
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Die
Auftragung, das Ätzen
und das Formen der verschiedenen Schichten von Materialien auf der Oberfläche des
Chips 116 wird mit herkömmlichen Fertigungstechniken
für integrierte
Schaltungen erreicht. Die Auswahl von Metallen für die verschiedenen Schichten,
die Form der Schichten und die relativen Größen der verschiedenen Abschnitte
der Schichten können
bei unterschiedlichen Ausführungsformen
gemäß bestimmter
Anforderungen unterschiedlich sein. Beispielsweise kann Gold oder Aluminium
für das
Palladium der Schleife und andere Kombinationen von geeigneten Metallen
können durch
das Ti/Ni/Au der Kontaktinseln ausgetauscht werden.
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Ein
Verbundüberzug 114 ist
oben auf der Brücke 106 aufgetragen.
Wie in 2 veranschaulicht ist, umfasst der Verbundüberzug 114 eine Schicht 125 aus
Zirkonium, die auf der Brücke
aufgetragen ist, und eine Schicht 129 aus einem Oxidator, wie
beispielsweise Kupferoxid oder Eisenoxid, das auch als Thermit bekannt
ist, die auf der Zirkoniumschicht 128 aufgetragen ist.
Kupferoxid und Eisenoxid werden aus Molekülen mit relativ schwachen chemischen
Bindungen gebildet und neigen somit dazu, ihren Sauerstoff ohne
weiteres in einer chemischen Reaktion abzugeben, was zu exothermischen
Reaktionen mit hohen Temperaturen beiträgt. Der Verbundüberzug 114 kann
auf der Brücke 106 unter
Verwendung irgendeiner einer Vielfalt von bekannten Auftragungstechniken
aufgetragen werden. Außerdem
muss der Verbundüberzug
nicht notwendigerweise in Schichten aufgetragen werden, sondern könnte als
eine Einzelschicht einer Mischung aus Metall und Oxidator aufgetragen
werden. Außerdem können Austauschstoffe
für die
Thermit-Komponenten, das Zirkonium und den Oxidator hergestellt
werden. Beispielsweise können
andere schwache Oxide und Metallbrennstoffe verwendet werden. Jeder
geeignete chemisch explosiver Überzug
könnte
bei anderen Ausführungsformen
ersetzt werden.
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Im
Betrieb sind die Kontaktinseln 109 und 111 jeweils
elektrisch mit einem jeweiligen Paar von Anschlussleitungen mittels
beispielsweise Drahtbond, leitendem Epoxid oder Lot verbunden. Die
Anschlussleitungen werden dann mit einer schaltbaren Quelle eines
Zündpotentials
gekoppelt. Wenn sie in ihrem Schlafzustand vor einer absichtlichen
Zündung ist,
ist die SCB gegen unbeabsichtigtes Zünden, wie beispielsweise durch
ESD-Ereignisse, durch die Nebenschluss-Dioden 112 und 113 und
die zündfreie Energie
der Brücke
geschützt.
Genauer gesagt ist das über
die Kontakte durch ein ESD-Ereignis induziertes elektrisches Potential
viel höher
als die Anschaltspannung der auf der SCB ausgebildeten Dioden. Somit
erscheinen die Dioden den ESD-induzierten Potentialen als geschlossene
Schaltungsnebenschlüsse,
und der elektrische Strom über
der Nebenschluss-Schwelle wird von der Widerstandsbrücke weggeleitet,
um ohmsche Heizung der Brücke
und folglich unbeabsichtigte Zündung
zu verhindern.
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Um
die Brücke
der SCB zu zünden,
wird ein Zündpotential,
das nahe oder über
der Einschaltspannung der Dioden 112 und 113 ist,
an die Kontakte von einer Quelle angelegt, die im Stande ist, ein ausreichendes
Zündpotential
für eine
geeignete Zeitdauer zu liefern. Das Zündpotential kann beispielsweise
durch Schalten eines geladenen Kondensators in Reihe mit der SCB
bereitgestellt werden. Der Teil des Zündpotentials, der geringer
als die Einschaltspannung der Dioden ist, wird über die Brücke angelegt. Strom fließt dann
durch die Brücke,
der bewirkt, dass sie sich schnell aufheizt und in einer Plasmareaktion
mit relativ hoher Energie verdampft.
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Die
in der Palladium-Brücke
durch den Zündstrom
erzeugte Wärme
ist direkt mit dem Verbundüberzug 114 der
SCB gekoppelt. Folglich wird der Überzug ebenfalls schnell aufgeheizt,
bis die Zirkoniumschicht des Überzugs
ebenfalls beginnt, in einem Plasma zu verdampfen. Dies löst seinerseits
eine chemisch explosive Reaktion zwischen dem Zirkonium des Überzugs
und der Oxidatorschicht aus. Das Ergebnis ist eine chemische/Plasmareaktion
in der Nähe
der Brücke 106,
die wesentlich energetischer als die Plasmaexplosion einer leitenden
Brücke
alleine ist. Die Explosion erzeugt einen Plasma-gefüllten Feuerball,
der nach außen
von der Oberfläche
der SCB hervorragt. Somit verstärkt
der Verbundüberzug 114 den
Wirkungsgrad der SCB beim Entzünden
einer Waffenmischung sehr, die gegen ihre Oberfläche gepackt ist, während der
integrierte Diodennebenschluss die Brücke gegen ESD-Ereignisse schützt.
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3 und 4 veranschaulichen
eine Ausführungsform
einer SCB gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die SCB 90 umfasst eine größere Menge von reaktiven Materialien,
die verglichen mit der SCB 101 über einen größeren Oberflächenbereich
der SCB geschichtet sind. Die SCB 90 weist eine erheblich
größere Energieabgabe
beim Zünden
als beispielsweise die SCB 101 auf, ohne die Energiezufuhr merklich
zu erhöhen.
Die SCB 90 erfordert lediglich genug Energie, um eine Reaktion
zwischen zwei reaktiven Materialien zu starten und minimal aufrechtzuerhalten,
die in einem Plasma explodieren, das nach außen von der Oberfläche der
SCB 90 hervorragt, wie ferner nachstehend beschrieben ist.
Die SCB 90 umfasst ferner integral ausgebildete Nebenschluss-Dioden
zum Schutz gegen ESD-Ereignisse.
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Die
Empfindlichkeit der SCB 90 kann eingestellt werden, um
bei einem eingegebenen, für
eine Anwendung erforderlichen elektrischen Leistungspegel zu arbeiten,
der von dem erforderlichen Energiepegel, um das Ausgangswaffenmaterial
zu zünden,
unabhängig
ist. Die SCB 90 kann unempfindliche Materialien oder Materialien,
die eine große
Menge von Wärme
zum Entzünden
erfordern, entzünden.
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Bedeutsamerweise
liefert die SCB 90 eine zuverlässige Entzündung über einen Zwischenraum zwischen
der Brücke
und dem Waffenmaterial. Dies erhöht
die Zuverlässigkeit
sehr, weil eine innige Grenzfläche
zwischen der Brücke
und dem Waffenmaterial für
einen ordnungsgemäßen Betrieb
nicht gewährleistet
werden muss. Die Verifizierung der Grenzfläche zwischen der Brücke und
dem Waffenmaterial ist somit nicht erforderlich. Es ist lediglich notwendig,
mit herkömmlichen
Techniken zu verifizieren, dass der Halbleiterwafer korrekt verarbeitet wurde.
Die Anwesenheit einer Ausstoßladung
kann ohne weiteres durch Wiegen oder Röntgenstrahlen verifiziert werden.
Dies verringert ebenfalls Herstellungskosten.
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3 ist
eine Draufsicht der SCB 90, die die Umrisse einer Reihe
von aufeinander gelegten Materialschichten zeigt, wie sie auf einem
Substrat (nicht gezeigt) in Erscheinung treten würden. 4 ist ein vereinfachtes
Diagramm eines Querschnitts der SCB 90. Die SCB 90 umfasst
alternierende Schichten aus unterschiedlichen Materialien, die miteinander
chemisch reaktiv sind. Typischerweise ist eines der Materialien
ein Metall. Typischerweise ist eines der Materialien ein Isolator,
weil es einen hohen spezifischen Widerstand und eine niedrige thermische
Leitfähigkeit
bezogen auf das Metall aufweist. Bei einer Ausführungsform wird Bor als der
Isolator und Titan als das Metall verwendet. Bei anderen Ausführungsformen
können
andere Materialien verwendet werden. Beispielsweise kann das verwendete
Metall eines oder mehrere der folgenden sein: Aluminium, Magnesium,
Zirkonium sowie auch andere Metalle. Der verwendete Isolator kann
eines oder mehrere der folgenden sein: Kalzium, Mangan, Silicium
sowie auch andere Isolatoren.
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Alternierende
Schichten oder Subschichten 502 aus Titan und Subschichten 504 aus
Bor werden auf einer Siliciumdioxid-Isolierschicht 306 aufgebaut. Die
obere Schicht der Reihen von Schichten ist eine „Brücken"-Schicht 203 aus Titan, die
mit den Kontaktinseln 202 in Kontakt ist. Die alternierenden
Subschichten 502 und 504 und die obere Brückenschicht 203 bilden
eine Laminatschicht. Die Schichten 502, 504 und 203 werden
integral an Ort und Stelle während
des Halbleiter-Fertigungsprozesses gebondet, der das Substrat erzeugt,
auf dem die Schichten in Erscheinung treten. Die resultierende Struktur
mit einer Brücke
und Brennstoff ist daher monolithisch. Dies ist im Gegensatz zu
vorbekannten Vorrichtungen, die durch Auftragung des Brennstoffs
als Pulver nach dem Halbleiterfertigungsprozess und dann durch mechanisches
Pressen des Pulverbrennstoffs um eine Brücke hergestellt werden können.
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Die
obere Brückenschicht 203 ist,
wie in 3 gezeigt, eine kontinuierliche Schicht aus einem
Metall, in diesem Fall Titan, die zwei relativ große Abschnitte 203A und 203B umfasst,
die durch einen Brückenabschnitt 203C verbunden
sind. Bei anderen Ausführungsformen
kann die obere Schicht Bor oder ein anderes reaktives Material sein.
Der Brückenabschnitt 203C weist
eine kleine Querschnittsfläche
bezogen auf die Richtung des Stromflusses von den Kontaktinseln 202 auf.
Die Querschnittsfläche
und Geometrie des Brückenabschnitts 203C bestimmen,
wie viel Energie erforderlich ist, um die Brücke zu erhitzen. Die bei der
Brücke
verwendeten Materialien und ihre Geometrie und Dicke beeinflussen
den Startwiderstand des Brückenabschnitts 203C.
Bei verschiedenen Ausführungsformen
können
die Kontaktinseln 202 lediglich mit der oberen Brückenschicht 203 oder
mit der oberen Brückenschicht 203 und
mehreren Subschichten 502 und 504 elektrisch verbunden
sein. Die Anzahl von Schichten, die elektrisch mit den Kontaktinseln 202 verbunden sind,
beeinflusst den Widerstand und die Heizeigenschaften des Brückenabschnitts 203C.
Im Fall einer Einzelschicht, die in Kontakt mit den Kontaktinseln 202 ist,
kann der Widerstand der Schicht durch die Hinzufügung einer dünnen Schicht
aus einem Material mit einem niedrigeren elektrischen Flächenwiderstand,
wie beispielsweise Gold, verringert werden. Der Widerstand der Brücke kann
somit eingestellt werden, um spezifische Anforderungen zu erfüllen.
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Die
Isolierschicht 306 ist auf dem Siliciumsubstrat 304 aufgebaut,
die im Wesentlichen die Oberfläche
des Substrats 304 abdeckt. Bei einer Ausführungsform
ist die Isolierschicht 306 aus Siliciumdioxid. Die Borschichten 504 und
die Titanschichten 502 und 203 sind jeweils ungefähr 0,25 μm dick. Bor
ist ein relativ schlechter Wärmeleiter
und weist einen relativ hohen elektrischen spezifischen Widerstand
verglichen mit Titan auf. Bor und Titan können mit Standard-Halbleitertechniken
verarbeitet werden. Die Bor-Subschichten 504 und die Titan-Subschichten 502 werden
unter der oberen Brückenschicht 203,
die den Brückenabschnitt 203C umfasst,
in einer Reihe von Schichten aufgebaut, bis die gewünschte Dicke
erreicht ist. Die Dicke der Laminatschicht ist von der Plasmamenge,
die erzeugt werden muss, und dem gewünschten zündfreien Pegel abhängig. Die
Dicke der Laminatschicht wird praktisch lediglich durch die Halbleiterverarbeitungs-Technologie
begrenzt. Eine Stöchiometrie,
die eine relativ hohe Energieabgabe ergibt, ist ein Titanatom je
zwei Boratome. Um dies zu erreichen, können die Schichtdicken 250
nm für
Titan und 220 nm für
Bor betragen. Eine praktische Anzahl von Schichten, die derartige
Faktoren, wie beispielsweise Gesamtverarbeitungszeit, berücksichtigt,
beträgt
vier Schichten von Titan und vier Schichten von Bor. Bei den meisten
Anwendungen kann die Laminatschicht (die Bor-Subschichten 504 und
Titan-Subschichten 502 und die Brückenschicht 203 umfasst)
eine Dicke von zwischen 2 μm und
14 μm aufweisen.
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Die
Kontaktinseln 202 sind bei einer Ausführungsform aus Titan/Nickel/Gold
(Ti/Ni/Au). Die Kontaktinseln 202 werden durch selektives
Abdecken eines Teils der oberen Brückenschicht 203 mit
einer Standard-Ti/Ni/Au-Überzug
gebildet, um elektrische Kontakte zu bilden, die beispielsweise über Drahtbonds,
Lot oder leitendem Epoxid verbunden werden können. Titan weist Adhäsionseigenschaften
auf, die das Bonden mit anderen Materialien fördern. Nickel stellt einen
lötbaren
Kontakt bereit, wenn einer erwünscht
ist. Gold ist ein ausgezeichneter Leiter zum Bereitstellen eines
leitenden Wegs zu den geschichteten Reaktionspartnern und hilft
ebenfalls, das Nickel vom schnellen Oxidieren abzuhalten. Wie in 4 gezeigt
ist, erstrecken sich die Kontaktinseln 202 über und
durch die Subschichten 502 und 504 zu dem Aluminium 312.
Die SCB 90 umfasst Dioden 204, die integral durch
die Grenzfläche
des Aluminiums 312 mit dem Siliciumsubstrat 304 ausgebildet sind.
Zwei beabstandete, dreieckig geformte Öffnungen werden in die Siliciumdioxidschicht 306 mit
einer beliebigen geeigneten Ätztechnik
geätzt,
um die Oberfläche
des Siliciumchips 304 freizulegen. Schichten oder Stellen 302 aus
Aluminium werden dann über
den geätzten Öffnungen
mit einer beliebigen geeigneten Technik, wie beispielsweise Aufdampfung,
aufgetragen. Eine Aluminiuminsel bildet einen ersten Sperrschicht-Übergang 204A mit
der Oberfläche
des Siliciumchips 304, und die andere Aluminiuminsel bildet
einen zweiten Sperrschicht-Übergang 204B mit
der Oberfläche
des Siliciumchips 304. Die Dotierung des Substrats bestimmt die
Durchschlagspannung der Diode. Bei Anwendungen, wie beispielsweise
Automobil-Airbag-Zündern, liefert
beispielsweise eine Durchschlagspannung von 7 bis 8 Volt einen erheblichen
ESD-Schutz. Andere Anwendungen, die weniger empfindliche Brücken erfordern,
können
höhere
Durchschlagspannungen verwenden.
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Die
Länge und
Breite der durch die Schichten 203, 502 und 504 gebildeten
Laminatschicht erstreckt sich beträchtlich über die Länge und Breite des kleinen
Brückenabschnitts 203C hinaus.
Wenn Strom an den kleinen Brückenabschnitt 203C angelegt
wird, wird die obere Schicht 203 ohmisch aufgeheizt, bis
sie heiß genug
ist, um mit der angrenzenden Borschicht zu reagieren. Eine exothermische Reaktion
resultiert, die Titan und verschiedene Titanverbindungen erzeugt,
die als heißes
Plasma ausgestoßen
werden. Das Bor wirkt als ein Isolator, sodass lediglich der Plasmabogen
und die freigelegten Abschnitte der Metallschichten als ein leitender
Weg wirken. Die Reaktion hört
auf, wenn die Quelle der elektrischen Energie (beispielsweise von
einem Kondensator) erschöpft
ist oder alle Schichten bis zu einem Abstand konsumiert sind, bei
dem der Plasmabogen erloschen ist. Die abgegebene Energie wird verwendet,
um das Waffenmaterial zu erhitzen, das durch das Plasma entzündet wird.
Die zu den Subschichten 502 und 504 übertragene
Wärme hilft
bei der Reaktion, anstatt dass sie an das Siliciumsubstrat verloren
geht.
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Bei
reaktiven Prozessen, bei denen die freigesetzte Wärme größer als
die Wärme
ist, die durch das Substrat absorbiert wurde oder die bei der Plasmafreisetzung
oder anderen Mechanismen verloren ging, wird sich der reaktive Prozess
fortsetzen, bis alle verfügbaren
Reaktionspartner konsumiert sind. In Fällen, in denen die Verluste
die Energieabgabe überschreiten,
wird die Reaktion durch die Hinzufügung von elektrischer Energie über das
Plasma aufrechterhalten, bis die elektrische Energie nicht mehr geliefert
wird oder die Bogenlänge
mehr Spannung erfordert, als die Quelle liefern kann.
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Tests
der SCB 90 haben gezeigt, dass das Entzünden von Waffenmaterialien über einen
Zwischenraum stattfindet. Dies beseitigt die Notwendigkeit, einen
Kontakt zwischen der Brücke
und dem primären
Waffenmaterial sicherzustellen, was die Herstellung sehr vereinfacht.
Außerdem
eliminiert die Tatsache, dass kein Kontakt zwischen der Brücke und
dem primären
Waffenmaterial beibehalten werden muss, viele der Zuverlässigkeitsprobleme,
wie beispielsweise das Brechen von Drahtbonds während der Pulverpressvorgänge, die
sich ergeben können.
Die SCB 90 kann somit mengenmäßig zuverlässig zusammengebaut werden.
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Bei
anderen Ausführungsformen
kann der Bereich der SCB 90, die durch Schichten von reaktivem
Material abgedeckt ist, gemäß den Leistungsanforderungen
verändert
werden. Die Form dieses abgedeckten Bereichs kann ebenfalls variiert
werden. Beispielsweise können
mehrere Schichten aus Bor und Titan oder einem anderen geeigneten
Material lediglich in dem schmalen Brückenbereich zwischen den Kontakten
der SCB so hoch, wie praktikabel ist, gestapelt sein.
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5 ist
ein Diagramm eines Querschnitts eines elektrischen Zündmittels
(EED) 60. Eine SCB 50 ist an einer Kopfplatte 62 befestigt,
die aus einer Keramik oder einer Metall-Legierung gebildet ist.
Die SCB 50 kann der SCB 101 oder der SCB 90 ähnlich sein.
Die SCB 50 ist typischerweise mit einem nicht leitenden
Epoxid befestigt. Eine elektrische Befestigung 64, beispielsweise
leitendes Epoxid oder Drahtbond, ist zwischen den Stiften 66 an
der Kopfplatte 62 aufgebracht, und eine Kappe 68 ist
auf der Kopfplatte 62 angeordnet, um eine mit Waffenmaterial 69 gefüllte Umschließung zu
bilden.
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Im
Betrieb wird ein an den Zünder 60 geliefertes
Zündsignal
durch die Stifte 66, durch die elektrische Befestigung 64 und
zu dem reaktiven Brückenabschnitt
der SCB 50 geleitet, das die reaktive Brücke zündet und
eine Reaktion auslöst,
die alle reaktiven Materialschichten an der SCB einbezieht.
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Die
Erfindung wurde mit Bezug auf spezifische Beispiele beschrieben.
Verschiedene Modifikationen können
durch einen Fachmann ohne Abweichen von dem Schutzumfang der Erfindung,
wie er in den folgenden Ansprüchen
definiert ist, durchgeführt werden.