设计半导体桥电发火器件的分析介绍

半导体桥电火工品发火器件主要包括发火药剂、半导体桥芯片、陶瓷电极塞和脚线等。由4.3.3节的介绍可知，影响半导体桥电火工品发火的因素有半导体桥片的结构、尺寸以及点火药的参数等，本章在此基础上设计半导体桥电火工品发火器件。

1. 半导体桥结构设计

图4.33所示为所选的具有代表意义的SCB的结构示意图。由文献［9］和文献［11］的分析可知，这4种形状的SCB的发火能量依次为：（c）＜（b）＜（d）＜（a），其中（c）的发火能量最低，这是因为通电时在缺口处电流比较集中，缺口处桥的温度也较高，汽化容易从这里开始。实际中使用的半导体桥形状也基本都是图4.33（c）形。

图4.33　SCB结构示意图

2. 半导体桥尺寸和电阻设计

半导体桥尺寸是半导体桥设计中的关键之一，它不仅影响桥的质量和发火面积，还影响桥的电阻，进而对发火性能造成影响。实验证明半导体桥厚度增加有利于点火，但太厚时会产生龟裂现象，所以一般厚度取2 μm为宜，而掺杂浓度为1.05 × 1020个原子/cm3。因为一般指标都要求发火件要满足1 A/1 W不发火的条件，所以就要求半导体桥的电阻在1 Ω左右。而半导体桥的电阻与桥的长、宽和角度都有关系，如式（4-31）所示。这样就可以利用这个计算公式对半导体桥的尺寸进行设计。

式中，ω为长宽比；θ为V形角的大小；d为掺杂厚度；Rs为方阻；ρ0为电阻率；ND为掺杂浓度。

3. 发火药剂设计

一般半导体桥电火工品要求发火时间短，发火能量低，所以在选择发火药剂时，应该选择敏感的结晶LTNR、Pb（N3）2、叠氮肼镍（NHA）和硝酸肼镍（NHN）。由文献［5］可知，发火能量随着药剂粒度的减小而降低，但是为了使发火件具有发火稳定性，应确保半导体桥核心区至少能容纳一个完整的发火药颗粒，即桥的最小尺寸至少应与药剂的平均粒径相同[9]。所以在桥的尺寸固定时，药剂的最大平均粒径应该有上限，在工艺条件允许的情况下，为了降低发火能量，应该选择粒径尽量小的药剂作为发火药剂。

装药方式有压药和涂药两种。由文献［5—7］可知，发火时间会随着压药压力的增大而缩短，所以压药时在保证可靠点火和不损坏装置的同时尽量提高压药压力。一般而言，涂药比压药具有更好的接触及牢固性，所以一般发火件点火也更可靠。

对于直径较小的火工品而言，由于散热面积小，需要靠药剂来承受一定的热量，所以在SCB芯片涂LTNR时，要对黏合剂进行选择。表4.24是SCB涂结晶LTNR时不同黏结剂的实验结果。从表中可以看出，添加硝棉漆和硝基漆的样品在1 A/1 W 5 min实验后的5 A电流实验存在瞎火现象，这是因为在进行1 A/1 W 5 min实验时，SCB产生的热量使桥区温度达到黏结剂的炭化温度（190 ℃），黏结剂反应并且在表面出现黑色炭化层，该炭化层实际上是SCB桥面和LTNR药粒表面之间形成一层隔热炭膜，它会使热量不能有效传递给LTNR药剂。

对于直径较大的火工品而言，由于散热面积较大，使用硝棉漆、硝基漆或聚醋酸乙烯酯漆均可保证安全性和可靠性，但硝棉漆作黏结剂时，安全裕度较小；聚醋酸乙烯酯漆作黏结剂时平均作用时间较长，且极差较大。所以，硝基漆是比较合适的选择方案[9]。

表4.24　SCB涂覆细结晶LTNR时不同黏结剂的试验结果(www.xing528.com)

4. 安全电流设计

SCB发火件安全电流的设计思路与桥丝发火件安全电流的设计思路是相同的，也是将与临界发火电流成正比的参数取下限，将与临界发火电流成反比的参数取上限，然后按照计算临界发火电流的方法计算出来的电流就是安全电流。所以，关键还是临界发火电流的设计。

根据4.3.1.1节研究结果可知，临界发火电流与SCB和发火药剂性能参数的关系为

式中，r为药剂与桥片中心的距离（m）；Tm为桥药界面处的温度（K）；re∞为药剂的厚度（m）；λe为药剂的导热系数（W/（m·K））；he为药剂的表面散热系数（W/（m2·K））；Ta为环境温度（K）；Te为药剂的5 s爆发点（K）。

5. 发火电压设计

通过4.1.1节的分析知，SCB发火件发火电压有两种：电热发火电压和电爆发火电压。不过两者的设计思路与安全电流的设计思路是相似的，也是将与临界发火电压成正比的参数取上限，将与临界发火电压成反比的参数取下限，然后按照计算临界发火电压的方法计算出来的电压就是发火电压。所以，关键还是临界发火电压的设计。

根据4.3.1.2节研究结果可知，电爆发火临界发火电压与SCB和发火药剂的性能参数关系为

电热发火临界发火电压的计算方法如下：

（1）确定装药的发火层厚度，得到药剂爆炸延迟期与温度的关系。

（2）应用式（4-29）绘制某一激励电压V1下的Te（0，t）和Te（δ，t），并获得99%最高温度Te及对应的持续时间τe。

（3）判断药剂是否发火。

（4）若不能发生热爆炸，则取V2＞V1，重新计算；若能发生热爆炸，但高温持续时间大于热爆炸延迟期，则取V3＜V1，重新计算。