火工品静电放电的防护设计研讨
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作者：刘恩良 孙健 王刚 杜瑞兵 袁忠许
引言
静电的许多功能已经应用到军工或民用产品中,比如:静电植绒、静电分离、静电复印等。然而,静电却又成为电子产品和设备的一种危害,它可以通过多种途径进入电子设备,使设备工作不正常,甚至损坏。近年来,静电放电(ElectrostaticDis-charge,ESD)的危害日益突出,电磁环境日益恶劣,这在一定程度上会造成火工品早炸或性能下降(如迟发火、钝感等),任何一个火工品的误爆和失效都可能导致整个试验失败。航天器因其高新技术特性,要求其所用火工品具有高安全性、高可靠性、高同步性、高工艺一致性、低发火能量等一系列优异性能。但是,随着电子技术的发展和产品复杂程度的提高,静电对火工品的危害也越来越严重。因此,有必要采取一定的技术措施进一步增强其抗静电能力。
1静电放电的形成及破坏机制
1.1静电放电的形成静电放电就是具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移,用静电放电表示。一般由摩擦带电和感应带电两种途径产生静电。微电子器件在生产加工、组装储存及运输过程中,可能与带静电的容器、测试设备及操作人员接触,所带静电经过器件引线放电到地,使器件受到损伤或失效,这叫静电放电损伤。
1.2静电放电的破坏机制当两个带静电的物体或一个带静电的物体与不带电的导体靠近或接触时,就会发生静电放电现象。静电放电电流一般具有很高的幅度和很短的上升沿,这样就会在放电电流附近产生强度大、频谱宽的电磁场。电磁场的频率取决于放电电流的上升沿,上升沿越短,产生的电磁场的频率越高,越容易产生干扰。放电时产生的放电电流及其电磁场经传导和辐射耦合进入电子设备,引起电子设备的故障或损坏,尤其是计算机芯片、集成电路等。静电放电两种主要的破坏机制是:由于静电放电电流产生的热量导致设备的热失效;由于静电放电感应出高的电压导致绝缘击穿。两种破坏可能在一个设备中同时发生,例如,绝缘击穿可能激发大的电流,这又进一步导致热失效。
1.3普通电火工品静电放电损伤机理一般来说,在射频和静电影响较小的情况下,不足以引起火工品发火,但会使火工品的性能恶化,从而失去正常工作的可靠性。一旦电磁干扰能量积累到一定程度,就会造成火工品的意外起爆,威胁武器试验和人员安全。静电对火工品的影响是直接的,而射频能量是通过电压和电流两个作用形式使电火工品发火或瞎火。桥丝式火工品在射频作用下,桥丝上耦合的射频能量将产生焦尔热,而脉冲射频波则会产生热积累效应。焦尔热和热积累效应使桥丝温度升高并传递给周围药剂,当药剂达到发火时,将引起电火工品意外发火;而射频能量较小时,药剂只会发生热分解,从而引起性能改变。
国内外关于火工品的静电防护措施归纳起来通常有“堵”、“泄放”、“堵泄结合”三种方式。
2.1“堵”抗静电方式“堵”抗静电方式一般是采取增加脚-壳间的绝缘强度的方法。在雷管管壳与脚线构成静电放电回路的两极时,火花发生在回路中电绝缘最薄弱之处。在军用电雷管结构中通常是桥丝或脚线边缘离管壳最近,而这里又是装起爆药或点火药的位置,因此,是最容易击穿的地方。所以,在抗静电措施中,最常用的结构是,在桥丝周围增加一个绝缘环或套筒,使用绝缘材料制造管壳,或是在点火药外表面涂上一层绝缘漆膜。
2.2“泄放”抗静电方式1)采用保护性火花隙保护性火花隙作为保护通道要保证在静电火花作用下,静电能量通过保护通道可靠地泄放掉而不导致产品发火。危险通道与保护通道的击穿电压之比越大,危险通道比保护通道的击穿时间越短,泄放静电的可靠性越高。由于空气具有良好的击穿重复性,保护性火花隙通常采用空气火花隙。当施加静电高压时,由于保护通道的击穿电压比危险保护通道低,已被击穿,静电通过保护通道泄放掉,从而保护了危险通道,使产品不致发火。2)采用静电泄放元件在火工品脚与壳间并联静电泄放元件,如微型泄放电阻、微型二极管、微型氖灯和非线性电阻(如压敏电阻),以泄放静电。并联微型电阻是在脚与壳间并联泄放电阻,其主要目的是分压及分流能量,使脚-壳间危险通道得到的能量极大的减小,以致于不被静电击穿。如火工品处于一个不断产生静电荷的静电场中,由于泄放电阻的存在,静电荷不易积累。而当高压静电脉冲向产品的脚与壳间放电时,则又可通过泄放电阻泄放。3)采用非线性材料或半导体材料作电极塞非线性电阻,又称之为压敏电阻,是由高电阻的可塑性粘接物、二次电子发射体材料和非线性电阻材料组成。由于非线性电阻在静电高压时呈低阻态,能很好的泄放静电,而在低压时呈高阻态,又不影响正常发火,故是理想的泄放元件。半导体插塞是把粉碎细的金属粉,如铝粉、方铅矿、黄铜、铜或碳黑等导电微粒混入某种绝缘介质(如石蜡、树脂等)中制成插塞。在静电脉冲作用下,插塞内部被击穿,泄放静电能量;在低压下呈现高阻态,不影响正常发火。4)采用半导体涂料半导体涂料是用含有铝粉、银粉、碳黑等导电材料的化合导电胶作为半导体涂料(又称之为导电胶),涂在插塞外表面脚线与壳体间,形成静电泄放通道。使用导电涂料是一种简单、有效、成本低廉的方法。
2.3“堵泄结合”抗静电方式两脚线与壳体间是否具有一定的绝缘强度(绝缘阻值)是电火工品另一个重要的安全性指标。该指标表明了电火工品在一定电压、长时间作用下的安全可靠性。因此,很多电火工品在提出抗静电要求的同时也提出了绝缘阻值要求。这时,光采用上述“堵”、“泄放”的抗静电方法并不能同时满足抗静电要求和100V甚至500V直流电压条件下的绝缘阻值要求。为了同时满足这两个要求,在电火工品达到绝缘阻值要求的同时,还要建立一定的静电泄放通道,该通道必须具有低电压(500V~750V)绝缘、高压击穿导通的特性。根据上述设计思路,在结构上采取“堵泄结合”的方式,可保证同时满足抗静电和绝缘性能要求。
3电子设备的过压保护技术
在电子、通讯领域,目前采用的过压保护元件主要包括压敏电阻、TVS二极管、稳压管等。所有过压保护元件都有其优缺点,应该根据具体的应用场合,采用过压保护元件的最佳组合来建立相应的保护电路。电子、通讯领域采取的过压防护技术也可以借鉴到火工品领域,用于火工品的静电防护。
3.1压敏电阻压敏电阻是一种新颖的过电压保护用的半导体器件。以氧化锌压敏电阻为例,它以微小氧化锌晶粒为主体,掺杂少量更为微小的氧化秘、氧化锌、氧化钻、氧化锰等多种金属氧化物粉末在高温下烧结而成。氧化锌是N型半导体,电阻率较低,氧化锌晶粒周围是由氧化秘等组成的晶界层,是P型半导体,其电阻率较高。压敏电阻在正常工作电压下,其晶界层呈高电阻状态,只能通过微安数量级的很小泄漏电流。若电流出现浪涌过电压时,其晶界层立即转变为低电阻状态,通过压敏电阻的电流急骤增大,此时浪涌过电压的能量转化为电阻体的热能。也就是说,浪涌过电压以放电电流的形式被压敏电阻所吸收,浪涌过电压受到抑制,从而对电路中的设备或器件起到过电压的保护作用。当浪涌过电压过后,电路电压恢复正常,压敏电阻很快又恢复为高电阻状态,线路正常运行。压敏电阻的优点包括非线性系数大、常态泄漏电流小、功耗低、伏安特性对称、残压低、放电后无续流、体积小及可靠性较高;缺点包括电容值较大、响应时间较慢、离散性大;当流过它的电流增大时,箝位电压也会增大,这也是箝位保护元件的固有缺点。另外,压敏电阻容易产生蜕化,因此也存在可靠性和性能的问题。
3.2瞬态抑制二极管(即TVS二极管)瞬态电压抑制器(TransientVoltageSuppressor,TVS),是一种在稳压管工艺基础上发展起来的高效能保护器件,有的文献上也为TVP、AJTVS、SA-JTVS等。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10s~12s量级的速度将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。TVS二极管的正向特性与普通二极管相同,反向特性为典型的PN结雪崩器件。其电流-时间和电压-时间曲线（图略）在浪涌电压的作用下,TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压Vbr而被击穿。随着击穿电流的出现,流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流,同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。其后,随着脉冲电流的衰减,TVS两极间的电压也不断下降,最后恢复到初态,这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率,保护电子元器件的过程。二极管具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小、封装集成度高等优点;由于TVS二极管的结面积较大,使得它具有泄放瞬态大电流的优点,具有理想的保护作用。其缺点包括电流负荷能力低、电容值相对较高,且随着器件额定电压变化,即器件额定电压越低,电容则越大;这个电容也会同相连的导线中的电感构成低通环节,而对数据传输产生阻尼作用;二极管所能承受的瞬时脉冲是不重复的单一脉冲,若实际电路中出现重复性脉冲则会失效。
3.3稳压管稳压二极管(又叫齐纳二极管)是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在临界击穿点上,反向电阻降低到一个很小的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定。稳压管的伏安特性见如图3所示。当电压达到VBO时,稳压管会发生齐纳效应,电流迅速增加,但电压只产生很小的变化。一般来讲,稳压管的稳压效应较好,但能量吸收较小,负荷承受能力也就低得多,由此容易出现过热情况。这种情况可以部分地用压制成形的金属电极补偿,利用电极散掉热量,但这也增加了体积。目前,电火工品的抗射频方法主要还是采用加强屏蔽、低通滤波器、集肤效应导线等方法。电子设备上一般也是采用低通滤波器进行电磁防护,通过分析可知,对电火工品的射频防护还是要采用分立元件的方法。
4结束语
综观国内外火工品研究现状及火工品的特点,根据现代军民用火工品安全性和可靠性的要求以及现代微电子技术和火工药剂的发展,可以推测航天器用火工品抗静电、抗射频的研究方向:1)采用更合适的分立保护电路,进一步提高航天器用火工品的抗静电、抗射频的能力;2)小型化,结合微电子技术集成技术、封装技术,将保护电路集成到半导体芯片上,满足现代火工品小型化的发展要求;3)增加一个信息辨别系统,将杂散电流过滤掉。