不同貯存環(huán)境下SCB電極塞的失效機理

李 芳, 張 蕊, 都振華, 崔菲菲, 周德鑫, 王 晟, 付東曉, 李 庚

(1. 陜西應用物理化學研究所, 陜西 西安 710061; 2. 海軍裝備部, 北京 100841)

1 引 言

半導體橋(Semiconductor Bridge,SCB)火工品是近年來發(fā)展的一種新型火工品,它是利用半導體膜(或金屬—半導體復合膜)作為發(fā)火元件進行引燃、起爆作用的新型火工品[1-3]。SCB火工品以SCB作為換能元件,利用電激發(fā)后產(chǎn)生的等離子體引發(fā)下一級裝藥,具有發(fā)火能量低、作用時間短、安全性好等特點,并具有一定的抗靜電、抗射頻能力,成為第三代火工品的代表之一[4]。SCB火工品在各種常規(guī)和智能彈藥、航天裝備、民用爆破器材等領(lǐng)域有著廣泛的應用[5-7]。

作為一種新型火工品,SCB雖已裝備部隊,但其貯存失效機理不明。國外研究指出[8],SCB雷管和點火器的改進批次中有SCB焊區(qū)腐蝕的現(xiàn)象。分析認為,腐蝕可能是由焊接導線的粘接劑中含有的氯化物和潮濕共同作用引起的,并觀察到被腐蝕的SCB的電阻比正常SCB高出約1 Ω,但由于其熱循環(huán)前未測量其電阻變化,因此,無法確定該阻值的變化是否由熱循環(huán)后的腐蝕引起。該報告認為在選用鍍金的SCB進行短期的環(huán)境試驗后,當SCB裝置的鋁層上覆有多孔隙金層時,如果潮濕和氯化物兩個因素同時存在,就容易發(fā)生腐蝕; 腐蝕的程度與受氯化物污染的程度有關(guān); 只有潮濕時不會發(fā)生腐蝕。國內(nèi)的SCB制作工藝與國外相同,但分為橋區(qū)鍍金和不鍍金兩種,本研究以不鍍金的某SCB電極塞為研究對象,設計了不同貯存環(huán)境下SCB電極塞的加速壽命試驗,對其貯存失效模式和失效機理進行研究，這對于SCB火工品生產(chǎn)條件的控制或貯存環(huán)境的設計,提高其貯存可靠性有非常重要的意義。

2 SCB電極塞的腐蝕效應試驗設計

2.1 樣品和設備

半導體橋火工品包括SCB電極塞和裝藥兩部分,其中,裝藥部分為常規(guī)藥劑。半導體橋電極塞則是包含SCB芯片的新型換能元,是SCB火工品中的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)和性能直接影響到SCB火工品的發(fā)火性能。本文選擇不鍍金的某SCB電極塞作為研究對象,考察SCB電極塞對溫度、溫濕度及溫濕度含氯環(huán)境的敏感性。圖1為未經(jīng)貯存的試驗樣品照片。

a. panoramab. chip

圖1試驗用電極塞的全貌和芯片

Fig.1Panorama and chip of SCB electrode plugs

SCB電極塞包括電極塞和SCB芯片兩部分。試驗用SCB電極塞所嵌入的SCB芯片為橋路電阻為1 Ω的3-2型SCB芯片,該芯片包含一個二氧化硅和硅基底,基底上覆有一個蝴蝶結(jié)圖形的摻磷多晶硅。在蝴蝶結(jié)的兩個端面上附加了一個鋁層(焊盤),采用超聲焊接方式用硅鋁絲將焊盤和外部的腳線連接起來。為了增加牢固性和保護焊點不被氧化,通常在焊接好的焊點上均勻電鍍上一層銀。該蝴蝶結(jié)圖案的狹窄區(qū)域是半導體橋(SCB),一旦加載合適的電能,橋箔爆發(fā)產(chǎn)生等離子體,進而激發(fā)炸藥。焊接后的芯片如圖2b所示。

試驗使用的溫濕度試驗設備為重慶五環(huán)生產(chǎn)的HT201型低溫恒溫恒濕試驗箱; 電阻測試使用泰克公司生產(chǎn)的Tektronix DMM4050六位半高精度電阻測試儀; 掃描電鏡為捷克TESCAN公司生產(chǎn)的VEGA TS5136型設備; 能譜分析儀為英國牛津公司生產(chǎn)的INCA-300型設備。

2.2 試驗條件及試驗項目

(1)單一溫度條件的加速壽命試驗

依據(jù)GJB736.8-1990《71 ℃試驗法》中規(guī)定的試驗環(huán)境,貯存環(huán)境溫度為71 ℃。

(2)溫濕度條件下的模擬貯存試驗

在保證SCB電極塞失效機理不變的前提下,同時加速獲得試驗結(jié)果,選擇貯存環(huán)境條件為80 ℃,相對濕度(RH)95%。

(3)含氯溫濕度條件下的模擬貯存試驗

貯存環(huán)境條件為80 ℃,RH95%。試驗前,配置濃度為30%的NaCl溶液,并利用蘸取NaCl溶液的棉簽接觸SCB電極塞的橋區(qū)(含芯片和焊點)部分,以模擬在產(chǎn)品制作過程中可能引入的氯離子對SCB電極塞的貯存性能的影響。并在常溫干燥后進行模擬貯存試驗。

(4)電阻、掃描電鏡和能譜測試

每種條件下的試驗樣品為5發(fā),試驗周期70天。每14天取出試驗樣品進行電阻測試,形貌檢查和能譜分析。樣品取出后,樣品在常溫干燥器內(nèi)放置24 h后進行相關(guān)測試。測試完畢后,樣品重新放入溫濕度試驗箱中繼續(xù)試驗。

具體的試驗方案見表1。

表1SCB電極塞腐蝕效應試驗條件

Table1Corrosion effect test condition of SCB electrode plugs

No.temperature/℃relativehumidity(RH)/%saltwater171--28095-3809530%NaCl

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 單一溫度應力條件下試驗結(jié)果及分析

圖2和表2給出了71 ℃條件下貯存70天后SCB橋區(qū)形貌變化情況和電阻測試結(jié)果。從圖2可以看出,貯存后SCB橋區(qū)和焊區(qū)表面光潔,沒有腐蝕的現(xiàn)象發(fā)生。表2的電阻測試結(jié)果也表明貯存前后電阻沒有發(fā)生明顯的變化。說明單一溫度應力對SCB電極塞的性能沒有影響。

a. bridge zoneb. welding point

圖2貯存70 d后SCB電極塞的橋區(qū)和焊點掃描電鏡照片

Fig.2SEM photograph of SCB bridge zone and welding point stored after 70 days

表271 ℃下不同貯存時間的電阻測試結(jié)果

Table2Resistance test results under different storage time at 71 ℃

storagetime/dmeanresistance/Ωstandarddifference/Ω01.1080.004141.1020.004281.110.007421.1160.009561.1060.011701.1180.008

3.2 溫濕度條件下試驗結(jié)果及分析

經(jīng)80 ℃,RH95%條件貯存70天后,隨著貯存時間的增加,試驗的5發(fā)SCB電極塞的腳線的腐蝕程度隨貯存時間增加而腐蝕點增多,說明腳線的腐蝕程度隨貯存時間增加而加深。圖3給出了SCB電極塞的腳線腐蝕情況。

對試驗各階段的5發(fā)SCB電極塞進行了電阻測試,結(jié)果顯示,一發(fā)SCB電極塞的電阻在56～70 d貯存過程中由1.17 Ω急劇增加到3 Ω; 其余SCB電極塞的電阻僅增加0.2 Ω左右。對該5發(fā)SCB電極塞的電鏡分析結(jié)果表明,5發(fā)電極塞的橋區(qū)無腐蝕,而焊點除一發(fā)發(fā)現(xiàn)有嚴重腐蝕外,一發(fā)焊點出現(xiàn)輕微腐蝕,其余無明顯腐蝕。其中電阻由1.17 Ω急劇增加到3 Ω的該發(fā)SCB電極塞的橋區(qū)和焊點情況如圖4所示。

表3給出了各貯存時間段電阻的測試結(jié)果。

圖380 ℃,RH95%條件下貯存70 d后腳線的腐蝕情況

Fig.3Corrosion situation of leading wire after 70 d storage under the conditions of 80 ℃ and RH 95%

圖4嚴重腐蝕樣品的橋區(qū)和焊點腐蝕情況

Fig.4Bridge zone and soldering zone corrode situation of the badly corroded sample

表380 ℃,RH=95%條件下不同貯存時間的電阻測試結(jié)果

Table3Resistance test results at different storage time under the conditions of 80 ℃ and RH 95%

storagetime/dmean/Ωstandarddifference/Ω01.0780.017141.0640.014281.0700.012421.1100.031561.1070.031701.2250.418

從表3可以看出,隨著貯存時間的增加,電阻貯存前期呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢,至貯存70天時,電阻均值有了一個明顯的增大。分析其原因,貯存前期由于SCB橋區(qū)和焊點未發(fā)生明顯的腐蝕,主要是電極塞腳線的緩慢腐蝕導致電阻發(fā)生了緩慢增加; 隨著貯存時間的增加,有一發(fā)電極塞的焊點出現(xiàn)嚴重腐蝕引起了該發(fā)電阻的急劇增大,從而導致了電阻的均值和標準差發(fā)生了較大的變化。

對圖4所示的出現(xiàn)嚴重腐蝕的電極塞的腐蝕點和未腐蝕點進行了能譜分析,結(jié)果見圖5和表4。在腐蝕點發(fā)現(xiàn)有少量的氯離子存在,但含量很低,0.2%左右。在未被腐蝕的地方?jīng)]有氯離子出現(xiàn)。分析其原因,由于焊點的表面覆蓋有一層金屬銀起保護作用,潮濕情況下,極易在電鍍銀層的空隙處形成緩慢的電化學腐蝕,但這種腐蝕速度很慢,短期內(nèi)不會有明顯的現(xiàn)象,而氯離子則對這種緩慢的電化學腐蝕起了加速作用。

圖5嚴重腐蝕樣品的測試點及能譜的譜圖

Fig.5Test point and energy spectrum of the badly corroded sample

表4嚴重腐蝕樣品測試點的元素含量

Table 4 Element content of test point for the badly corroded sample %

3.3 沾有NaCl溶液的SCB電極塞在溫濕度條件下試驗結(jié)果及分析

SCB電極塞采用超聲焊接,且SCB火工品屬于危險品,在加工過程中,濕度要求在50%以上,且其加工過程為手工制造,不可避免地會接觸到手汗或空氣中的污染物。為了模擬SCB火工品在生產(chǎn)制造過程中所經(jīng)歷的這種狀態(tài),并研究濕度和空氣及潛在的氯離子對SCB電極塞的失效模式是否有影響,設計了本試驗。

試驗結(jié)果顯示,經(jīng)80 ℃,RH95%條件貯存70天后,隨著貯存時間的增加,腳線的腐蝕點增多; 而5發(fā)樣品的焊點隨著貯存時間的增加,均出現(xiàn)了不同程度的腐蝕,橋區(qū)無明顯變化,與僅有濕度作用相比,該條件下樣品的腐蝕程度更為嚴重。圖6給出了貯存70天后出現(xiàn)嚴重腐蝕的3號、4號以及發(fā)生輕微腐蝕的5號SCB電極塞的橋區(qū)和焊點的腐蝕情況。

a. sample 3

b. sample 4

c. sample 5

圖6不同樣品橋區(qū)和焊點的腐蝕情況

Fig.6Bridge zone and soldering zone for different sample

表5給出了80 ℃,RH95%條件下沾有NaCl溶液的SCB電極塞各貯存時間段電阻的測試結(jié)果。

表5各貯存時間SCB電極塞電阻測試結(jié)果

Table 5 Resistance test results at different storage time Ω

從表5可以看出,當含氯成份引入后,在80 ℃,RH95%貯存條件下,與不引入含氯成分的試驗結(jié)果相比,電極塞的電阻阻值增大得更快。結(jié)合圖6各SCB電極塞的腐蝕情況發(fā)現(xiàn),電阻的變化與橋區(qū)和焊點的腐蝕程度成正比關(guān)系。如3號和4號電極塞焊點發(fā)生了嚴重腐蝕,直接導致了電阻急劇增大至無窮; 5號電極塞焊點部分完好,其電阻沒有發(fā)生顯著增大。

對3號、4號和5號電極塞的腐蝕點和未腐蝕點進行了能譜分析,結(jié)果表明,在腐蝕較為嚴重的地方氯離子含量通常都大于1%,有的超過了3%。圖7和表6給出了4號樣的能譜測試結(jié)果。

圖74號樣的測試點及能譜譜圖

Fig.7Test point and energy spectrum for sample 4

表64號樣各測試點的元素含量

Table 6 Element content of test point for sample 4 %

幾種環(huán)境條件下SCB電極塞的電阻和腐蝕情況的關(guān)系表明,在SCB火工品的貯存監(jiān)測過程中,如發(fā)現(xiàn)SCB電極塞的電阻在兩個監(jiān)測時間點之間發(fā)生明顯增大(通常超過0.5 Ω)時,預示著橋區(qū)和焊點發(fā)生了腐蝕; 當SCB電極塞的電阻增大不明顯時,可認為橋區(qū)和焊點受腐蝕的可能性較小,此時腳線的腐蝕是導致電阻增加的主要因素。因此,可通過監(jiān)測電阻的變化對SCB火工品的換能元的腐蝕情況進行檢測。

4 結(jié) 論

(1) 單一溫度不會引起SCB電極塞焊點和腳線的腐蝕,不會引起SCB電極塞失效; 潮濕會引起SCB電極塞焊點和腳線的緩慢腐蝕,是導致SCB電極塞失效的一個因素; 濕度和氯離子共同存在引起SCB電極塞焊點的嚴重腐蝕,且氯離子的存在對SCB電極塞的腐蝕起了加速作用,是導致SCB電極塞快速失效的主要因素。

(2) 腳線的腐蝕僅能導致電阻的緩慢增加,而焊點的腐蝕則會導致電阻明顯變大,因此,電阻測試可以作為SCB換能元完好性的一個無損檢測手段。

(3) SCB橋區(qū)性能穩(wěn)定,不易發(fā)生腐蝕; 濕度的存在會導致SCB電極塞的腳線發(fā)生腐蝕,并易引起SCB焊點的空隙處發(fā)生緩慢腐蝕。因此,應加強生產(chǎn)流程控制,杜絕生產(chǎn)過程中濕度的引入,以免在SCB火工品的貯存過程中導致焊點的緩慢腐蝕。

(4) 氯離子對SCB電極塞的焊點腐蝕有加速作用。因此,在SCB芯片的制造工藝和SCB產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中,應采取措施嚴格控制氯離子和潮濕的引入。

參考文獻:

[1] Strohm G, Son S. Performance Characterization of Nanoscale Energetic Materials on Semiconductor Bridges (SCBs)[C]∥48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2010.

[2] 祝逢春, 徐振相, 陳西武, 等. 半導體橋火工品研究的新進展[J]. 兵工學報, 2003(1): 106-110.

ZHU Feng-chun, XU Zhen-xiang, CHEN Xi-wu, et al. Study new progression on SCB initiator[J].ActaArmamentarii, 2003(1): 106-110.

[3] Jongdae Kim, Tae Moon Roh, Kyoung-IK Cho, et al. Optical characteristics of semiconductor bridge under high current density condition[J].IEEETransactionsonElectronDevices, 2001, 48(5): 852-857.

[4] 李黎明, 尹國福, 王靜雅, 等. 微小型半導體橋電容抗靜電加固技術(shù)研究[J]. 兵工學報, 2012(增刊): 73-77.

LI Li-ming, YIN Guo-fu, WANG Jing-ya, et al. Research on the antistatic capacitance reinforcement in micro semiconductor bridge[J].ActaArmamentarii, 2012(Supplement): 73-77.

[5] Marx K D, Ingersoll D, Bickes R W. Electrical modeling of wemiconductor bridge (SCB) BNCP detonators with electrochemical capacitor firing sets[M]. USDOE, Washington, DC, 1998.

[6] Bickes R W Jr. Wackerbarth D E. SCB thermite igniter studies semiconductor bridge[R]. AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 33rd, Seattle, WA,July 6-9,1997.

[7] 盧斌, 洪志敏, 任小明, 等. SCB換能元應用于微型固體推進器中的研究[J]. 兵工學報, 2009, 30(2): 305-307.

LU Bin, HONG Zhi-min, REN Xiao-ming, et al. Research on SCB energy exchange device in microsolid propellant[J].ActaArmamentarii, 2009, 30(2): 305-307.

[8] Klassen Sandra E, Sorensen N Robert. An investigation of corrosion in semiconductor bridge explosive devices[R]. Sandia National Laboratories. 2007.