专利名称:电压保护的半导体电桥发火器元件的制作方法
发明背景交叉引用相关专利申请本项专利申请是一项美国专利申请的部分延续。原专利申请的序号为08/985,926，于1997年11月5日提交，题目为“带电压保护的半导体电桥发火器元件”，该项专利要求享有申请专利号为60/034,015的临时专利申请的优先权。后者于1997年1月6日提交，题名为“半导体电桥(SCB)元件的高压保护”。
SCB元件的电压保护是一种高度合乎需要的安全特性，用于防止出现杂散电压时引爆装置运行的事故。例如，电磁波能量，尤其是射电频谱，可能引起SCB元件中出现杂散电压。因此，例如为了防止非计划性地起动SCB，在船上、或在石油勘探平台上、或在其它使用各种各样高能射频装置的地方使用SCB元件需要提供高压保护。通常，高压保护能防止低于门限值的电压(Vth)的电压在SCB中引入电流。然而，对于高于Vth的电压，就会有足够幅度的电流流过SCB，以致让SCB起作用，结果生成等离子体去引爆与SCB直接接触放置的炸药或实现其它预定的功能。因此，Vth被定义为SCB起作用前必须被超过的电压。这种门限值电压通常在10V左右到1000V左右的范围内。提供SCB的高压保护功能可以通过各种各样的方法，例如，火花间隙、近似本征半导体膜或基片，以及半导体二极管，这一点已为熟知。
火花间隙是由一对封装在气体中或真空环境中的电极构成的，电极之间相隔一定的距离或“间隙”。这一间隙通常决定了装置的击穿电压或门限值电压。该“间隙”在装配过程中必须被精确、一致地控制，以便减小门限值电压的变化范围。这种被高度控制的封装和电极间距的工序的成本是很高的。这种火花间隙方法的另一缺点是除非瞬间施加一个远高于火花间隙击穿电压的电压，否则SCB的连续性不易监测。这样的解决方案当然会导致高电流流经SCB中的不安全状态出现。
近似本征半导体膜或基片也可以被用于实现电压保护。近似本征半导体被设计成具有一定的体积，并选定了特定的电阻值。这样，当施加的电压超过Vth时，就会产生足够的热量，生成额外的载流子，它们将降低装置的电阻，最终引起电流。这种电流是本征半导体典型表现出的负微分电阻特性的结果。近似本征半导体膜要求掺杂度很低，这一点很难控制，因为掺杂度主要依赖于两种过程i)热效应，例如散热和/或热退火(如离子注入后)，ii)半导体膜就地生成过程中对不纯度的高度可控。除了难于控制低掺杂度外，近似本征元件的阻抗和尺寸也都需要正确设计，以便让可用能量尽快地被释放成热，使膜汽化生成等离子体，由等离子体引爆炸药。
半导体二极管被用于防止由施加的低于特征击穿电压或门限值电压的电压所产生的电流。当在二极管中以反向模式加偏压时，该门限值电压会出现在二极管的接头处。然而，当在二极管以正向模式加偏压时，这种保护功能就失效了，因此这类用二极管保护的SCB是一种有极化的装置。为了解决这类极化问题，背对背式二极管被与SCB串接使用以提供SCB在两个极性上的保护。然而，这种方法的主要缺点是对于单个二极管要获得高击穿电压就要求降低掺杂度，而且对于不同的击穿电压值就要求不同的膜片(基片)。例如，一个具有500V击穿电压的二极管要求基片的掺杂浓度低于每立方厘米1015，这几乎不可能实现，因为很难控制到这样低的杂质浓度。避免这种低掺杂度要求的一种解决措施是使用多个低电压的二极管以背对背的形式布置，并与SCB串联。当然这样就导致了更为复杂的设计，还要占用更大的芯片面积。这类背对背二极管方法的另一缺点是除非瞬间施加一个远高于二极管击穿电压的电压，否则SCB的连续性难于监测。这样解决方法当然会导致在SCB中流过大电流的不安全状态。因此，除了需要改进结构以提供SCB的高压保护外，同时，还需要改进结构实现在制造过程和使用之前期间内能够在不同的点上连续监测SCB装置。
按本发明，这里特别提供具有防止在低于预定门限值电压下工作的保护功能的半导体电桥发火器装置。发火器装置确定一电路包括以下元件。基片是由不导电的材料制成，第一半导体电桥被放置在基片上。第一半导体电桥包括放在基片上的多晶硅层，基片的尺寸和布置形式使第一和第二垫片之间具有间隙，该间隙用连接着第一和第二垫片的引爆电桥连接。电桥的尺寸和布置形式保证具有选定特性的电流的通路能在电桥处释放能量。被喷涂了金属的第一、第二接合面放置得分别与第一、第二垫片电导通接触，由此形成电路的第一点火引脚是由被喷涂了金属的第一、第二接合面，第一、第二垫片和电桥组成。介电材料被串插到电路的第一点火引脚中，其击穿电压等于门限值，只有所施加的电压至少达到门限值电压时电路才能被闭合。第二半导体与第一半导体电桥并联，被放置在基片上。第二半导体电桥包括放置在基片上的多晶硅层，基片的尺寸和布置形式保证第一和第二垫片之间具有一个间隙，其用连接第一和第二垫片的引爆电桥进行连接。电桥的尺寸和布置形式保证具有选定特性的电流的通路在电桥上释放能量。被喷涂了金属的第一和第二接合面被配置成分别与第一、第二垫片电导通接触，由此确定电路的第二点火引脚是由被喷涂了金属的第一、第二接合面，第一、第二垫片和电桥组成。介电材料被串插到电路的第二点火引脚中，其击穿电压等于门限值电压，只有所施加的电压至少达到门限值电压时电路才能被闭合。第一半导体电桥和第二半导体电桥在电路中被布置使得每个电桥被连接去接收与另一个电桥所接收的电压极性相反的电压。
在本发明的另一方面中，第一半导体电桥中的介电材料是被插在第一半导体电桥的多晶硅层和第一半导体电桥的被喷涂了金属的接合面之间的介电层。
在本发明的另一方面中，第二半导体电桥中的介电材料是被插在第二半导体电桥的多晶硅层和第二半导体电桥的被喷涂了金属的接合面之间的介电层。
仍在本发明的另一方面中，第一半导体电桥的第一被喷涂了金属的接合面和第二半导体电桥的被喷涂了金属的第一接合面组合在一起形成了第一导电层。同样，第一和第二半导体电桥的被喷涂了金属的第二接合面也组合在一起形成第二导电层。
仍在本发明的另一方面中，多晶硅层可以被掺杂。
在本发明的其它方面中，电路可能包括一个与第一、第二点火引脚并联的电容器。
本发明另一方面规定电路还包括连续监测器引脚，该引脚包括一个与第一、第二点火引脚并联的可熔断链路。可熔断链路包括一层薄膜可熔断链路，其尺寸和布置形式使得它能在高于选定的监测器电流强度的电流下击穿，即如果超过监测器电流强度，那么可熔断链路将击穿，断开监测器引脚。
本发明另一方面规定电路还包括连续监测器引脚，该引脚包括一个与第一、第二点火引脚并联的电阻器。电阻器可包括多晶硅层或不导电基片中一段被掺杂的部分。在任何一种情况中，电阻器的阻值都要足够大，以便将流经电路第一、第二点火引脚中的电流减弱到一定程度(因此减少了芯片中生成的热量)，使第一和第二半导体电桥装置中的温度始终低于预先选定的温度。在本发明的相关方面其中，半导体电桥发火器装置包括一个电引爆装置，放置半导体电桥发火器装置为与高能物质如初级炸药接触，预先选定的温度是高能物质的自燃温度。
在本发明的另一方面中，电阻器可能包括第一半导体电桥的多晶硅层的一段掺杂部分或包括基片的一段掺杂部分。
本发明的其它方面提供，基片被分割成第一和第二基片，其中第一半导体电桥放在第一基片上，第二半导体电桥放在第二基片上。
本发明另一方面提供发火器装置所确定的电路还包括下列组件。基片是由不导电材料制成，第一半导体电桥就放在该基片上。第一半导体电桥包括放在基片上的多晶硅层，其尺寸和布置形式保证第一和第二垫片之间具有一个间隙，其用连接着第一和第二垫片的引爆电桥进行桥接。电桥的尺寸和布置形式使得具有选定特性的电流的通路在电桥上释放能量。被喷涂了金属的第一、第二接合面在放置为分别与第一和第二垫片电导通接触，由此确定电路的第一点火引脚是由被喷涂了金属的第一、第二接合面，第一、第二垫片和电桥组成。介电材料串联插到电路第一点火引脚中，其击穿电压等于门限值电压。由此只有当施加其上的电压至少达到门限值电压后电路才被闭合。电路还包括一个与第一点火引脚并联的电容器。
图1是按本发明一种实施例的带电压保护的半导体电桥发火器装置的正视示意图；图2是图1发火器装置的俯视图；图3是按本发明的另一种实施例的带电压保护的半导体电桥发火器装置的正视示意图；图4是图3发火器装置的俯视图；图5是按本发明的另一种实施例的带电压保护的半导体电桥发火器装置的正视示意图；图6是图5发火器装置的俯视图；图7是按本发明的一种实施例的带电压保护的半导体电桥发火器装置的电路图，包括的可熔断链路放置与该装置电路的点火引脚并联；图8是按本发明另一种实施例的带电压保护的半导体电桥发火器装置的电路图，其包括的高阻电阻器放置与该装置电路的点火引脚并联；图9是按图8说明的实施例中带电压保护的半导体电桥发火器装置的正视示意图，其包括的盘绕式高阻电阻器放置与装置电路的点火引脚并联；图10是一种电引爆装置正视图的截面示意图，该引爆装置使用了按本发明的实施例的带电压保护的半导体电桥发火器元件；图11是例1B部分使用的测试设备的电路示意图；图12是例1C部分使用的测试设备的电路示意图；图13是按本发明的另一实施例的带电压保护的半导体电桥发火器装置的示意图；图14是图13带电压保护的半导体电桥发火器装置的俯视示意图；图15是从图14剖分线XIV-XIV处截取的横截面图；图16是按发明的另一实施例的带电压保护的半导体电桥发火器装置的示意图；图17是使用了图16的带电压保护的半导体电桥发火器装置的电引爆装置的放大的局部剖分图。
发明详述及其优选实施例带电压保护的SCB装置本发明中，半导体电桥发火器装置是具有电压保护功能的(有时这里也称其为“电压阻断”)，由夹在两个高度可导电极之间的介电层(例如二氧化硅)构成的抗熔断器实现电压保护。例如可导电极是由n掺杂度的多晶硅、低熔点金属(如铝、铜、金等)、耐火金属(如钨、钼、钴等)和/或其中两种或几种混合构成的。选择介电层的方法是介电层的厚度和以介电层每厘米厚度上的电压(V/cm)表示的介电场强能让介电层在预期的高门限值电压(Vth)下实现突然击穿。例如，介电强度为107V/cm、膜厚度约为0.5微米的二氧化硅在施加约为500V的电压时击穿。击穿介电层的时间很短，也就与产生火花的时间相当，以微秒甚至纳秒测算。膜越薄，其具有的门限电压(Vth)值越低，反之亦然。因此，在介电层中高压的出现和细丝结构的突然形成都具有相当于短路一样的效应，导致电流远超出了半导体电桥发火器元件要求的点火级电流，致使元件发热并汽化，结果产生的等离子体就会引爆放在发火器周围的炸药。通常，金属-绝缘体-金属型的抗熔断概念指对于低于介电层断开或击穿电压的电压值由介电层提供高压保护，该击穿电压也被选用建立其作为门限值电压(Vth)。Vth主要由介电层的构成材料和厚度决定。至少达到Vth的电压才能击穿介电层，将两个电极一起熔化，将半导体电桥的发火器元件置于所施加的高压之下，随后半导体电桥发火器元件发热并蒸发，让作为发火器装置一部分的电引爆(EED)装置发挥作用。
图1至图9以及图13到17都是示意图，不是按比例绘制的；为了解释清楚，特定元件的尺寸被进行了夸大。图1至图6中的相同元件用同一元件序号表示；相似元件也用同一元件序号表示，只不过其中又加入了撇号，如16a’。图7到9、13到17使用了间隔序号。
现在请参考图1和图2，其中表示的半导体电桥装置10具有不导电的基片12，它可以由任何合适的不导电材料构成。通常，正如本领域中早为熟知的，不导电基片可以是单种或多种成分材料。例如，一种较为合适的用于多晶硅半导体材料的不导电基片包括一层放在多晶硅基片上的绝缘层(例如二氧化硅、氮化硅等)。这里为基片12提供了一种已为熟知的适用的材料组合方案。适用于单晶硅半导体材料的不导电基片包括青玉，它也是一种已知适用作基片12的材料。在图解的实施例中，可导电材料包括掺杂度很高的多晶硅半导体14，它安装在基片12上，通过任何适合的已为本领域的技术人员所熟知的安装方法实现，例如，通过外延生长方式或者低压化学蒸发沉积技术实现。正如从图2中可以清楚看到的，半导体14包括一对垫片14a和14b，它们在俯视图中的形状相当接近长方形，除了对边14a’和14b’向着引爆电桥14c方向斜削。电桥14c连接着垫片14a和14b，看上去比垫片14a和14b的表面积和尺寸要小得多。电桥14c是半导体电桥装置10的激发区域。从图2中看到半导体14的综合布置形状就像一个“蝶形领结”，长方形大垫片14a和14b间隔开，之间用一个小引爆电桥14c连接。介电层15装在半导体14的长方形垫片14a上。图2中介电层15被部分剖开，这是为了显示垫片14a和在图解的实施例中，垫片14a的上表面被完全覆盖了。在图2中也被部分剖开，为了部分地显示出介电层15和垫片14b的一对被喷涂了金属的接合面16a和16b分别地覆盖在它们之上，在图解的实施例中，完全覆盖了介电层15和垫片14b的上表面。被喷涂了金属的接合面16a和16b十分相似。现有技术通常只教铝制或钨制接合面16a和16b的使用，而实际上任何适合的金属或合金都可以用作接合面。电触点18a和18b分别被连接到接合面16a和16b上，因而能使任何合适的外加电压源电连接到SCB上。或者，也可以将接合面16a和16b直接连接到印刷电路板上或者此类部件上，以便将任何合适的外加电压源电连接到SCB上。
在工作中，本发明的半导体电桥装置被电连接到能提供电能的外部电压源上。介电层15起到绝缘体的作用，能防止电源被施加在引爆电桥14c上。正如前面讨论过的，当超过Vth的电压(激发电压)在引爆电桥14c上被施加了足够长的时间后，介电层15将会击穿，形成电丝状结构。一旦介电层被冲破，即伸展在接合面16a和垫片14a之间的导电细丝结构被形成，加在触点18a和18b之间的电源会引起电流流经电桥14c。当强度足够大的电流作用了足够长的时间后，引爆电桥14c会以等离子体结构喷射，这些等离子体用以提供热源，例如用于引爆与引爆电桥14c接触装填的高能物质。
现在参考图3和图4，其中表示的本发明另一种实施例的半导体电桥装置10’具有一个不导电的基片12’。导电半导体14与图1和图2实施例的半导体14相同，这里就不再赘述。半导体14被安装在基片12’上，因此，只有基片12’的一部分左侧被露出来。被喷涂了金属的导电层20被装在长方形垫片14a的上表面和侧面，沿着基片12’露出来的部分延伸。介电层15’被装在导电层20上表面的区域20a内。区域20a是导电层20的一部分，导电层直接装在基片12’上。介电层15’延伸到能覆盖区域20a的整个上表面为止。一对被喷涂了金属的接合面16a’和16b(接合面16b在图4中被剖开以便部分地显示出长方形垫片14b)覆盖在介电层15’和垫片14b上，在图解的实施例中完全覆盖了它们的上表面。
在工作中，图3和图4的半导体电桥装置提供的整体电压保护与图1和图2中装置的电压保护相似。介电层15起到绝缘体的作用，防止电压源施加在引爆电桥14c上。正如上面所提过的，在超过Vth的电压在半导体电桥装置10上被施加了足够长的时间后，介电层15将会击穿，形成电丝状结构。一旦介电层15被冲破，即伸展在接合面16a和垫片14a之间的导电细丝结构被形成后，加在触点18a’和18b之间的电压源会引起电流流经引爆电桥14c。更准确地说，电流通路要经过接合面16a’、介电层15’中形成的导电细丝结构、导电层20、垫片14a，再经过引爆电桥14c到垫片14b和接合面16b。当强度足够大的电流作用了足够长的时间后，引爆电桥14c以等离子体结构喷射，这些等离子体用以提供热源，例如用于引爆与引爆电桥14c接触并装填的高能物质。
现在参看图5和图6，其中表示的本发明另一实施例的半导体电桥装置10”，具有一个不导电的基片12’。导电半导体14与图3和图4实施例的半导体14相同，因此这里就不再赘述。半导体14被装在基片12’上，使得基片12’的一部分左侧被露出来。被喷涂了金属的导电层20’被装在长方形垫片14a的上表面和侧面，并延伸至基片12’露出的部分较短的一段。位于基片12’上表面的其局部的n-掺杂的硅晶体区域22沿着基片12’露出的部分一直延伸到能与导电层20’在区域20a’上的部分导通。介电层15’被装在n掺杂度的硅晶体区域22的上表面上。介电层15’可以延伸到能覆盖区域20a’的整个上表面。导电层20’和垫片14a两者的一部分在图6中被局部地剖开，以便部分地显示出n掺杂的晶体硅区域22。一对被喷涂了金属的接合面16a’和16b(接合面16b在图6中被部分割开以便部分地显示出长方形垫片14b)覆盖在介电层15’和垫片14b上，在图解的实施例中完全覆盖了它们的上表面。
图5和图6的半导体电桥装置提供的整体电压保护功能和操作方式都与图3和图4的半导体电桥装置的相似。一旦介电层被冲破，即伸展在接合面16a和垫片14a之间的导电细丝结构形成，加在触点18a’和18b之间的电源会引起电流流经引爆电桥14c。更准确地说，电流通路要经过接合面16a’、介电层15’中形成的导电细丝结构、n掺杂的晶体硅区域22、导电层20、垫片14a，再经过引爆电桥14c到垫片14b和接合面16b。当强度足够大的电流作用了足够长的时间后，引爆电桥14c以等离子体结构喷射，这些等离子体用以提供热源，例如用于引爆与引爆电桥14c接触并装填的高能物质。
上述说明的实施例给出了在多晶硅、金属层或硅基片之一上布置抗熔断器的方案，而这些实施例只不过是可用于优化抗熔断器电学特性的带电压保护的半导体电桥发火器可能结构中的一些。选择放置抗熔断器的结构层会影响某些电源可靠性问题，例如，导致与多晶硅表面微观粗糙度相关的电源可靠性问题。具有连续性检测功能的带电压保护的SCB上面已经指出，我们期望能够在SCB装置生产周期中以及在其投入使用之前的不同点上监测SCB装置的连续性。例如，在SCB装置被调用到工作现场作为电引爆装置(“EED”)，即炸药的引爆装置的一部分之后，而且在EED装置被连接到点火引脚上之前，期望进行连续性监测。以上说明的抗熔断结构是不带有连续性监测结构的，只能允许用高频信号进行连续性监测，高频信号以其本性在典型EED系统中使用标准两线式引入线不能传播得很远，对于线长超过几英尺的情况更是如此。因此，高频连续性检测对于多数应用情况是不适用的，而优选使用直流(DC)电信号的连续性检测，在多数情形中后者是唯一可行的方法。
本发明提供了两种不同的方法对本发明中带高电压保护的SCB装置进行安全有效的DC连续性检测。一种方法是可熔断链路，另一种方法是高阻电阻器，这两种器件都与SCB装置的点火引脚并联安放。可熔断链路的连续性检测结构一种可以简化SCB装置DC连续性检测的配置方案是在SCB装置的点火引脚上并联一个可熔断链路。典型的可熔断链路是一层低功率、低电阻、沉积在装置上的金属层，例如一层很细的铝迹线。使用可熔断链路时，无需让电流流经SCB装置的点火引脚，点火引脚的连续性就可以被监测。铝迹线被设计成在某一低幅DC监测能级下就能被裂开，形成开路。因此，DC监测器电流的幅值必须被保持在低于可熔断链路将被裂开的电平而且电压必须保持低于激发电压的水平上，即低于SCB装置被引爆的电压。可熔断链路可被放在SCB装置(芯片)的背面，或者更省事儿，放在SCB装置的顶面上。如果必要，可熔断链路可以覆盖一层SiO2钝化层，例如在SCB装置用作EED的一部分，并且与高能物质如叠氮化铅、-2-4-6三硝基间苯二酚铅等初级炸药接触的情况中。钝化层可以防止与可熔断链路接触的高能物质被低幅监测器电流或高幅电流即能使可熔断链路熔断的链路激发电流引爆。
图7给出了电路示意图，其中带电压保护的半导体电桥装置24是由一个与介电抗熔断器28串联的半导体电桥装置26组成的。应当理解的是带电压保护的半导体电桥装置24可以由图1到6中说明的任意一种实施例组成，或者由在装置电路的点火引脚内串接了抗熔断装置28的任何其它实施例组成。在图7中，点火引脚用路径ABEF来定义，该路径包括了连接电源用的连接端30、32。连续性监测器引脚ACDF被并联在点火引脚上，并包括一个可熔断链路34。可熔断链路34优选在半导体电桥装置26的基片上放置一条细金属迹线，优选铝材料。
可熔断链路34的重要特性在于它的熔断电流级Ifo，Ifo被定义为熔断元件需要的最小电流。低于Ifo的电流可被用于进行连续性测试，元件中只产生较少的热量。等于或高于Ifo的电流被认为是熔断电流。
可熔断链路的Ifo是由几种设计参数决定的，其中的几个参数为构成可熔断链路的金属材料—它决定了电阻率(ρf)，控制着元件的电阻Rf(ρrLf/Acf)；熔点(Tm)—决定熔断元件所需热量的多少；和熔化时金属的热传导率(Km)。典型金属为铝(Al)、金(Au)、铜(Cu)、铬(Cr)。
沉积可熔断链路的基片控制着从可熔断链路散出的热的传递速率。典型材料有硅(Si)、石英(SiO2)、玻璃和青玉(Al2O3)。
可熔断链路的物理尺寸，即长(Lf)、宽(Wf)、厚(Thf)，确定了元件上电流流过的横截面积Acf(Wf×Thf)，向基片传导热量的表面积ASf(Lf×Wf)，和总能量中要用的容积Vf(Lf×Wf×Thf)。
可熔断链路被设计成在小幅度的电流作用下如0.1～0.5安培就能熔断。当施加了监测电压时，就有受限的监测器电流流经可熔断链路，这是因为电路上的另一引脚由于抗熔断层的效能而被有效的阻断了，只保证期望的电压值，通常这一电压要有几百伏。因此，简单的DC连续性检测能被用于评价电连接SCB芯片的连续性。
在工作过程中，随着电压增加到点火电压，当电流增加到超过了可熔断链路的激发电流时，可熔断链路就被熔断，这样就断开了电路的连续性监测器引脚。抗熔断器达到了激发电压时，则SCB点火引脚就会正常点火。
可熔断链路或者保险被做成单独的(直线形或螺旋形)线圈或金属薄片，或者做成基片上的一层薄膜，例如图1至6中说明的实施例的基片12或12’。单独的线圈和金属薄片要求厚度大些，因此需要使用大量材料，使用的材料横截面积在100平方毫英寸左右，长度通常以厘米测量。尽管与薄膜相比尺寸较大，但它们还是比较脆，需要保存在玻璃或塑料封装内。
另一方面，薄膜式可熔断链路是微米尺寸的元件，通过如半导体制造工艺中使用的照相平版印刷技术将薄膜沉积在平面基片上。能与薄膜式可熔断链路兼容的某些基片类型包括标准硅片、玻璃或塑料圆盘、青玉基片、陶瓷以及其它电绝缘的平整表面。然而，在预先已经过局部氧化处理的标准硅晶体基片上制作可熔断链路具有能在同一芯片上进行电路集成的优点。能在同一芯片上集成可熔断链路和半导体电路这一性能本身就具有降低制造成本、增加产品可靠性和再生产性、以及防止机械破坏的优点。照相平版印刷技术能提供灵活多变的尺寸设计，这就允许增大或减小可熔断元件的尺寸，在保持相同熔断电流的同时调整其电阻。
另外，基于半导体工业目前已经可用的技术，薄膜式可熔断链路可以用几乎任何金属制造。例如，标准的照相平版印刷技术可以被用于确定可熔断链路的几何形状，在金属沉积过程中可以控制可熔断链路的厚度。另外，薄膜式可熔断链路金属也可以使用各种各样的其它熟知技术被沉积，这些已被熟知的技术包括蒸发、溅射、喷涂、电镀和化学蒸发沉积等。电阻式连续性检测可以用一个高电阻代替可熔断链路，让它与电路的SCB抗熔断点火引脚并联，起到检测电路连续性的阻抗元件的作用。电阻器优选地集成到SCB基片上，当然也可以使用分离式的电阻器元件。电阻值的选择要适当，能实现预期作用。例如，为了让集成电阻器在EED应用中有效地起作用，它的电阻值必须足够大(在100千欧的数量级上)以便保持电流流过时消耗功率较低，以便维持SCB装置的温度始终低于与引爆装置相接触的高能材料(如初级炸药)的自燃温度。所施加的连续性检测电压当然必须低于激发电压，即SCB被引爆时的电压值。根据电压阻断式SCB装置的设计(SCB装置与抗熔断器介电层串联)和期望该装置的应用，激发电压可能从几十伏变化到几百伏。低功率消耗也降低了热效应对抗熔断器电压阻塞性能的影响，因为经验表明热趋于降低这类抗熔断装置的门限值电压。
图8中表示的是包括阻抗式连续性监测器引脚ACDF的带电压保护的半导体电桥装置的电路示意图，与图7相同，只不过用电阻器36代替了图7实施例的可熔断链路34。图8与图7中相同的元件使用了相同的编号，这里不再赘述，只有一点注意像图7的电路图一样，图8的电路包括点火引脚ABEF和连续性监测器引脚ACDF。
电阻器可以位于体硅片内，或者放在包括SCB的多晶硅层内。下面将讨论它们各自的一些优点。不过，电阻器的优选布置形式是放置在体硅片内。体硅或多晶硅的掺杂是可以控制的，以提供平方面积上的高电阻值，这样在像SCB一样的芯片上能制造出高阻电阻器。一种实施例使用了盘绕式设计以获取高电阻值。用大面积n+型渗出接触式垫片可以将电阻器连接到电压阻断式SCB上，这就减缓了形成非线性元件如肖特基(Shottky)二极管。
用高电阻的电阻器实现连续性检测的电压阻断式SCB的典型设计方案如图9所示，其中半导体电桥装置38既具有高电压保护功能，又有集成于其中的连续性监测器引脚。半导体电桥装置38包括不导电的基片40，它是用适当材料制成的，如二氧化硅、氮化硅等。半导体电桥装置38的结构与图1和图2中解释过的结构相似或相同，在俯视图中可以看到该装置包括一对被喷涂了金属的放在多晶硅半导体垫片44a和44b垫片上的接合面42a和42b，和用引爆电桥44c连接起来的垫片44a和44b。垫片44a和44b以及引爆电桥44c组成了一整块单独的多晶硅半导体片。图9中看不到由介电层构成的抗熔断器，它与图1和图2中说明的介电层15差不多，被插到喷涂了金属的接合面42a和垫片44a之间。电阻器接触垫片46a和46b被分别电连接到被喷涂了金属的接合面42a和42b上。电阻器接触垫片46a和46b由一个金属连接层(如铝制连接层)进行连接。(图9中看不到)，金属连接层向下穿过基片40经穿过基片40延伸的通路延展为一条金属薄片或一根金属迹线，它在图9中也是不可见的。该通道周围衬着适当的介电材料，以防止从连接层的垫片引出的金属迹线与装置内的其他元件导通。金属连接层将电阻器接触垫片46a和46b分别连接到在基片40底面上形成的盘绕式电阻器的两个接线端上。可以用接近本征硅片实现高电阻率；还可以通过低浓度掺杂离子实现每平方面积上所要求的高电阻率，获得一定的电阻值。还可以通过以下方法实现在标准掺杂的薄片中逆向掺杂相反极性的离子(P型硅片用正离子，反之亦然)直到得到想要的高电阻率值为止。作为图解中已说明的结构的一种替代结构，电阻器也可以放在包括SCB装置的同一多晶硅层内，而不必放在基片40上或基片内。
将电阻器放置在多晶硅层内的一个潜在优点就是因为在多晶硅层下面有SiO2绝缘层，电阻器可以和起支撑作用的硅基片完全绝缘。将电阻器放置在多晶硅层内的另一个潜在优点是多晶硅可以无掺杂地生长，而且它比标准掺杂薄片的体晶硅更易于进行低浓度的离子掺杂。低掺杂导致每平方面积上的电阻值较高。但是，将电阻器放在薄片的体晶硅之中的一个主要优点是装置中较高的热传递出去，传递到装料头或其它安放SCB装置的结构上(例如请参看图10以及下面的说明)，从而减小了热积累。如果热是主要应当考虑的问题，那么将电阻器放到体晶硅基片上应是优先选择的布置方案。
本发明中的半导体电桥发火器装置有利于作为EED的一个部件使用。典型的EED在图10中用传统的炸药发火器50进行说明，它由装料头52组成，装料头52确定一杯形凹槽54内存放着炸药56，一般装初级炸药如叠氮化铅、2-4-6三硝基间苯二酚铅。在凹槽54底部上放置的是按本发明制造的半导体电桥装置58，它是由被喷涂了金属的接合面60a和60b、和放在它们中间与炸药56直接接触的发火器电桥62组成的。半导体电桥装置用适当的方法(如环氧胶65)固定在杯形凹槽54的底部。被喷涂了金属的接合面60a和60b分别被电引线66a和66b连接到电引线64上。其中，每个电引线的一端被分别焊接到被喷涂了金属的接合面60a和60b上，电引线的另一端被分别焊接到一个电引线64上。例1A.电压阻断式SCB发火器装置38按图9所示的布置形式制造，为了进行测试又按图10说明的与炸药发火器50连接的方式安装在TO-46型装料头上，只是这里并未装入高能物质(对应于图10中的炸药56)。各个包括SCB发火器装置38的被测试单元150(图11和12)都由以下部件组成a)0.5微米厚度的二氧化硅膜，用作抗熔断元件(图9中没有表示出来，但是与图1中介电层15相当)；b)金属铝的接合面(图9中的42a和42b)；c)多晶硅层(图9中只表示了引爆电桥44c而未表示它，但它相当于图1中的多晶硅半导体14；图9中的44c相当于图1中的14c)；和d)15,000欧姆的电阻器(图9中的盘绕式电阻器48)，它被并联到电压阻断式点火引脚上。后者是由被喷涂了金属的接合面(图9中42a、42b)、介电层(相当于图1中15)以及多晶硅半导体层(相当于图1中14)构成。
要进行电测试的测试单元通过每个电容放电(10μf)测试、直流斜坡电压测试、电阻器电流对递增直流电压的测试以及交流电压测试(120伏、每秒60周)。
B.电容放电测试用图11中示意性说明的第一测试电路68进行。电路68包括600V、10μf的电容器70，乒乓开关72，示波器74和电压在0～400伏之间变化的高压直流电源76。被测试单元150通过与图10的电引线64对应的电引线连接到电路上。在测试过程中，抗熔断元件(相当于图1中的介电层15)的击穿电压在200+/-20伏的范围内获得。电容器上的电压在150V～250V的范围内以10V的增长率逐步递增。在这一测试方案中，并联的电阻器连续性监测器引脚不能起到主要作用，这是因为输送到抗熔断器上的电压是瞬时的，因而电阻器不会消耗很多能量。
C.倾斜式提升直流电压测试是通过把图11的高压直流电源76直接连接到被测试单元150的电引线(相当于图10中的电引线64)上，同时用示波器74监测结果来实施的。测试表明当输入电压以每秒30V甚至更高的速率手动增加时，带电压保护的SCB装置在200+/-20V的电平上能连续点火。这与B部分中电容放电测试得到的结果是一致的。但是，对于每秒约15V甚至更低的电压变化速率，带电压保护的SCB就会在160V左右表现出一些电的不稳定性，导致装置在160～180V范围内较低的电压下过早起作用，一般认为这是并联电阻器产生热的结果。热促进了SiO2介电膜上铝的扩散，随后，最初0.5微米厚的介电膜的有效厚度就减小了。
D.电阻器电流对递增直流电压的测试是通过将如图12所示的直流高压电源76和安培表78与第二测试电路80中的被测试单元150串联而进行的，第二测试电路80包括示波器74。连续电压监测测试是在电压阻断式SCB装置上进行的。在测试中，按递增电压模式、每步电压持续1分钟电压在60～160V的范围内，每步增加10V的方法施加电压。每一步电压逐渐递增电压之间所以要在1分钟的时间间隔是为了让被测试单元150中的半导体发火器装置38在各个电压下都保持温度稳定。这样，在半导体发火器装置38的并联电阻器(相当于图8中的电阻器36)的阻值上所获得的数据就是所施加电压的函数。测试的整个结果表明被测试的单元在连续模式下能维持140V直流电压长达12个小时，而且被测试单元不会出现物理和/或电学性能的下降。
带电压保护的SCB的电学参数-电压和电流，在整个测试过程中都要进行监测。因此，电阻器(相当于图8中的电阻器36)的阻值和功率可以作为所施加的电压的函数而被计算出来。所观察到的主要的电学特性是并联电阻器(相当于图8中的电阻器36)的阻值由0.5V下的初值15,000欧姆变化到100V下接近峰值150,000欧姆，而在140V时又降低到约100,000欧姆。140V时功率损耗小于0.2瓦。
电阻器的动态电学性能对应着其良好的连续性测试性能以及将并联高阻抗电阻器(相当于图8中的电阻器36)添加到带电压保护的SCB发火器装置38(图9)上时所提供的电压保护功能。换言之，并联电阻器对连续增长杂散的电压的响应就是提高了电阻器所提供的电阻值，这是由于在SCB芯片内生成的热量较少的缘故。当然，本领域中的技术人员应当了解SCB芯片的尺寸越大，其散热能力也越好。
E.在交流电压测试中，被测试的单元150反复地从120伏、每秒60周的交流插座上接通和断开，该插座被连接到与图10的电引线64相当的结构上。被测试单元150上并未发现物理性能或电学性能的恶化。被测试的单元也被整夜地插在交流插座上，也未发现任何可觉察到的性能下降。多电桥结构上述说明的带电压保护的半导体电桥发火器装置只包括一个带电压保护的半导体电桥装置(如图7和8中的装置24)，它对电压的极性极为敏感。尤其已观察到点火电平的波动依赖于施加在发火器装置上的电压极性。缓解这种敏感性的一种方法是在电路中引入第二个带电压保护的半导体电桥装置以接收与第一个带电压保护的半导体电桥装置所接收的电压极性相反的电压。
使用多电桥结构的带电压保护的半导体电桥发火器装置的电路示意图和电阻式连续性监测器引脚ADEH用图13中200表示。图13中的电路包括一对点火引脚ABGH和ACFH，以及一个连续性监测器引脚ADEH，它们都并联到一起。监测器引脚ADEH与上面讨论过的相似。如图解中已说明过的，该引脚包括一个高阻值的电阻器202，但是在本实施例中如果使用可熔断链路来代替电阻器也是可以理解的。电路连续性可以通过电阻器202进行检测；尽管也可以使用独立的电阻器元件，但优选地将电阻器集成在SCB基片上。为实现预期的作用，应选择合适的电阻值。所施加的连续性监测电压必须低于上面讨论过的激发电压。按图8中的实施例，电阻器既可以放在硅片的大体积硅晶体之中，也可以放在包括SCB的多晶硅层中。
点火引脚ABGH包括一个带电压保护的半导体电桥204，点火引脚ACFH包括一个带电压保护的半导体电桥204’。这两个带电压保护的半导体电桥204，204’各自包括一个与介电抗熔断器208、208’串联的半导体电桥装置206、206’。可以看出半导体电桥装置206和可熔断器208连接在一起，它们所接收的电压与半导体电桥装置206’和可熔断器208’连接在一起所接收的电压极性相反。应当理解带电压保护的半导体电桥装置204、204’可以由图1～9中说明的任何一种实施例构成，也可以由在装置电路的发火引脚内串联一个抗熔断装置的其它类型的实施例构成。
带电压阻断的半导体电桥发火器装置的另一种实施例通常用图14和15中的201表示。带电压阻断的半导体电桥发火器装置201包括一个高阻值的盘绕式电阻器202和一对带电压保护的半导体电桥装置204、204’。电阻器202由不导电的基片210支撑着，该基片由合适的材料制成，如二氧化硅、氮化硅等。电阻器202是由一个连接在电阻器接触垫片212a和212b之间的盘绕图案组成的，接触垫片分别被连接到被喷涂了金属的接合面214a和214b上。电阻器接触垫片212a和212b可选择地放在如氧化物材料所组成的绝缘垫片216a和216b上。电阻器202的盘绕形图案可以由一层被掺杂的半导体材料构成，沿着基片210的上表面218上沉积成或蚀刻出材料薄片或迹线形状。或者电阻器202也可以被放在基片210的底面上；或按前面讨论过的关于图9中的实施例，将电阻器放在多晶硅层中。按前面讨论过的关于图9中的实施例，可以按需要，用掺杂量改变电阻器202的电阻值。
被喷涂了金属的接合面214a和214b将电阻器202并联到每个带电压保护的半导体电桥发火器装置204和204’上。应当了解的是尽管半导体电桥发火器装置204和204’被放置在单一基片210上，但是将它们分别放在独立的基片上也是可以的。正如已经说明过的，带电压保护的半导体电桥装置204、204’被放在可选用的如由氧化物构成的绝缘层220上。
带电压保护的半导体电桥装置204包括垫片222a和222b，它们之间用引爆电桥222c进行连接，每个垫片都由一整块单独的多晶硅半导体制成。抗熔断器由介电层224组成，相当于图1和图2中说明的介电层15，它放在被喷涂了金属的接合面214a和垫片222a之间。同样，带电压保护的半导体电桥装置204’包括垫片222a’和222b’，它们之间用引爆电桥222c’进行连接，每个垫片都由一整块单独的多晶硅半导体制成。为了能连通带电压保护的半导体电桥装置204’以接收与带电压保护的半导体电桥装置204上所接收电压极性相反的电压，抗熔断介电层224’，相当于图1和图2中说明的介电层15，被放在被喷涂了金属的接合面214b和垫片222b’之间。所以，可以看出由于介电层224与介电层224’位置的不同，相反极性的电压就可以被施加在各个介电层上。减少气孔这里说明的带电压保护的半导体电桥发火器装置已被发现在特定环境中极易受影响，例如在静电放电(ESD)测试中会导致抗熔断结构中出现气孔。为了防止出现这类气孔，已发现可以用一个电容器与带电压保护的半导体电桥发火器装置并联，如图16中的电路示意图所示。
带电压保护的半导体电桥发火器装置的电路如图16中300所示，它包括一个与第一点火引脚ADIL在接头C和J上并联的电容引脚ABKL。第二点火引脚AEHL和连续性监测器引脚AFGL也同引脚ADIL和ABKL并联。应当理解监测器引脚AFGL与前面讨论过的监测器引脚相似，如图解所示，它包括一个高阻值的电阻器，当然应理解在此实施例中也可以用可熔断链路来替代电阻器使用。还应当了解，第一和第二点火引脚ADIL和AEHL可以用前面讨论过的单独的点火引脚代替，如图8中的连接方式。电容引脚ABKL包括一个电容器302，其电容值约为0.15微法或更大些。典型地，电容器302的电容应在0.47微法左右的数量级上。
图17中说明了电引爆装置的另一实施例，它包括一个电容器302和一个半导体电桥发火器装置301，其中的半导体电桥发火器装置与前面讨论过的半导体电桥发火器装置201相似。电引爆装置也包括一个引爆发火器304，它由装料头306、安装基座308和电容安装结构310组成。装料头306与前面讨论过的装料头52类似，形成一个盛炸药314的杯状凹槽312。在凹槽312的底部放着半导体电桥发火器装置301，它按图10中已讨论过的类似方法装在装料头306上。
安装基座308包括基座316和一对可导电的电极318。基座316可由任何可塑性和绝缘的材料制成，如塑料。它可与给电极318供电的装置进行连接(图中没有表示出来)。应当了解供电装置应包括期望的连续性监测性能。
电容器安装结构310支撑着电容器302，它包括外壳320、一对管状衬套322和连接器324。外壳由与基座相同的材料组成，可塑在电容器302、管状衬套322和连接器324周围。管状衬套322和连接器324可由导电材料如金属材料组成，作用是将电容器302连接到电极318上。电容器302由放在材料328周围的板326组成，328是由介电材料构成的。例2电引爆装置包括半导体电桥发火器装置301、电容器302和引爆器304，如图17所示，并用MILSTD-1576上的探头测试部分按方法2207进行射频(RF)灵敏度测试。这一过程包括对大约230个电引爆装置进行测试，确定出1.5MHz～33GHz频率范围内十个不同频率下的RF灵敏度。根据所施加的频率，用连续波形(CW)和脉冲调谐输入信号对电引爆装置进行测试，并且要分别在引脚对引脚(P-P)模式和引脚对外壳(P-C)模式下进行测试。在测试过程中各个装置都暴露5分钟。
在RF探测测试中，引爆器表现出高度的射频不灵敏性。只有两个电引爆装置出现点火(一个在900MHz、10W，另一个在8.9GHz、13W)。在一种测试序列中，七个电引爆装置在1.5MHz、27W下按引脚对外壳模式进行了测试，没有一个电引爆装置出现无故激发。在另一频率下，七个装置在250MHz、18W下按引脚对引脚的模式进行了测试，也没有出现无故点火情况。RF探测测试结果简要概括在下表中。
表
***尽管本发明参考特定的实施例进行了详细的说明，但是，鉴于本领域中的技术人员根据以前所阅读和掌握情况显然可能想到要对说明的实施例进行某些修改，意图是使在附加权利要求
范围内包括所有这类修改措施。
权利要求
1.一种半导体电桥发火器装置具有防止在低于预定门限值电压的电压下起作用的保护功能，这种发火器装置限定一个电路和包括一种由非导电材料构成的基片；和第一半导体电桥，它包括(a)放在基片上的多晶硅层，其尺寸和布置形式使第一和第二垫片之间具有一个间隙，其上跨接着一个用于连接第一和第二垫片的引爆电桥，电桥的尺寸和布置形式使选定特性的电流的通路能在电桥上释放能量；(b)被喷涂了金属的第一和第二接合面放置得分别与第一和第二垫片电导通接触，由此确定的电路的第一点火引脚包括被喷涂了金属的第一和第二接合面、第一和第二垫片、电桥；和(c)介电材料，它具有等于门限值电压的击穿电压，并被串联插到电路的第一点火引脚中，由此只有当施加其上的电压至少等于门限值电压时电路才闭合；第二半导体电桥与第一半导体电桥并联，第二半导体电桥被放在基片上，它包括(a)放在基片上的多晶硅层，其尺寸和布置形式使第一和第二垫片之间具有一个间隙，其上跨接着一个用于连接第一和第二垫片的引爆电桥，电桥的尺寸和布置形式使选定特性的电流的通路能在电桥上释放能量；(b)被喷涂了金属的第一和第二接合面放置得分别与第一和第二垫片电导通接触，由此确定的电路的第二点火引脚，其包括被喷涂了金属的第一和第二接合面、第一和第二垫片和电桥；和(c)介电材料具有等于门限值电压的击穿电压，并被串接插到电路的第二点火引脚中，由此只有当施加其上的电压至少等于门限值电压时电路才能闭合；其中第一半导体电桥和第二半导体电桥在电路中的布置使各个电桥在连接时只能接收与另一电桥所接收的电压极性相反的电压。
2.如权利要求
1的发火器装置，其中第一半导体电桥的介电材料是插在第一半导体电桥的多晶硅层和第一半导体电桥中被喷涂了金属的第一接合面之间的一层介电层。
3.如权利要求
2的发火器装置，其中第二半导体电桥的介电材料是插在第二半导体电桥的多晶硅层和第二半导体电桥中被喷涂了金属的第二接合面之间的一层介电层。
4.如权利要求
3的发火器装置，其中第一半导体电桥的被喷涂了金属的第一接合面和第二半导体电桥的被喷涂了金属的第一接合面结合在一起形成了第一导电层，而第一半导体电桥的被喷涂了金属的第二接合面和第二半导体电桥的被喷涂了金属的第二接合面结合在一起形成了第二导电层。
5.如权利要求
1至4之一的发火器装置，其中多晶硅层是经过掺杂的。
6.如权利要求
1至4之一的发火器装置，其中电路还包括与第一和第二点火引脚并联的电容器。
7.如权利要求
1至4之一的发火器装置，其中电路还包括一个放在基片上的电容器，该电容器与第一和第二点火引脚并联。
8.如权利要求
1至4之一的发火器装置，其中电路还包括连续性监测器引脚，其包括与第一和第二点火引脚并联的可熔断链路，可熔断链路的尺寸和布置形式使其在高于选定监测器电流的电流下会击穿，即如果超过监测器电流，可熔断链路会击穿并且断开监测器引脚。
9.如权利要求
8的发火器装置，其中可熔断链路包括一层可熔断链路薄膜。
10.如权利要求
1至4之一的发火器装置，其中电路还包括连续性监测器引脚，其包括的电阻器被并联到第一和第二点火引脚上，电阻器在低于预选门限值电压的电压电平下具有足够大的电阻值，使流经电路的第一和第二点火引脚的电流减弱到一定程度，以便让第一和第二半导体电桥装置上的温度保持低于预选的温度。
11.如权利要求
10的发火器装置包括一个电引爆装置，并置于与高能物质接触，其中预先选定的温度就是高能物质的自燃温度。
12.如权利要求
10的发火器装置，其中电阻器包括第一半导体电桥一段经过掺杂的多晶硅层。
13.如权利要求
10的发火器装置，其中电阻器包括一段经过掺杂的基片。
14.如权利要求
1至3之一的发火器装置，其中基片被分成第一基片和第二基片，其中第一半导体电桥被放在第一基片上，第二半导体电桥被放在第二基片上。
15.一种半导体电桥发火器装置具有防止装置在低于预选门限值电压的电压下起作用的保护功能，这种发火器装置限定一个电路和包括一种由非导电材料构成的基片；第一半导体电桥包括(a)放在基片上的多晶硅层，其尺寸和布置形式使第一和第二垫片之间具有一个间隙，其上跨接着一个用于连接第一和第二垫片的引爆电桥，电桥的尺寸和布置形式使选定特性的电流的通路能在电桥上释放能量；(b)被喷涂了金属的第一和第二接合面放置得分别与第一和第二垫片电导通接触，由此确定的电路的第一点火引脚包括被喷涂了金属的第一和第二接合面、第一和第二垫片和电桥；和(c)介电材料具有等于门限值电压的击穿电压，并被串联插到多晶硅层和电路的第一点火引脚的被喷涂了金属的第一接合面之间，只有当施加其上的电压至少等于门限值电压时电路才闭合；其中电路还包括一个与第一点火引脚并联的电容器。
16.如权利要求
15的发火器装置，其中电路还包括连续监测管脚，其包括的可熔断链路与第一点火引脚并联，可熔断链路的尺寸和布置形式使其在高于选择的监测器电流的电流下击穿；当超过监测器电流强度时可熔断链路会击穿，断开监测器引脚。
17.如权利要求
16的发火器装置，其中可熔断链路包括一薄层可熔断链路膜。
18.如权利要求
15的发火器装置，其中电路还包括连续性监测器引脚，其包括的电阻器被并联到第一点火引脚上，电阻器在低于预选门限值电压的电压下具有足够大的电阻值，使流经电路的第一点火引脚上的电流减弱到一定程度，以便让第一半导体电桥装置的温度保持低于预选的温度。
19.如权利要求
18中的发火器装置包括一个电引爆装置，放置与高能物质接触，其中预先选定的温度就是高能物质的自燃温度。
20.如权利要求
18的发火器装置，其中电阻器包括第一半导体电桥的一段经过掺杂的多晶硅层。
21.如权利要求
18的发火器装置，其中电阻器包括一段经过掺杂的基片。
专利摘要
半导体电桥发火器装置(10)具有整体电压抗熔断保护功能,该装置的电路包括第一点火引脚和一个可以选用的监测器引脚。第一点火引脚包括第一个半导体电桥该电桥具有半导体垫片(14a,14b)相互分开并用电桥(14c)连接;被喷涂了金属的接合面(16a,16b)放置在垫片(14a,14b)之上。因此通过被喷涂了金属的接合面(16a,16b)所施加的电源能引起足够大的电流流过电路的点火引脚,在电桥(14c)上释放能量。介电层(15)被插入到第一点火引脚内,其击穿电压等于已选定的门限值电压(V
文档编号F42B3/18GKCN1350631SQ00807585
公开日2002年5月22日 申请日期2000年6月14日
发明者B·马蒂尼兹－托瓦, M·C·福斯特, D·B·诺沃特尼 申请人:恩赛-比克福德公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan