CN102645139A - 一种安全、解保与发火一体化微组件 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于微系统集成技术设计的安全、解保与发火(Safe，Arm and Fire)一体化微组件。本发明通过对安全、解保与发火原理的设计，使安全、解保与发火单元的核心结构可以用MEMS-CMOS加工工艺加工成为SAF一体化芯片结构，通过对SAF一体化芯片的电连接方式设计，SAF一体化芯片与击发药、起爆药及飞片的起爆药序列设计，此一体化微组件可以在实现传统的安全、保险与发火基本功能的同时使体积大大缩小，不含电池的整体厚度小于1cm，体积小于1cm³，并可实现定时起爆、碰击起爆与自失效等多种功能。

Description

一种安全、解保与发火一体化微组件

技术领域

本发明涉及的是一种核心微组件，具体地说是一种基于微系统集成技术设计的安全、解保与发火(Safe，Arm and Fire)一体化微组件。 

背景技术

安全、解保(Safe & Arm)组件是中保证正常作用发火和平时勤务处理安全的关键机构，近年来随着微系统集成技术的发展，将微系统集成技术应用于S&A系统的设计与制造中是当前及未来S&A技术研究的热点。微系统集成技术的应用为减小S&A系统的体积、提高可靠性及增加新的智能化功能带来了可能。目前的大多数微型S&A系统采用MEMS工艺加工而成，实现了系统中的隔爆及利用环境力解保功能，少数集成度较高的产品在上述产品基础上加入了MEMS电作动器或烟火作动器等微型可动装置，形成带有远解、两道环境力解除保险及隔爆功能的微型S&A系统，但初级的发火装置还是以传统的针刺雷管与电雷管为主，并未将发火装置与MEMS S&A系统进行集成。同时由于发火电路是由分立元件及导线进行板级电路连接后与MEMS S&A系统共同封装的，造成电火工品的可靠作用率依然难以保证。 

发明内容

本发明的目的是提供一种体积小巧、可靠性高、易于批量生产，并且实现了电安全、解保与发火(Safe，Arm and Fire)系统全部功能的基于微系统技术的安全、解保与发火一体化微组件。 

本发明的目的是这样实现的：安全、解保与发火一体化微组件的组成包括MEMS-CMOS安全、解保与发火一体化芯片、分立起爆电容、起爆控制晶闸管、防泄流二极管、击发药、起爆药柱、飞片、电连接线/插针、连接芯片的PCB电路板、壳体、机械连接螺钉和支柱。MEMS-CMOS安全、解保与发火一体化芯片的组成包括硅基片<100>、硅化物绝缘层、表面电路层。硅化物绝缘层用于硅基片与表面电路、控制开关、微发火件层的电绝缘。表面电路、控制开关、微发火件层设置有用于引燃击发药的半导体桥/金属桥微发火件，用于微发火件短路保险的保险开关，用于在起爆失败或取消任务情况下切断微发火件供能通道的失效开关，用于控制保险开关、失效开关作用，完成电子系统初始装定、启动、计时与逻辑控制功能的CMOS数模混合集成电路部分。MEMS-CMOS SAF一体化芯片表面有外接引脚，芯片通过BGA焊球倒装的连接方式固定在PCB板上，使芯片与外界形成电连接，电源、分立起爆电容、起爆控制晶闸管、防泄流二极管等分立元件贴装在另一块PCB板上，两块PCB板通过接线柱贯通焊装连接。为保证两块PCB板之间的机械连接强度与间隙充分，在两块PCB板之间加入支柱以保证两块PCB板的间隙符合工艺需要，同时通过螺钉连接两块PCB板，这样做的目的是保证芯片不受挤压损坏。同时留有足够的灌封空间使得SAF一体化微组件可以承受恶劣的使用环境。MEMS-CMOS安全、解保与发火一体化芯片上加工有半导体桥/金属桥微发火件，在微发火件正下方的PCB板上有定位孔，通过定位孔安装带凸台并且凸台中央带有有起爆药柱限位孔的金属基板。发火件表面通过滴胶方式在发火件表面涂覆击发药，起爆药柱安装在起爆药柱限位孔内，并使起爆药柱上表面紧贴击发药，使击发药在发火件作用后产生的爆燃效应可以可靠引燃起爆药。在金属底板和外壳之间正对传爆孔的位置上夹有飞片。本发明的装配特征是：贴装了分立元件的上电路板(PCB)位于一体化微组件的最上层，该电路板通过连接线、插针同安全、解保与发火一体化芯片所 在的下PCB板相连接；SAF一体化芯片上有引线PAD点，采用BGA球倒装焊的方式与其下方PCB板上表面对应的焊点连接；带有凸台的金属基板通过下方PCB板上的定位孔与SAF芯片实现定位；采用滴注的方法通过金属基板上的通孔对SAF芯片上微发火件表面覆盖击发药，微发火件对正金属基板上的中心位置；将装有起爆药的金属圆管通过金属基板上的通孔嵌入装入金属基板中，起爆药凸出金属圆管表面，压紧起爆药管，使起爆药的凸出面与SAF芯片表面的击发药无缝隙接触；金属基板上表面与下PCB板下表面采用粘接方式连接；为保证上、下PCB板间的间距与抗压强度，在上、下PCB板间加入空心支柱在四角处进行支撑；一体化微组件所有零件均放于一个金属外壳中，在金属外壳内表面底部传爆孔位置上安装飞片，同时外壳上的传爆孔起到飞片加速膛的作用，金属外壳上的传爆孔与装配后金属基板上的起爆药管对正；整体装配首先将SAF芯片倒装于下PCB板上，安装金属基板，起爆药柱，在下PCB板上焊接引线柱，在四角螺钉孔处安装支柱，之后按对应位置安装上PCB板，并将引线柱与上PCB板焊装，将螺钉穿过上、下PCB板四角处的螺钉孔与支柱，连接到金属基板上的螺孔中，将飞片通过胶结的方式与外壳连接，之后将前述模块整体放入外壳，并继续旋转螺钉使模块与外壳连接。 

本发明还可以包括这样一些特征： 

1、所述启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制微组件，保险与失效控制微组件与微发火件可以各自加工芯片，通过PCB集成方式连接。 

2、所述MEMS-CMOS安全、解保与发火一体化芯片与PCB板的连接方式可以采用引线键合方式连接。 

3、所述MEMS-CMOS安全、解保与发火一体化芯片与起爆药管采用粘接的方式相连，起爆药通过滴注的方法装入与芯片粘接好的药管中。 

4、所述MEMS-CMOS安全、解保与发火一体化芯片还可以按照功能与工艺兼容性划分为安全、解保控制与发火等几片独立芯片应用于本一体化微组件中。 

微系统集成技术将采用MEMS-CMOS加工工艺制造的核心元件与传统的分立元件、机械结构与PCB电路进行集成使得系统的整体尺寸减小，可靠性提高。又由于系统的核心功能元件采用MEMS-CMOS技术加工，其加工一致性好，成本低。以这类核心元件构建的系统，减少了装配零件，增加了劳动效率，在这样需要批量制造的领域上有明显优势。微组件采用高能量纽扣电池供电，并且该模块作为一个整体可以用作中机械安全系统中的一部分易于在中应用。本发明通过对安全、解保与发火原理的设计，使用安全、解保与发火单元的核心结构可以用MEMS-CMOS加工工艺加工成为SAF一体化芯片结构，通过对SAF一体化芯片的电连接方式设计，SAF一体化芯片与击发药、起爆药及飞片的起爆药序列设计，此一体化微组件可以在实现传统的用安全、保险与发火基本功能的同时使体积大大缩小，不含电池的整体厚度小于1cm，体积小于1cm³，并可实现定时起爆、碰击起爆与自失效等多种功能。本安全、解保与发火一体化微组件的主要优点可以归结为： 

1、便于批量加工，可降低生产成本； 

2、体积小，可用于小口径弹药； 

3、可靠性高、耐受力强，可以提高在恶劣发射条件下的生存能力； 

4、模块化封装，通用性强，易于勤务处理。 

本发明产品适用于带有后座力发射环境的各型中大口径弹药及30mm以上小口径弹药。 

附图说明

图1、本发明结构剖面示意图 

图2、本发明的起爆芯片表面图 

图3a、起爆芯片处于安全状态时的电路原理图 

图3b、起爆芯片处于解保状态下的电路原理图 

图3c、起爆芯片处于起爆状态下的电路原理图 

图3d、起爆芯片处于失效状态时的电路原理图 

图4、本发明的另一种实施方式剖面示意图 

具体实施方案

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：结合图1，本发明的实施方案的组成包括壳体(1)、金属基板(2)、下层PCB板(3)、BGA焊球(4)、安全、解保与发火一体化芯片(5)、支柱(6)、接线柱(7)、上层PCB板(8)、储能电容(9)、晶闸管(10)、沉头螺钉(11)、起爆药管(12)、起爆药(13)、与飞片(14)。MEMS-CMOS SAF一体化芯片(5)表面有外接引脚，芯片通过BGA焊球(4)倒装的连接方式固定在下层PCB板(3)上，储能电容(9)、晶闸管(10)贴装在上层PCB板(8)上，两块PCB板通过接线柱(7)贯通焊装连接。在两块PCB板之间加入支柱(6)以保证两块PCB板的间隙符合工艺需要，同时通过沉头螺钉(11)连接两块PCB板。金属基板(2)通过下层PCB板(3)上的定位孔安装。通过滴胶方式在SAF一体化芯片上(5)的发火件表面涂覆击发药，起爆药柱(13)安装在起爆药管(12)内，装好起爆药柱(13)的起爆药管(12)通过金属基板(2)上的起爆药管限位孔装入，并使起爆药柱(13)上表面紧贴击发药。在金属基板(2)和壳体(1)之间正对起爆药柱的位置上夹有飞片(14)。 

结合图2，本发明实施方案中的安全、解保与发火一体化芯片(5)的组成包括电微发火件(51)、保险开关(52)、失效开关(53)。启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制电路(54)、焊盘(55)，导线(56)和硅基板(57)。保险开关(52)、失效开关(53)组成保险与失效控制微组件。 

结合图3a-3d，本发明中的安全、解保与发火一体化微组件实现安全、解保、发火与失效功能的方式是，本发明实施方案中的起爆信号、失效信号的提供及起爆方式、起爆时间的提供由启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制电路(54)提供。时钟(401)、数字计时器(402)、控制逻辑电路(403)、模拟计时电路(404)、晶闸管(405)、(406)、二极管(407)(408)(409)、储能电容(410)(411)(412)和电源(413)是启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制电路(4)的片上电路与外围元件。电源(413)通过二极管(407)(408)(409)对储能电容(410)(411)(412)充电，分别为时钟(401)、数字计时器(402)、控制逻辑电路(403)、模拟计时电路(404)、微发火件(51)、保险开关(52)和失效开关(53)提供能源，芯片上电后保险开关(52)熔断，芯片解保。根据预设的起爆方式，时钟(401)、数字计时器(402)和模拟计时电路(404)开始工作，直到预定的时间窗口到来，控制逻辑电路(403)的输出状态发生转换，控制晶闸管(405)导通，储能电容(412)上的能量传递给微发火件(51)，芯片发火。若发火失败或任务取消，计时电路(402)计时至失效时间窗口时，向晶闸管(406)发出失效控制信号，失效开关(53)接入回路，在储能电容(411)的作用下熔断，微发火件(51)与发火储能电容(412)断开，不再发生作用。 

结合图4，本发明的另一种实施方案的组成包括壳体(1)、金属基板(2)、安全、解保与发火一体化芯片(3)、焊球(4)、引线(5)、下层PCB板(6)、上层支柱(7)、上层PCB板(8)、储能电容(9)、晶闸管(10)、下层支柱(11)、起爆药管(12)、起爆药(13)、与飞片(14)。MEMS-CMOS SAF一体化芯片(3)表面有外接引脚，芯片通过焊球(4)与引线(5)通过引线键合的方式与下层PCB板(6)形成电连接。储能电容(9)、晶闸管(10)贴装在上层PCB板(8)上，两块PCB板通过接线柱贯通焊装连接。在两块PCB板之间加入支柱(7)以保证两块PCB板的间隙符合工艺需要，同时通过沉头螺钉连接两块PCB板。金属基板(2)在对应发火件的位置处有起爆药管限位孔。通过滴胶方式在SAF一体化芯片上(3)的发火件表面涂覆击发药，起爆药柱(13)安装在起爆药管(12)内，装好起爆药柱(13)的起爆药管(12)通过金属基板(2)上的起爆药管限位孔装入，并使起爆药柱(13)上表面紧贴击发药。在金属基板(2)和壳体(1)之间正对起爆药柱的位置上夹有飞片(14)。 

Claims (3)

1.安全、解保与发火(Safe，Arm and Fire)一体化微组件，其组成是：MEMS-CMOS安全、解保与发火一体化芯片、分立起爆电容、起爆控制晶闸管、防泄流二极管、击发药、起爆药柱、飞片、电连接线/插针、连接芯片的PCB电路板、壳体、机械连接螺钉和支柱。其特征是：MEMS-CMOS安全、解保与发火一体化芯片与分立元件连接，用于微发火件短路保险、引燃击发药、在起爆失败或取消任务情况下切断微发火件供能通道并按预定起爆方式控制起爆。SAF一体化芯片与击发药、起爆药连接实现电能向爆燃能量的转换用于引爆后级传爆药。SAF一体化微组件整体可以作为机械安全系统中的一部分起到传爆序列分离或隔爆的作用。其装配特征是：MEMS-CMOS SAF一体化芯片通过BGA焊球倒装的连接方式固定在PCB板上。芯片表面发火件位置处通过滴胶方式涂覆击发药，起爆药柱安装在起爆药柱限位孔内，并使起爆药柱上表面紧贴击发药。

2.根据权利要求1所述的集成了发火控制开关的起爆芯片，其组成是：保险与失效控制微组件，启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制微组件与微发火件。

3.根据权利要求1所述的金属基板，其组成是：带凸台并且凸台中央带有有起爆药柱限位孔，凸台与发火件位置对正。

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