CN103528445A

CN103528445A - 低发火电压微型半导体桥发火组件

Info

Publication number: CN103528445A
Application number: CN201310468246.7A
Authority: CN
Inventors: 严楠; 王刚; 鲍丙亮; 何爱军; 焦清介; 叶耀坤; 娄文忠; 张威; 刘登程; 温玉全
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-10-09
Also published as: CN103528445B

Abstract

本发明专利公开了一种低发火电压微型半导体桥发火组件。该发火组件将半导体桥换能元芯片用粘结剂固定在微型不对称陶瓷电极塞的梯形凹槽内，该半导体桥换能元芯片上的两个金属电极焊盘分别用键合金属丝与陶瓷塞的两根脚线电极通过焊接相连，使两根脚线与半导体桥形成电路连接，在半导体桥换能元上方装填电热敏感发火药。本发明专利微型半导体桥发火组件的最小全发火电压低至3.83V（10μF），最小全发火能量为0.074mJ，安全电流不小于200mA，发火时间为12.6～16.5μs，具有发火能量低、作用时间短、作用一致性好、抗静电和抗射频能力好的特点，适合微机电系统的应用前景。

Description

低发火电压微型半导体桥发火组件

所属技术领域

本发明专利涉及一种半导体桥电火工品，尤其是能在低发火电压输入条件下可靠发火、体积微型化的半导体桥发火件。

背景技术

半导体桥发火件一般是由半导体桥换能元芯片、固定换能元芯片的基体或电极塞、脚线、键合金属线、含能材料和封装壳体组成。当输入发火电流或电压时，电流通过半导体桥换能元时产生热量，引燃含能材料。通过调整半导体桥材料、掺杂浓度、桥区面积、厚度、基体散热性能和结构、封装结构、静电泄放结构、含能材料点火性能、制作工艺等，可以改变发火件的性能参数。

自出现半导体桥电火工品技术以来，已经发展了许多相关先进发火控制技术。第一代半导体桥是Hollander于1968年的专利，他用掺杂的多晶硅片通过切割方式形成细长条形的“桥丝状”电桥，通过传统的焊接方法与两根电极焊接连接，形成一种电热点火装置。这种装置拥有半导体的一切特性。该点火装置的典型电桥电阻为50Ω，最小发火电压28V，作用时间小于20ms。这项发明当时并没有引起人们的广泛关注，直至1987年美国Sandia国家实验室开始研究这一现象。Sandia实验室Bickes等人1987年的专利对半导体桥制作工艺和焊接技术进行了改进，并发现半导体桥电热爆发时产生了高温等离子体现象，以微对流向药剂传热，被认为是最早实现烟火点火装置的应用实例。其制作工艺是把表面涂有多晶硅的薄片嵌在一个硅基片上，电桥长度是由两个铝焊盘的间距确定的。用超声焊接将一根金属丝焊接在两个铝焊盘上，允许电流脉冲通过电桥从一个铝焊盘流到另一个铝焊盘，构成发火回路。电桥形状为矩形，典型尺寸是长100μm×宽380μm×厚2μm。电桥电阻在常温下是1Ω，通过改变电桥的尺寸能够容易产生其他的电阻，改变电阻可以实现不同的电热转换效率。其典型发火能量为3mJ，最小发火电压为13V（33μF），不发火电流为1.2A，发火时间小于10μs。上述半导体桥尺寸和电阻参数方案主要是满足钝感半导体桥电起爆器的发火性能和安全电流的设计要求所实现的技术参数水平。

1995年刘西广《半导体桥火工品的发展》综述文章指出，半导体桥电雷管一般采用多晶硅桥作电热换能元件，材料为重掺杂多晶硅，形状为矩形，典型半导体桥尺寸为长100μm×宽380μm×厚2μm，具有很低激发能量（3mJ）、很短发火时间（3～12μs）等优良的发火性能，这些参数组合代表了当时的技术指标水平。

半导体桥芯片的封装主要有陶瓷基体和玻璃基体两种形式。作为钝感电起爆器、安全电流高的设计考虑，大多数设计者采用高强度陶瓷电极塞，如95或99Al2O3陶瓷塞，陶瓷塞具有机械强度高，承受燃烧压力和起爆冲击压力的耐压性能好，与脚线封装的抗拉强度高，耐电压绝缘强度高等优点；工业化生产的陶瓷塞直径一般为φ6mm（常规）和φ4.4mm（小型化设计）两种尺寸规格，它们的材料和形状相同，中间留有方形凹槽，可以调整陶瓷塞外径和凹形槽尺寸以适应不同尺寸的半导体桥芯片，如对于钝感型半导体桥芯片尺寸长1.5mm×宽2mm×厚1mm，需选择φ6mm陶瓷塞。玻璃塞上无法制造凹槽，只能将半导体桥芯片固定在玻璃塞的表面上，这会使装药耐压性变差，因此较少使用。

2010年杨贵丽学位论文《微型半导体桥换能及发火规律研究》第4章指出，针对目前我国现有低能激发（5V以下）的桥丝式电火工品，因安全电流不大于50mA而存在电磁安全性差的隐患，为此对半导体桥尺寸进行了微型化设计，通过减少电热爆发所加热的电桥体积和能量，使得电桥体积和发火能量大大小于常规尺寸的钝感半导体桥。对于微型半导体桥发火性能研究取得的降低发火能量的实验结果有，半导体桥芯片封装在φ4.4×4mm陶瓷塞的凹槽内，对于1#方案半导体桥尺寸长21μm×宽50.5μm，V形缺口角度60°，真空粉碎15μm细颗粒中性三硝基间苯二酚铅，得到临界发火电压为4.22V（10μF），最小全发火电压4.53V，发火时间为100μs左右，最大不发火电流为238mA；2#方案尺寸长20μm×宽70.5μm，V形缺口角度40°，得到临界发火电压为4.30V（10μF），最小全发火电压4.76V，发火时间为60～103μs，最大不发火电流为256mA；4#方案尺寸长30.5μm×宽75.5μm，V形缺口角度60°，得到临界发火电压为5.09V（10μF），最小全发火电压5.55V，发火时间为60～105μs，最大不发火电流为320mA；5#方案尺寸长80μm×宽380μm，V形缺口角度90°，临界发火电压为13.49V（10μF），最小全发火电压15.81V，发火时间为50～90μs，最大不发火电流为1104mA。研究结果表明，增大桥区面积或质量，则临界发火电压也增加，微型半导体桥1#、2#、4#方案的发火电压比钝感半导体桥5#方案要低得多；1#方案因半导体桥尺寸最小，对应的临界发火电压也最低，所得的最小全发火电压为4.53V（10μF），对应的最小全发火能量为0.1mJ，成为目前文献报道的半导体桥发火件的最低发火电压和最小发火能量的设计方案。

近年来新发展的微机电系统迫切需要低发火电能和微型结构的发火件，目前国内外尚没有技术成熟的发火件可以直接应用。微型发火件是微机电系统传爆序列或传火序列的首发元件，包括电热换能元件和初级发火含能材料两部分组成。由于受微机电系统体积的限制，因此要求发火件的体积也必须相应减小、发火电压也低，由此给发火件提出了更加严格的尺寸和性能要求，如换能元芯片尺寸不大于长0.5mm×宽0.5mm×厚0.5mm，电极塞尺寸尽可能小，如直径不大于Ф2.5，最小发火电压不高于5V（10μF），最小发火能量不大于0.125mJ，安全电流不小于150mA（5min），发火时间不大于50μs。有些微机电系统要求发火电压更低、发火时间更短。这样的尺寸和发火性能的参数组合要求，依靠现有电火工品设计的技术水平无疑是个巨大的挑战。

发明内容

传统的桥丝式发火件，虽然能容易达到低发火电能的要求，但却难以达到电磁安全性、发火时间、体积小结构坚固等要求。如果采用现有最低发火电压的微型半导体桥，则低发火能量、短发火时间、高强度小型化电极塞等参数均难以满足上述微机电系统的技术要求。要想达到微机电系统的技术要求，直接采用文献现有技术组合是很难实现的，还需要通过半导体桥换能元、电极塞和含能材料性能的优化组合，探索新的设计思想，才能解决上述的技术难点。

根据微机电系统对发火件的技术要求，针对现有微型半导体桥发火件在降低发火电压、减小发火时间、减小发火件尺寸、保持较高的安全电流等参数组合的设计方案中存在的不足和技术难点，本发明专利通过深入细致的理论计算分析和系统全面的试验验证，经过正交试验优化设计，提出一种低发火电压微型半导体桥发火组件，不仅能在最小全发火电压、发火能量、发火时间、安全电流等性能上满足微机电系统对发火件的技术要求，还大大减小了发火件的尺寸，并能保证结构强度需要。

本发明专利的目的在于提供一种适合于微机电系统的点火、起爆和做功火工品用的半导体桥发火组件，在输入电压5V（10μF）条件下能够可靠发火，发火时间不大于20μs，安全电流200mA以上，具有低发火电能、作用时间短、体积小、抗静电抗射频能力好等特点。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种低发火电压微型半导体桥发火组件，包括半导体桥换能元芯片、不对称陶瓷电极塞、键合金属丝、电热敏感发火药。微型不对称陶瓷电极塞（2）的直径为2.0～2.2mm，高度为1.0～1.2mm，其梯形凹槽（3）短边长为0.5～0.55mm、长边长为0.6～0.7mm、边高为0.5～0.6mm、槽深为0.6mm，长边位于电极塞对称中心线上或附近，两根脚线电极（4，5）直径为0.3～0.4mm，极距为0.6～0.8mm，两根脚线电极（4，5）的中心连线与电极塞（2）中心的距离为0.3～0.5mm；半导体桥换能元矩形桥区长为18～21μm，宽为48～51μm，电阻为3～5Ω，外形尺寸不大于长0.5mm×宽0.5mm×高0.5mm；电热敏感发火药（13）为超细结晶球形中性三硝基间苯二酚铅，平均粒度为2μm。先将半导体桥换能元芯片用粘结剂固定在不对称陶瓷电极塞的梯形凹槽内，再用超声焊接将键合金属丝两端分别焊接在半导体桥两个焊盘和两根脚线电极上，为保证键合金属丝焊接可靠，必要时焊盘和脚线之间可焊接2根以上的键合金属丝连接电路，在外观质量检查、焊点检查、桥路电阻检查通过后，再以涂药头或压装方式装填超细结晶含能材料。

半导体桥换能元芯片结构为在单晶硅基底上先氧化成一层厚0.2μm的二氧化硅层，用气相沉积法形成一层厚2μm的多晶硅，然后对多晶硅掺杂高浓度P原子，掺杂浓度为7.7×10¹⁹/cm³，达到控制半导体桥电阻在一定范围，通过掩模在桥区中间位置光刻出矩形图案，然后在半导体桥与外部电路连接部位蒸镀两个金属焊盘，用于与外电路连接，焊盘材料为铝或金，视键合金属丝材料而定，再通过掩模光刻出所需要的焊盘图形，通过划片制成半导体桥换能元芯片尺寸。该半导体桥换能元芯片为矩形，电桥形状也为矩形，控制电阻范围为3～5Ω。

本发明专利与现有技术相比，其显著优点是：微型半导体桥换能元发火组件具有结构尺寸小、发火电压低、作用时间短、安全电流高的特点，能满足微机电系统电性能和小型化要求。与传统的敏感型桥丝式发火件相比，发火能量、发火时间相当，因而可用于替代敏感型桥丝式电火工品的使用场合，而抗静电抗射频能力又显著增强；与传统的钝感半导体桥发火件相比，保持了半导体桥的制作工艺、发火特性的优点，并且在低发火电压低电能输入条件下发火可靠性好、作用迅速，且抗电磁安全性良好。

本发明专利的技术效果是，相对于传统对称结构电极塞和矩形凹槽，通过大量数值仿真计算和试验验证，采用不对称结构的陶瓷电极塞和梯形凹槽，可以节省空间设计尺寸，在强度要求相同的条件下可以最大限度的减小电极塞直径尺寸，降低发火能量；试验验证选取平均粒度为2μm的超细化含能材料等，进一步降低发火能量，并有较高安全电流。所设计不对称电极塞尺寸适用于国家标准中规定的现行直径2.54mm的通用电雷管标准系列管壳装配，符合通用化设计。通过以上半导体桥换能元尺寸设计、电极塞结构设计以及超细化含能材料组合，实现了低电压可靠发火，又具有较好的抗静电抗射频性能，发火组件的性能达到最小全发火电压为3.83V（10μF），最小全发火能量为0.074mJ，安全电流不小于200mA，发火时间为12.6～16.5μs，能够满足微机电系统低电能发火的要求。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明专利作进一步说明。

图1是低发火电压微型半导体桥发火组件的三维结构示意图。

图2是低发火电压微型半导体桥发火组件的俯视图。

图3是图2低发火电压微型半导体桥发火组件A-A截面剖视图

图4是半导体桥换能元结构示意图。

具体实施方式

结合图1-3，低发火电压微型半导体桥发火组件包括三部分：半导体桥换能元芯片（1）、不对称陶瓷电极塞（2）和电热敏感发火药（13），将矩形半导体桥换能元芯片（1）用粘结剂（12）固定在不对称陶瓷电极塞（2）的梯形凹槽（3）内，采用超声波焊接技术，用键合金属丝（6，7）将该半导体桥换能元芯片（1）上的两个金属焊盘（9，10）分别与陶瓷电极塞（2）的两脚线电极（4，5）连接，使电极塞的两个脚线电极（4，5）与半导体桥换能元的两个金属焊盘（9，10）构成电通路，半导体桥换能元上装填含能材料细化中性三硝基间苯二酚铅（13）组成发火组件。

结合图4，本发明专利低发火电压微型半导体桥发火组件的半导体桥换能元芯片（1）的基底为单晶硅（11），预先在单晶硅上氧化成一层二氧化硅层，用气相沉淀法沉淀一层厚2μm的多晶硅（8），然后掺杂P原子，再通过掩模光刻出矩形的图形，最后蒸镀两个金属焊盘（9，10），用于与外电路连接，焊盘的材料为铝或金，再掩模光刻出所设计的图形，划片得到单个的半导体桥换能元芯片（1）。

实施例：半导体桥换能元芯片的基底为单晶硅，在单晶硅上先氧化成一层厚0.2μm的二氧化硅层，用气相沉淀法沉淀一层厚2μm的多晶硅，然后掺杂P原子，掺杂浓度为7.7×1019/cm3，再通过掩模光刻出矩形的图形，最后蒸镀两个金属焊盘，厚度为0.2μm，用于外电路连接，焊盘的材料为铝或金，再掩模光刻出所需要的图形，划片得到单个的半导体桥换能元芯片，该半导体桥换能元芯片边长为0.5mm，高为0.6mm，桥区尺寸长为20μm，宽为50μm，电阻为3.5Ω。

将桥区长为18～21μm，宽为48～51μm，电阻为3～5Ω，尺寸不大于长0.5mm×宽0.5mm×高0.5mm的矩形半导体桥换能元芯片（1）用粘结剂（12）固定在直径为2.0～2.2mm，高度为1.0～1.2mm的微型不对称陶瓷电极塞（2）的梯形凹槽（3）内，其梯形凹槽短边长为0.5～0.55mm，长边长为0.6～0.7mm，边高为0.5～0.6mm，槽深为0.6mm，长边位于电极塞对称中心线上或附近，半导体桥换能元（1）的两个金属焊盘（9，10）分别与电极塞（2）的两根脚线电极（4，5）之间用键合金属丝（6，7）以超声波焊接方式实现电路连接，两根脚线电极（4，5）的直径为0.3～0.4mm，极距为0.6～0.8mm，两根脚线电极（4，5）的中心连线与电极塞（2）中心的距离为0.3～0.5mm，半导体桥换能元（1）上方装填电热敏感发火药（13）超细中性三硝基间苯二酚铅组成发火组件。通过以上半导体桥换能元和微型电极塞结构和尺寸设计，采用10μF电容放电进行D-最优化感度试验，测得该微型半导体桥发火组件的最小全发火电压为3.83V，最小全发火能量为0.074mJ，安全电流不小于200mA，发火时间为12.6～16.5μs，可以满足微机电系统点火或起爆的发火性能要求（5V/10μF，发火能量不大于0.125mJ等）。

Claims

1.一种低发火电压微型半导体桥发火组件，它包括半导体桥换能元芯片（1）、微型不对称陶瓷电极塞（2）、键合金属丝（6，7）、电热敏感发火药（13），其特征在于：将桥区长为18～21μm，宽为48～51μm，电阻为3～5Ω，外形尺寸不大于长0.5mm×宽0.5mm×高0.5mm的半导体桥换能元芯片（1）用粘结剂（12）固定在直径为2.0～2.2mm，高度为1.0～1.2mm微型不对称陶瓷电极塞（2）的梯形凹槽（3）内，其梯形凹槽短边长为0.5～0.55mm，长边长为0.6～0.7mm，边高为0.5～0.6mm，槽深为0.6mm，长边位于电极塞对称中心线上或附近，半导体桥换能元芯片（1）的两个金属焊盘（9，10）与电极塞（2）的两根脚线电极（4，5）之间用键合金属丝（6，7）以超声波焊接方式实现电路连接，两根脚线电极（4，5）直径为0.3～0.4mm，极距为0.6～0.8mm，两根脚线电极（4，5）的中心连线与电极塞（2）中心的距离为0.3～0.5mm，半导体桥换能元芯片（1）上方装填电热敏感发火药（13）超细结晶中性三硝基间苯二酚铅构成发火组件。

2.根据权利要求1所述的低发火电压微型半导体桥发火组件，其特征是：电热敏感发火药（13）为超细结晶球形中性三硝基间苯二酚铅，平均粒度为2μm。

3.根据权利要求1所述的低发火电压微型半导体桥发火组件，其特征是：采用10μF电容放电发火方式，发火组件的最小全发火电压为3.83V，最小全发火能量为0.074mJ，安全电流不小于200mA。

4.根据权利要求1所述的低发火电压微型半导体桥发火组件，其特征是：在最小全发火能量下，发火组件的发火时间为12.6～16.5μs。