CN104697405A - Efi芯片单元及其制备方法、以及基于该芯片单元的爆炸箔起爆装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种EFI芯片单元及其制备方法、以及基于该芯片单元的爆炸箔起爆装置。所述EFI芯片单元包括：陶瓷基底、金属Ti/Cu层、Parylene C层、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au、肖特基二级管和Su8加速膛，所述爆炸箔起爆装置包括该EFI芯片单元、飞片、炸药柱、印制电路板底座、传输线、低压贴片电容、高压贴片电容。所述金属Ti/Cu层在单触发开关单元中作下电极，在爆炸箔起爆单元中作爆炸箔，Parylene C层在单触发开关单元中作上下电极间的绝缘层，在爆炸箔起爆单元中作爆炸箔起爆器的飞片层，加速膛采用Su8光刻胶集成制造，减少了工艺流程，成本低，体积小；采用肖特基二极管具有反向击穿特性，使开关能够抗杂散电流，具有本质的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及低能微型点火起爆器件技术领域，特别是一种EFI芯片单元及其制备方法、以及基于该芯片单元的爆炸箔起爆装置。
背景技术
爆炸箔起爆系统(Exploding Foil Initiator system，EFIs)也称为直列式安全起爆系统(In-line Safe and Arming Apparatus)，其组成包括脉冲功率单元和爆炸箔起爆单元两部分。脉冲功率单元为爆炸箔起爆单元提供电能，包括变压器、高压储能电容、高压开关和控制电路等。爆炸箔起爆单元也称为冲击片雷管，主要包括金属桥箔、飞片层、加速膛和钝感装药。由于其不含敏感含能单元，具有抗电磁干扰能力强，耐冲击等优点，是一种极其安全可靠的起爆装置。在武器系统中有着广泛应用，包括AAWS-M中程反坦克导弹、AIM-9X(120)响尾蛇系列空对空导弹、PATRIOT爱国者反导导弹等都采用了爆炸箔起爆系统。
单触发开关是一种新型的高压开关，该种开关闭合速度快，触发电压低，结构简单，易于加工集成，利用高聚物绝缘，能够耐高过载等复杂环境，是一种适用EFIs微型化的开关。聚对二甲苯(Parylene)以其优良的防潮、防雾、防盐雾以及绝缘电性能广泛应用在微电子产业中。目前为止，Parylene作为单触发开关的绝缘层和爆炸箔起爆器的飞片都有报道，但是尚未见到Parylene一次成型用在单触发开关和爆炸箔集成芯片的报道，因此起爆装置整体体积大，并且工艺复杂、成本高，无法承受高过载等复杂环境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小、安全可靠的集成单触发开关和加速膛的EFI芯片单元及其制备方法，并提供一种基于该芯片单元的爆炸箔起爆装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种EFI芯片单元，所述单元包括陶瓷基底、金属Ti/Cu层、Parylene C层、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au和肖特基二级管、Su8加速膛；所述陶瓷基底上设置金属Ti/Cu层，金属Ti/Cu层包括下电极区和桥箔区，所述下电极区为矩形结构、桥箔区为两端宽中间窄的桥型结构，该桥箔区从两边的宽端向中间均匀渐变为窄的部分即爆炸箔，其中一个宽端与下电极区相连；所述金属Ti/Cu层上设置Parylene C层，Parylene C层完全覆盖下电极区及部分桥箔区，使未与下电极区相连的桥箔区宽端的金属铜层裸露；所述下电极区Parylene C层上设置上电极Ti/W/Ti/Cu/Au，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au上设置肖特基二级管，所述下电极区、设置在该下电极区上的Parylene C层、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au和肖特基二级管构成单触发开关单元；所述ParyleneC层在爆炸箔上方构成飞片层，在飞片层上方设有中间带有圆孔的Su8加速膛，所述圆孔位于爆炸箔的正上方。
一种如权利要求1所述EFI芯片单元的制备方法，包括以下步骤：
第一步，对陶瓷基底进行表面清洗，利用光刻剥离工艺和磁控溅射工艺在硅基衬底表面沉积Ti层和Cu层，构成金属Ti/Cu层，所述金属Ti/Cu层分为下电极区和桥箔区，所述下电极区为矩形结构、桥箔区为两端宽中间窄的桥型结构，该桥箔区从两边的宽端向中间均匀渐变为窄的部分即爆炸箔，其中一个宽端与下电极区相连；
第二步，采用Chemask保护未与下电极区相连的桥箔区宽端，桥箔区其余部分完全覆盖Parylene C，Parylene C层采用真空气相沉积技术原位制备；
第三步，利用磁控溅射工艺在下电极区Parylene C层上沉积上电极Ti/W/Ti/Cu/Au；
第四步，采用光刻工艺利用Su8光刻胶在爆炸箔区Parylene C层上制备带有圆孔的Su8胶加速膛，使所述圆孔位于爆炸箔的正上方；
第五步，利用导电银浆将肖特基二极管反向接在上电极Ti/W/Ti/Cu/Au上，制备得到集成单触发开关和加速膛的EFI芯片单元。
一种基于权利要求1所述EFI芯片单元的爆炸箔起爆装置，包括上述EFI芯片单元、炸药柱、印制电路板底座、传输线、低压贴片电容、高压贴片电容；所述印制电路板底座一面设置EFI芯片单元，另一面设置低压贴片电容和高压贴片电容，所述肖特基二级管的负极通过传输线连接低压贴片电容的正极，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au通过传输线连接低压贴片电容的负极，未与下电极区相连的桥箔区宽端裸露的金属铜层通过传输线连接至高压贴片电容的正极，高压贴片电容的负极通过传输线连接至上电极Ti/W/Ti/Cu/Au；所述飞片层为桥箔区爆炸箔上方的Parylene C层，在所述桥箔区的爆炸箔上方依次设置飞片层、Su8加速膛和炸药柱，Su8加速膛上开设有圆孔，炸药柱外层由管壳包裹，飞片层、Su8加速膛上的圆孔、炸药柱和爆炸箔在一条垂直线上；所述陶瓷基底及设置在该陶瓷基底上的桥箔区、飞片层、Su8加速膛、炸药柱构成爆炸箔起爆单元。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)EFI芯片单元将单触发开关单元和爆炸箔起爆单元中的爆炸箔、飞片、加速膛集成，体积小；(2)金属Ti/Cu层在肖特基单触发开关单元中作下电极，在爆炸箔起爆单元中作爆炸箔，Parylene C层在单触发开关单元中作上下电极间的绝缘层，在爆炸箔起爆单元中作爆炸箔起爆器的飞片层，加速膛为利用Su8胶原位自组装，减少了工艺流程，成本低；(3)肖特基二极管具有反向击穿特性，使开关能够抗杂散电流，具有本质的安全性；不含气体，能够承受高过载等复杂环境，并且适用于爆炸箔起爆系统一次作用的特点；(4)基于EFI芯片单元的微型爆炸箔起爆装置将EFI芯片单元、炸药柱、印制电路板底座、传输线、低压贴片电容、高压贴片电容等零件组装，起爆装置整体体积小，可实现标准化批量生产。
附图说明
图1是本发明EFI芯片单元的立体图。
图2是本发明EFI芯片单元的俯视图。
图3是本发明EFI芯片单元的制作工艺流程图。
图4是本发明基于EFI芯片单元的爆炸箔起爆装置的立体图。
图5是本发明基于EFI芯片单元的爆炸箔起爆装置的俯视图。
图6是图5中A-A剖视图。
图7是本发明EFI芯片单元的电路连接原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1、2，本发明爆炸箔起爆器EFI(Exploding Foil Initiator)芯片单元，所述单元包括陶瓷基底1、金属Ti/Cu层2、Parylene C层3、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4和肖特基二级管5、Su8加速膛8；所述陶瓷基底1上设置金属Ti/Cu层2，金属Ti/Cu层2包括下电极区和桥箔区，所述下电极区为矩形结构、桥箔区为两端宽中间窄的桥型结构，该桥箔区从两边的宽端向中间均匀渐变为窄的部分即爆炸箔6，其中一个宽端与下电极区相连；所述金属Ti/Cu层2上设置Parylene C层3，Parylene C层3完全覆盖下电极区及部分桥箔区，使未与下电极区相连的桥箔区宽端的金属铜层裸露；所述下电极区Parylene C层3上设置上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4上设置肖特基二级管5，所述下电极区、设置在该下电极区上的Parylene C层3、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4和肖特基二级管5构成单触发开关单元；所述Parylene C层3在爆炸箔6上方构成飞片层7，在飞片层7上方设有中间带有圆孔的Su8加速膛8，所述圆孔位于爆炸箔6的正上方。
所述金属Ti/Cu层2由金属钛层和金属铜层构成，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4由金属钛层、钨层、钛层、铜层以及金层构成。
结合图3，本发明所述EFI芯片单元的制备方法，包括以下步骤：
第一步，对陶瓷基底1进行表面清洗，利用光刻剥离工艺和磁控溅射工艺在硅基衬底表面沉积Ti层和Cu层，构成金属Ti/Cu层2，所述金属Ti/Cu层2分为下电极区和桥箔区，所述下电极区为矩形结构、桥箔区为两端宽中间窄的桥型结构，该桥箔区从两边的宽端向中间均匀渐变为窄的部分即爆炸箔6，其中一个宽端与下电极区相连；
第二步，采用Chemask保护未与下电极区相连的桥箔区宽端，桥箔区其余部分完全覆盖Parylene C，Parylene C层3采用真空气相沉积技术原位制备；
第三步，利用磁控溅射工艺在下电极区Parylene C层3上沉积上电极Ti/W/Ti/Cu/Au；
第四步，采用光刻工艺利用Su8光刻胶在爆炸箔区Parylene C层3上制备带有圆孔的Su8胶加速膛8，使所述圆孔位于爆炸箔6的正上方；
第五步，利用导电银浆将肖特基二极管反向接在上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4上，制备得到集成单触发开关和加速膛的EFI芯片单元。
所述金属Ti/Cu层2由金属钛层和金属铜层构成，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4由金属钛层、钨层、钛层、铜层以及金层构成。
结合图4、5，基于所述EFI芯片单元的爆炸箔起爆装置，包括上述EFI芯片单元、炸药柱9、印制电路板底座10、传输线11、低压贴片电容12、高压贴片电容13；所述印制电路板底座10一面设置EFI芯片单元，另一面设置低压贴片电容12和高压贴片电容13，所述肖特基二级管5的负极通过传输线11连接低压贴片电容12的正极，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4通过传输线11连接低压贴片电容12的负极，未与下电极区相连的桥箔区宽端裸露的金属铜层通过传输线11连接至高压贴片电容13的正极，高压贴片电容13的负极通过传输线11连接至上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4；所述飞片层7为桥箔区爆炸箔6上方的Parylene C层3，在所述桥箔区的爆炸箔6上方依次设置飞片层7、Su8加速膛8和炸药柱9，Su8加速膛8上开设有圆孔，炸药柱9外层由管壳包裹，飞片层7、Su8加速膛8上的圆孔、炸药柱9和爆炸箔6在一条垂直线上；所述陶瓷基底1及设置在该陶瓷基底1上的桥箔区、飞片层7、Su8加速膛8、炸药柱9构成爆炸箔起爆单元。所述传输线11为铜带线。
所述金属Ti/Cu层2由金属钛层和金属铜层构成，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4由金属钛层、钨层、钛层、铜层以及金层构成。
所述炸药柱9采用六硝基茋HNS-Ⅳ，装药密度为理论最大密度1.74g/cm3的90％-95％。
所述下电极区、设置在该下电极区上的Parylene C层3、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4和肖特基二级管5构成单触发开关单元，该单触发开关单元耐压1500V，上升时间200ns，发火电压1000～1500V，开关的触发电压小于100V。
实施例1
本实施例集成单触发开关和加速膛的EFI芯片单元，所述单元包括陶瓷基底1、金属Ti/Cu层2、Parylene C层3、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4、肖特基二级管5、Su8加速膛；所述陶瓷基底1上设置金属Ti/Cu层2，所述金属Ti/Cu层2分为下电极区和桥箔区，所述下电极区为矩形结构，桥箔区为两端宽中间窄的桥型结构，窄的部分为爆炸箔6，宽的一端与下电极区相连，爆炸箔6桥型区域长l为0.3mm，宽n为0.3mm，在所述金属Ti/Cu层2上设置Parylene C层3，所述Parylene C层3完全覆盖下电极区及部分桥箔区，使未与下电极区相连的桥箔区宽的一端金属铜层裸露，其裸露要求如文献(ARobust One-Shot Switch for High-Power Pulse Applications)中所述，封装第一步是在聚对二甲苯薄膜上开一个窗口使底层电极显露出来，所述下电极区Parylene C层3上设置上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4上设置肖特基二级管5，所述下电极区以及设置在其上的Parylene C层3、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4和肖特基二级管5构成单触发开关单元，所述Parylene C层3在爆炸箔6上构成飞片层7，在飞片层7上为采用光刻技术原位自组装的中间带有小圆孔的Su8加速膛8，圆孔直径d为4.23mm，使得圆孔正好包含爆炸箔6桥型区域，如图1、图2所示。
所述的芯片单元，金属Ti/Cu层2由金属钛层和金属铜层构成，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4由金属钛层、钨层、钛层、铜层以及金层构成。
本实施例集成单触发开关和加速膛的EFI芯片单元的制备方法，所述芯片单元的制作工艺采用磁控溅射、光刻剥离等微细加工技术完成，其制作过程如图3所示：
第一步，对陶瓷基底1进行表面清洗，利用光刻剥离工艺和磁控溅射工艺在硅基衬底表面沉积Ti层和Cu层，构成金属Ti/Cu层2，所述金属Ti/Cu层分为下电极区和桥箔区，所述下电极区为矩形结构，桥箔区为两端宽中间窄的桥型结构，窄的部分为爆炸箔6，宽的一端与下电极区相连；
第二步，使用Chemask将与下电极区相连的桥箔区宽的一端金属铜层裸露部分保护起来，使用真空气相沉积技术(CVD)沉积Parylene C层3，剥离Chemask，露出裸露铜层，Parylene C层3既作为绝缘层，又作为飞片7，其厚度通常为25μm；
第三步，利用磁控溅射工艺在下电极区Parylene C层3上沉积上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4；
第四步，采用光刻工艺利用Su8光刻胶在爆炸箔区Parylene C层3上制备带有小圆孔的Su8胶加速膛8；
第五步，利用导电银浆将肖特基二极管5反向接在上电极Ti/W/Ti/Cu/Au上，制备得到集成单触发开关和加速膛的EFI芯片。
本实施例集成单触发开关和加速膛的EFI芯片的爆炸箔起爆装置，如图4、图5、图6所示，所述装置包括集成单触发开关和加速膛的EFI芯片单元、炸药柱9、印制电路板底座10、传输线11、低压贴片电容12、高压贴片电容13；所述单元包括陶瓷基底1、金属Ti/Cu层2、Parylene C层3、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4、肖特基二级管5和Su8加速膛；所述陶瓷基底1上设置金属Ti/Cu层2，所述金属Ti/Cu层2分为下电极区和桥箔区，所述下电极区为矩形结构，桥箔区为两端宽中间窄的桥型结构，窄的部分为爆炸箔6，宽的一端与下电极区相连，所述金属Ti/Cu层2上设置Parylene C层3，所述Parylene C层3完全覆盖下电极区及部分桥箔区，使未与下电极区相连的桥箔区宽的一端金属铜层裸露，所述下电极区Parylene C层3上设置上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4上设置肖特基二级管5，所述下电极区以及设置在其上的Parylene C层3、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4和肖特基二级管5构成单触发开关单元；所述印制电路板10底座一面设置集成单触发开关和加速膛的EFI芯片单元，另一面设置低压贴片电容12、高压贴片电容13，所述肖特基二级管5的负极通过传输线11连接低压贴片电容正极12，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4通过传输线11连接低压贴片电容12负极，桥箔区宽的一端裸露的金属铜层通过传输线11连接高压贴片电容13正极，高压贴片电容13负极通过传输线11连接上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4，如图7所示；所述飞片7为桥箔区上的Parylene C层3，在所述桥箔区上依次设置飞片7、Su8加速膛8和炸药柱9，加速膛上开有小孔，炸药柱外层由管壳包裹，飞片7、加速膛8上的小圆孔、炸药柱9和爆炸箔6在一条垂直线上；所述陶瓷基底1及设置在其上的桥箔区、飞片7、加速膛8、炸药柱9构成爆炸箔起爆单元。
所述的微芯片爆炸箔起爆装置，所述金属Ti/Cu层2由金属钛层和金属铜层构成，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au4由金属钛层、钨层、钛层、铜层以及金层构成。
所述炸药柱9采用低感度单体猛炸药六硝基茋炸药HNS-Ⅳ，装药直径为4mm，高4mm，装药密度为理论最大密度1.74g/cm3的90％-95％。
上述集成单触发开关和加速膛的EFI芯片的爆炸箔起爆装置，在起爆过程中，单触发开关耐压1500V，触发时间200ns，低压贴片电容即触发电压小于100V，触发电容470μF，高压贴片电容即爆炸箔起爆单元发火电压1000～1500V，起爆电容0.22μF，满足低能爆炸箔起爆装置的要求。
本发明中所述金属Ti/Cu层在单触发开关单元中作下电极，在爆炸箔起爆单元中作爆炸箔，Parylene C层在单触发开关单元中作上下电极间的绝缘层，在爆炸箔起爆单元中作爆炸箔起爆器的飞片层，加速膛采用Su8光刻胶集成制造，减少了工艺流程，成本低，体积小；采用肖特基二极管具有反向击穿特性，使开关能够抗杂散电流，具有本质的安全性。
Claims (8)
1.一种EFI芯片单元，其特征在于：所述单元包括陶瓷基底(1)、金属Ti/Cu层(2)、Parylene C层(3)、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au(4)和肖特基二级管(5)、Su8加速膛(8)；所述陶瓷基底(1)上设置金属Ti/Cu层(2)，金属Ti/Cu层(2)包括下电极区和桥箔区，所述下电极区为矩形结构、桥箔区为两端宽中间窄的桥型结构，该桥箔区从两边的宽端向中间均匀渐变为窄的部分即爆炸箔(6)，其中一个宽端与下电极区相连；所述金属Ti/Cu层(2)上设置Parylene C层(3)，Parylene C层(3)完全覆盖下电极区及部分桥箔区，使未与下电极区相连的桥箔区宽端的金属铜层裸露；所述下电极区Parylene C层(3)上设置上电极Ti/W/Ti/Cu/Au(4)，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au(4)上设置肖特基二级管(5)，所述下电极区、设置在该下电极区上的Parylene C层(3)、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au(4)和肖特基二级管(5)构成单触发开关单元；所述Parylene C层(3)在爆炸箔(6)上方构成飞片层(7)，在飞片层(7)上方设有中间带有圆孔的Su8加速膛(8)，所述圆孔位于爆炸箔(6)的正上方。
2.根据权利要求1所述的EFI芯片单元，其特征在于：所述金属Ti/Cu层(2)由金属钛层和金属铜层构成，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au(4)由金属钛层、钨层、钛层、铜层以及金层构成。
3.一种如权利要求1所述EFI芯片单元的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，对陶瓷基底(1)进行表面清洗，利用光刻剥离工艺和磁控溅射工艺在硅基衬底表面沉积Ti层和Cu层，构成金属Ti/Cu层(2)，所述金属Ti/Cu层(2)分为下电极区和桥箔区，所述下电极区为矩形结构、桥箔区为两端宽中间窄的桥型结构，该桥箔区从两边的宽端向中间均匀渐变为窄的部分即爆炸箔(6)，其中一个宽端与下电极区相连；
第二步，采用Chemask保护未与下电极区相连的桥箔区宽端，桥箔区其余部分完全覆盖Parylene C，Parylene C层(3)采用真空气相沉积技术原位制备；
第三步，利用磁控溅射工艺在下电极区Parylene C层(3)上沉积上电极Ti/W/Ti/Cu/Au；
第四步，采用光刻工艺利用Su8光刻胶在爆炸箔区Parylene C层(3)上制备带有圆孔的Su8胶加速膛(8)，使所述圆孔位于爆炸箔(6)的正上方；
第五步，利用导电银浆将肖特基二极管反向接在上电极Ti/W/Ti/Cu/Au(4)上，制备得到集成单触发开关和加速膛的EFI芯片单元。
4.根据权利要求3所述的EFI芯片单元的制备方法，其特征在于：所述金属Ti/Cu层(2)由金属钛层和金属铜层构成，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au(4)由金属钛层、钨层、钛层、铜层以及金层构成。
5.一种基于权利要求1所述EFI芯片单元的爆炸箔起爆装置，其特征在于：包括上述EFI芯片单元、炸药柱(9)、印制电路板底座(10)、传输线(11)、低压贴片电容(12)、高压贴片电容(13)；所述印制电路板底座(10)一面设置EFI芯片单元，另一面设置低压贴片电容(12)和高压贴片电容(13)，所述肖特基二级管(5)的负极通过传输线(11)连接低压贴片电容(12)的正极，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au(4)通过传输线(11)连接低压贴片电容(12)的负极，未与下电极区相连的桥箔区宽端裸露的金属铜层通过传输线(11)连接至高压贴片电容(13)的正极，高压贴片电容(13)的负极通过传输线(11)连接至上电极Ti/W/Ti/Cu/Au(4)；所述飞片层(7)为桥箔区爆炸箔(6)上方的Parylene C层(3)，在所述桥箔区的爆炸箔(6)上方依次设置飞片层(7)、Su8加速膛(8)和炸药柱(9)，Su8加速膛(8)上开设有圆孔，炸药柱(9)外层由管壳包裹，飞片层(7)、Su8加速膛(8)上的圆孔、炸药柱(9)和爆炸箔(6)在一条垂直线上；所述陶瓷基底(1)及设置在该陶瓷基底(1)上的桥箔区、飞片层(7)、Su8加速膛(8)、炸药柱(9)构成爆炸箔起爆单元。
6.根据权利要求5所述的爆炸箔起爆装置，其特征在于：所述金属Ti/Cu层(2)由金属钛层和金属铜层构成，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au(4)由金属钛层、钨层、钛层、铜层以及金层构成。
7.根据权利要求5所述的爆炸箔起爆装置，其特征在于：所述炸药柱(9)采用六硝基茋HNS-Ⅳ，装药密度为理论最大密度1.74g/cm3的90％-95％。
8.根据权利要求5所述的爆炸箔起爆装置，其特征在于：所述下电极区、设置在该下电极区上的Parylene C层(3)、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au(4)和肖特基二级管(5)构成单触发开关单元，该单触发开关单元耐压1500V，上升时间200ns，发火电压1000～1500V，开关的触发电压小于100V。
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| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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