CN105423340B

CN105423340B - 一体化薄膜桥点火器及其制备方法

Info

Publication number: CN105423340B
Application number: CN201510860611.8A
Authority: CN
Inventors: 陈伟; 景涛; 白庆星; 龚星
Original assignee: CETC 48 Research Institute
Current assignee: CETC 48 Research Institute
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2018-07-06
Anticipated expiration: 2035-11-30
Also published as: CN105423340A

Abstract

本发明公开了一种一体化薄膜桥点火器及其制备方法。该一体化薄膜桥点火器由下至上依次包括基体整体元件、过渡层薄膜、点火层薄膜和复合桥膜层。制备方法包括(1)在基体整体元件表面先后淀积过渡层薄膜和点火层薄膜；(2)采用激光刻蚀工艺在点火层薄膜上刻制出锯齿状薄膜桥区；(3)在锯齿状薄膜桥区上周期性交替淀积CuO薄膜层和Al薄膜层，得到一体化薄膜桥点火器。本发明的一体化薄膜桥点火器无需封装、可低能可靠点火，能有效降低点火能量和点火时间，制备方法成本低廉，可实现批量化生产。

Description

一体化薄膜桥点火器及其制备方法

技术领域

本发明属于火工品技术领域，涉及一种点火器及其制备方法，具体涉及一种一体化薄膜桥点火器及其制备方法。

背景技术

点火器的安全性和可靠性是整个火工品系统安全与可靠作用的关键。传统桥丝式或薄膜桥点火器虽然也能满足1A/1W、5min条件下不点火的安全要求，但由于需将分离元件进行整合封装，可靠性不能适应当前火工品的使用要求。

点火器现有技术的主要缺点在于：1、封装困难；2、可靠性差。现有技术无法解决这些缺点的原因为：薄膜桥点火器传统封装是先将薄膜桥用环氧树脂粘结在陶瓷塞或TO电极塞上脚线间的凹槽内，然后用超声波或金丝球焊将金属连接脚线焊接在薄膜桥上的焊接区上，而在实际应用中存在陶瓷破裂和焊线断开或接点松动问题，不适合压装起爆药剂；并且该种封装形式的点火器抗环境振动、冲击干扰能力较差，一般情况下点火器在使用和运输途中不可避免受到振动影响，可能造成焊接点破裂脱焊，影响火工品点火的可靠性。因此，传统引线焊接封装形式不满足火工品系统高安全性和可靠性要求。

申请号为CN201110286771.8的中国专利文献公开了一种无引线封装薄膜桥发火器的制备方法，提出使用金导体浆料对通孔进行填充烧结，使得基底上下表面实现电气连通。首先，通过溅射淀积技术在基片表面沉积点火薄膜材料层，利用光刻工艺技术和干法刻蚀技术制作出薄膜桥；在薄膜桥之上制作光刻胶掩膜层，溅射淀积焊接薄膜材料层，剥离清洗可在基片上下表面分别形成焊接层，再利用砂轮划片机划片，无引线封装薄膜桥发火器分割成型。最后通过表面贴装工艺使得点火元件焊接区和基座焊接区实现焊接互连。可以看出，该专利文献虽然是一种无引线封装的制备方法，较传统的带引线封装的点火器可靠性有较大提高，但仍然是将分离元件整合封装，不可避免存在工艺复杂、工序冗繁、一致性不高等问题，而且可靠性也比较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种无需封装、可低能可靠点火、有效降低点火能量和点火时间的一体化薄膜桥点火器及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种一体化薄膜桥点火器，所述一体化薄膜桥点火器由下至上依次包括基体整体元件、过渡层薄膜、点火层薄膜和复合桥膜层。

上述的一体化薄膜桥点火器中，优选的，所述基体整体元件内嵌设有极针；所述基体整体元件为陶瓷塞。

上述的一体化薄膜桥点火器中，优选的，所述点火层薄膜中设有锯齿状薄膜桥区；所述复合桥膜层是由周期性交替排列的CuO薄膜层和Al薄膜层组成。该点火器中，复合桥膜层是由CuO、Al分层淀积而成，CuO薄膜层和Al薄膜层二者发生铝热反应，可产生大量热量，降低点火能量。

上述的一体化薄膜桥点火器中，优选的，所述点火层薄膜采用的薄膜材料为TaN或NiCr；所述点火层薄膜的厚度为3μm～4μm。

上述的一体化薄膜桥点火器中，优选的，所述复合桥膜层中，最下层和最上层均为CuO薄膜层；所述CuO薄膜层的单层厚度为50nm～60nm，所述Al薄膜层的单层厚度为30nm～40nm。

上述的一体化薄膜桥点火器中，优选的，所述过渡层薄膜采用的薄膜材料包括Ta或Al₂O₃；所述过渡层薄膜的厚度为100nm～200nm。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的一体化薄膜桥点火器的制备方法，包括以下步骤：

(1)在基体整体元件表面先后淀积过渡层薄膜和点火层薄膜；

(2)采用激光刻蚀工艺在所述点火层薄膜上进行刻蚀，使点火层薄膜中形成锯齿状薄膜桥区；

(3)在所述锯齿状薄膜桥区上周期性交替淀积CuO薄膜层和Al薄膜层(铝热反应复合薄膜)，形成复合桥膜层，最终得到一体化薄膜桥点火器。

上述的一体化薄膜桥点火器的制备方法中，优选的，所述激光刻蚀工艺的工艺条件为：激光平均功率3W～5W，激光能量密度55J/cm²～65J/cm²，刻蚀速率35mm/s～50mm/s。其它参数可进行如下选择，但不限于此：光斑直径0.2mm～0.3mm，重复频率25KHz～30KHz，刻蚀次数1～2次。

上述的一体化薄膜桥点火器的制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，所述过渡层薄膜和点火层薄膜的淀积工艺包括离子束溅射镀膜工艺、磁控溅射工艺、电子束蒸发工艺和化学气相沉积工艺中的一种或多种，最优选采用离子束溅射镀膜工艺(薄膜致密性及附着力好)；所述步骤(3)中，所述复合桥膜层的淀积工艺包括离子束分靶溅射镀膜工艺。

上述的一体化薄膜桥点火器的制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，所述点火层薄膜的淀积工艺采用离子束溅射镀膜工艺，工艺条件为：屏栅电压为550V～650V，电流为180mA～220mA；所述步骤(3)中，所述离子束分靶溅射镀膜工艺的工艺条件为：溅射Al膜时，屏栅电压为500V～550V，溅射电流：80mA～120mA；溅射CuO膜时，屏栅电压为300V～390V，溅射电流为120mA～200mA，氩氧比为3～7∶1。

本发明的制备方法中，步骤(1)在处理基体整体元件之前，还会对基体整体元件进行预处理，预处理包括以下过程：将基体整体元件先进行抛光和超声清洗，然后进行离子束轰击清洗。

本发明的关键创新点为：

1、基体整体元件与薄膜桥一体化，无需封装。区别于常规的芯片焊接形成点火器的方式，本发明采用基体薄膜桥一体化的无需封装点火器，无需引线焊接，避免运输、环境试验等恶劣环境下点火器焊点脱落、引线断裂等情况的发生，可靠性及安全性大大提高。

2、锯齿状薄膜桥和复合桥膜的兼容性设计降低了点火能量。

3、高精度激光刻蚀简化了传统光刻、湿法刻蚀工艺流程。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的一体化薄膜桥点火器采用的是基体整体元件，而非常规采用的基片，本发明在带极针的基体整体元件上直接制备点火层，省去了焊线工序，具有无需封装、低能、安全可靠等优点。现有技术是在基片上制备完成后，通过划片、焊接等方式实现点火器的制备，虽然通过淀积工艺可使点火层与基体整体元件紧密结合，但仍需通过焊金丝的方式实现焊盘与极针的连接，无法实现直接在基体整体上制备点火层。

2、本发明的一体化薄膜桥点火器的薄膜桥与基体整体元件合成一体，极针与薄膜直接相连，无需引线封装；薄膜桥区呈锯齿状且其上淀积Al/CuO复合薄膜，工作过程中，Al/CuO复合薄膜发生铝热反应，放出热量，引爆火药，大大地降低点火所需能量及点火时间，能够用于解决现有的带引线封装点火器存在的安全性、可靠性难题。与现有传统的带引线封装的薄膜桥点火器相比，本发明的一体化薄膜桥点火器减少了金丝引线这道工序，避免了在运输和使用过程中可能出现的金丝断裂或焊点不牢等情况，大大提高了薄膜桥点火器的可靠性、安全性，加强了加工工艺一致性，降低了发火器制造成本。

3、本发明的制备方法采用离子束溅射等方法制备薄膜、激光刻蚀制备薄膜桥，得到的一体化薄膜桥点火器具有无需封装及可靠性、安全性高的特点。与常规的光刻、刻蚀等传统工艺相比，激光刻蚀是根据设计图设定工作能量、安装好基体整体元件夹具，即可实现图形刻蚀，而常规工艺需要制备高质量掩膜，而且存在图形失真、光刻掩膜碳化变形等工艺问题，因此本发明采用的激光刻蚀技术流程及操作难度要小很多。本发明采用当前最常用的陶瓷电极塞作为薄膜桥的基底，在激光刻蚀加工过程中具备较好地可分辨性，可高精度加工(1μm)的使用环境，一体化低能薄膜桥采用激光刻蚀直接成型，无需引线，有利于安装及运输等，复合桥膜在点火过程中放热，降低点火能量、点火时间，大大提高火工品的使用性能。

4、本发明的一体化薄膜桥点火器采用微机械加工技术和集成电路制造技术，有利于提高加工工艺的一致性和点火器使用的可靠性水平，并可实现批量化生产，有效降低制造成本。本发明在原有薄膜桥的基础上，在桥区淀积复合桥膜，有效减小点火时间，降低点火能量；采用激光刻蚀技术制备一体化薄膜桥点火元件，可避免传统半导体工艺需要对分离元件进行整合封装，大大提高了点火器工作的可靠性水平。

附图说明

图1为本发明实施例1中一体化薄膜桥点火器的结构示意图。

图2为本发明实施例1中一体化薄膜桥点火器制备方法的工艺流程图。

图例说明：

1、基体整体元件；2、极针；3、过渡层薄膜；4、点火层薄膜；5、硬质掩膜；6、CuO薄膜层；7、Al薄膜层；8、锯齿状薄膜桥区；9、复合桥膜层。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

一种本发明的一体化薄膜桥点火器，如图1所示，该一体化薄膜桥点火器由下至上依次包括基体整体元件1、过渡层薄膜3、点火层薄膜4和复合桥膜层9。

本实施例中，基体整体元件1为Φ8mm×20mm的陶瓷塞，陶瓷塞为抛光99瓷(上表面抛光)，陶瓷塞内设有两根Φ1mm的柯伐合金极针，极针2露出塞体的长度为15mm。

本实施例中，点火层薄膜4中设有锯齿状薄膜桥区8。点火层薄膜4采用的薄膜材料为NiCr(也可采用TaN)，厚度为3.3μm。为防止静电、保证安全点火，点火层薄膜4的上下左右还设有锯齿结构。

本实施例中，复合桥膜层9是由周期性交替排列的CuO薄膜层6和Al薄膜层7组成，复合桥膜层9是在锯齿状薄膜桥区8上周期性淀积CuO薄膜材料和Al薄膜材料而成。复合桥膜层9的最下层与最上层均为CuO薄膜层6，CuO薄膜层6共23层，Al薄膜层7共22层，CuO薄膜层6的单层厚度为58nm，Al薄膜层7的单层厚度为36nm。

本实施例中，过渡层薄膜3采用的薄膜材料为Ta(也可采用Al₂O₃)，厚度为150nm。过渡层薄膜3的整体构型与点火层薄膜3相同。

一种上述本实施例的一体化薄膜桥点火器的制备方法，工艺流程参见图2，包括以下步骤：

(1)对尺寸为Φ8mm×20mm的基体整体元件1进行预处理：先对基体整体元件1进行精密抛光，然后对基体整体元件1表面进行超声清洗，再对基体整体元件1进行离子束轰击清洗以消除表面的附着杂质。

(2)采用离子束溅射镀膜工艺在上述预处理后的基体整体元件1表面淀积过渡层薄膜3和点火层薄膜4，其中，屏栅电压为600V，电流为200mA。过渡层薄膜3是为了缓减后续制备的点火层薄膜4与基体整体元件1的热膨胀系数的不匹配性而设的，可保证薄膜附着力，不影响点火能量。

(3)采用激光刻蚀工艺在点火层薄膜4上进行刻蚀，使点火层薄膜4中形成锯齿状薄膜桥区8，桥区尺寸为350×300μm，厚度3.3μm，材料NiCr(Ni80∶Cr20)。激光刻蚀工艺可刻蚀至过渡层薄膜3，使过渡层薄膜3的整体构型与点火层薄膜4保持一致，在实际应用过程中，可根据具体需求来选择合适的桥区尺寸、薄膜厚度和薄膜材料。

本实施例的激光刻蚀工艺具体包括以下步骤：

3.1)按照需要设计刻蚀图形，编辑刻蚀程序；

3.2)设置工艺参数：激光平均功率为3.5W、光斑直径0.3mm、激光能量密度58J/cm²、重复频率25KHz、刻蚀速率38mm/s、刻蚀次数2次。

3.3)安装夹具，将芯体(即带有点火层薄膜4和过渡层薄膜3的基体整体元件1)固定在夹具上；

3.4)启动刻蚀程序，开启吹气阀，进行激光刻蚀；

3.5)刻蚀完成后，丙酮、酒精超声清洗15min；

3.6)显微镜下进行筛选。

(4)将步骤(3)得到的基体整体元件材料进行超声清洗，然后在材料上安装硬质掩膜5(具体为钢片掩膜板)，使材料与掩膜板对准(以桥区中心作为基准，显微镜下观察桥区锯齿在掩膜版的圆形的中心即可)。采用离子束分靶溅射镀膜的方式(具体参数见表1)周期性镀覆CuO薄膜层6和Al薄膜层7，薄膜厚度采用晶振片实时监测，所得复合桥膜层9在点火层薄膜4发热过程中发生铝热反应，释放热量，从而降低点火能量和时间。镀覆完复合桥膜层9后，去除硬质掩膜5，即得到一体化薄膜桥点火器。

表1离子束分靶溅射镀膜的关键参数

本实施例制备的一体化薄膜桥点火器图形如图1所示，基体整体元件1与薄膜桥合为一体，桥区周边设计成锯齿状，以免点火器在工作过程中发生静电引爆，保证点火器工作安全。桥区尺寸可根据实际需求进行优化，整个桥区无引线焊盘，点火器在工作时，火药填充在桥区中间，当通电后，引爆火药。其中的复合桥膜层9及锯齿状薄膜桥区8的设计是为了降低点火能量和时间。

本发明的一体化薄膜桥点火器可通过一体化桥膜结构的设计达到缩短点火时间，降低点火能量，又能利用激光刻蚀技术，实现点火器元件的整合，避免引线断裂或脱落等情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种一体化薄膜桥点火器，其特征在于，所述一体化薄膜桥点火器由下至上依次包括基体整体元件（1）、过渡层薄膜（3）、点火层薄膜（4）和复合桥膜层（9）；

所述基体整体元件（1）内嵌设有极针；

所述点火层薄膜（4）中设有锯齿状薄膜桥区（8）；所述复合桥膜层（9）是由周期性交替排列的CuO薄膜层（6）和Al薄膜层（7）组成；

所述点火层薄膜（4）采用的薄膜材料为TaN或NiCr；

所述复合桥膜层（9）中，最下层和最上层均为CuO薄膜层（6）。

2.根据权利要求1所述的一体化薄膜桥点火器，其特征在于，所述基体整体元件（1）为陶瓷塞。

3.根据权利要求1所述的一体化薄膜桥点火器，其特征在于，所述点火层薄膜（4）的厚度为3μm～4μm。

4.根据权利要求1所述的一体化薄膜桥点火器，其特征在于，所述CuO薄膜层（6）的单层厚度为50nm～60nm，所述Al薄膜层（7）的单层厚度为30nm～40nm。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的一体化薄膜桥点火器，其特征在于，所述过渡层薄膜（3）采用的薄膜材料包括Ta或Al₂O₃；所述过渡层薄膜（3）的厚度为100nm～200nm。

6.一种如权利要求1～5中任一项所述的一体化薄膜桥点火器的制备方法，包括以下步骤：

（1）在基体整体元件（1）表面先后淀积过渡层薄膜（3）和点火层薄膜（4）；

（2）采用激光刻蚀工艺在所述点火层薄膜（4）上进行刻蚀，使点火层薄膜（4）中形成锯齿状薄膜桥区（8）；

（3）在所述锯齿状薄膜桥区（8）上周期性交替淀积CuO薄膜层和Al薄膜层，形成复合桥膜层（9），最终得到一体化薄膜桥点火器。

7.根据权利要求6所述的一体化薄膜桥点火器的制备方法，其特征在于，所述激光刻蚀工艺的工艺条件为：激光平均功率3W～5W，激光能量密度55J/cm²～65J/cm²，刻蚀速率35mm/s～50mm/s。

8.根据权利要求6或7所述的一体化薄膜桥点火器的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述过渡层薄膜（3）和点火层薄膜（4）的淀积工艺包括离子束溅射镀膜工艺、磁控溅射工艺、电子束蒸发工艺和化学气相沉积工艺中的一种或多种；所述步骤（3）中，所述复合桥膜层（9）的淀积工艺包括离子束分靶溅射镀膜工艺。

9.根据权利要求8所述的一体化薄膜桥点火器的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述点火层薄膜（4）的淀积工艺采用离子束溅射镀膜工艺，工艺条件为：屏栅电压为550V～650V，电流为180mA～220mA；所述步骤（3）中，所述离子束分靶溅射镀膜工艺的工艺条件为：溅射Al膜时，屏栅电压为500V～550V，溅射电流：80mA～120mA；溅射CuO膜时，屏栅电压为300V～390V，溅射电流为120mA～200mA，氩氧比为3～7∶1。