CN107449325A - 一种低能爆炸箔起爆器基片的制备方法 - Google Patents

一种低能爆炸箔起爆器基片的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种低能爆炸箔起爆器基片的加工方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：1)基片清洗；2)PVD成膜，厚度为1～20μm；3)光刻：采用光刻剥离工艺将上述金属薄膜层分为下电极区和桥箔区；4)绝缘聚合物薄膜成膜：采用真空气相沉积技术原位制备1～30μm的PC或PI薄膜；5)光刻：套刻上电极；6)PVD成膜：利用PVD工艺在下电极区绝缘层上沉积上电极，膜系为WTi/Cu/Au，厚度为1～10μm；7)去胶；8)加速膛加工：采用光刻工艺利用光刻胶在爆炸箔区绝缘层上制备带有圆孔的加速膛；9)划片。该方法采用薄膜工艺，薄膜成型和图形光刻精度高，制备的基片体积更小、集成度更高；同时，减小了起爆回路的阻抗，同时降低了起爆系统发火能量，更加安全可靠。

Description

一种低能爆炸箔起爆器基片的制备方法
技术领域
本发明涉及一种爆炸箔起爆器的制备方法，特别是涉及一种低能爆炸箔起爆器基片的制备方法。
背景技术
爆炸箔起爆器(Exploding Foil Initiator,EFI)是一种具有高可靠性和高安全性的直列式火工装置，主要用于炸药装药起爆和固体火箭发动机推进剂点火。EFI的基本结构主要包括脉冲功率单元和爆炸箔起爆单元两部分。脉冲功率单元主要包括高压电源、电容器、高压开关、扁平电缆和控制电路；爆炸箔起爆单元主要包括基片、爆炸箔、聚合物飞片、加速膛和钝感炸药。EFI突破了传统起爆器中敏感起爆药剂及松装炸药的限制，爆炸箔不与炸药直接接触，耐机械冲击、抗辐射、静电、杂散电流及电磁干扰，本质安全性高，且作用迅速可靠，在武器系统中具有广泛应用前景。
公开号为CN104697405A的中国发明专利公开了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、肖特基二极管和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，ParyleneC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。
公开号为CN103868417A的中国发明专利涉及一种芯片型爆炸箔组件及其生产方法。该芯片型爆炸箔组件包括爆炸箔、飞片和电极，所述飞片粘接在所述爆炸箔上；所述电极焊接在所述爆炸箔上；所述爆炸箔是长方形，所述爆炸箔阵列排布在基片上；所述爆炸箔划片成型；所述电极是冲压成型的铜箔。飞片选用热粘聚酰亚胺薄膜，手工批量化粘接；焊锡采用小型手动丝网印刷机实现批量涂覆；爆炸箔组件采用脉冲热压回流焊接机通过编程实现批量自动焊接。本发明属于直列式冲击片火工品起爆部件，芯片化设计的爆炸箔组件结构简单，生产方式适合批量化、自动化，产品质量一致性好，生产效率高，成本低。有利于冲击片雷管的推广应用。
低能爆炸箔起爆系统(Low Energy Exploding System,LEEFIs)是在传统爆炸箔起爆系统基础上发展起来的新型起爆系统，它的基本结构主要包括变压器、高压储能电容、高压开关、控制电路、金属箔桥、飞片层、加速膛和钝感炸药。LEEFIs其中的关键技术是通过MEMS 技术将高压开关、金属箔桥和飞片集成制作在硅基芯片上，以小体积、低能耗的肖特基单触发开关取代传统的三电极触发火花间隙开关，原位制备的聚酰亚胺薄膜既作为开关的绝缘层，又作为飞片层。与传统爆炸箔起爆系统相比，LEEFIs采用新材料和新工艺缩小元器件体积，实现若干元器件的集成化制造，从而减小起爆回路的阻抗，降低起爆系统发火能量和体积。相应地，更高的集成化和更小的体积要求对LEEFIs的基片加工和组装提出了难度更高的挑战。
发明内容
本项目旨在提供一种低能爆炸箔起爆器基片的制备方法，通过该方法可以制备出更小体积、更高集成度的爆炸箔基片，从而使其低能爆炸箔起爆系统体积更小且安全可靠。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种低能爆炸箔起爆器基片的制备方法，该爆炸箔起爆器的起爆单元包括陶瓷基底、复合金属薄膜层、绝缘层、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au、肖特基二极管或高压管和加速膛，其特征在于其制备方法包括下述顺序的步骤：
1)基片表面处理：选用预先设计的规定尺寸的陶瓷基片，采用丙酮、酒精超声清洗；
2)物理气相沉积(PVD)成膜：膜系为WTi/Cu/WTi复合膜系，利用PVD工艺在硅基衬底表面沉积Ti层和Cu层，形成复合金属薄膜层，厚度为1～20μm；
3)光刻：分两步进行，先采用套刻BOTPOLE(下电极)版，将下电极露出；再套刻 WTi(钨钛)版，将爆炸箔及其焊盘露出；即：采用光刻剥离工艺将上述金属薄膜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；
4)绝缘聚合物薄膜成膜：用阻挡保护未与下电极区相连的桥箔区宽端，采用真空气相沉积技术原位制备1～30μm的绝缘层聚合物薄膜，优选的绝缘材料为PC(聚氯代对二甲苯， Parylene，简称PC)、PI(聚酰亚胺，Polyimide，简称PI)；
5)光刻：套刻TOPPOLE(上电极)，将上电极成膜区域露出；
6)PVD成膜：利用PVD工艺在下电极区绝缘层上沉积上电极，膜系为WTi/Cu/Au，厚度为1～10μm；
7)去胶：物理清洗去除光刻胶；
8)加速膛加工：采用光刻工艺利用光刻胶在爆炸箔区绝缘层上制备带有圆孔的加速膛，使所述圆孔位于爆炸箔的正上方，其中加速膛优选为SU8；
9)划片：采用划片工艺分离各芯片单元，优选激光划片。
该低能爆炸箔起爆器的复合金属薄膜层上设置绝缘聚合物薄膜，绝缘聚合物薄膜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；所述下电极区绝缘聚合物薄膜上设置上电极Ti/W/Ti/Cu/Au，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au上设置肖特基二极管或高压管，所述下电极区、设置在该下电极区上的绝缘聚合物薄膜、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au 和肖特基二极管或高压管构成单触发开关单元；所述绝缘聚合物薄膜在爆炸箔上方构成飞片层，在飞片层上方设有加速膛。
本发明的主要优点是：①该方法采用薄膜工艺，薄膜成型和图形光刻精度高，制备出来的基片体积更小、集成度更高；②薄膜工艺带来的更高集成度和更小体积，可以有足够空间设置多开关起爆通道，使得爆炸箔起爆系统更加安全、可靠；③采用该方法集成化制造的基片减小了起爆回路的阻抗，同时降低了起爆系统发火能量。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例1
一种低能爆炸箔起爆器基片的制备方法，该爆炸箔起爆器的起爆单元包括陶瓷基底、金属Ti/Cu层、PC层、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au、肖特基二极管和Su8加速膛，其特征在于包括下述顺序的步骤：
1)基片清洗：选用尺寸为50.8mm×50.8mm×0.8mm，纯度为99.6％的Al2O3陶瓷基片，先后经过丙酮、酒精超声清洗各3min，清洗之后用电吹风吹干，吹风口距离基片表面10cm 以上；
2)PVD成膜：膜系为WTi/Cu/WTi，利用PVD工艺在硅基衬底表面沉积Ti层和Cu层，构成金属Ti/Cu层，厚度为10μm；
3)光刻：分两步进行，先采用套刻BOTPOLE(下电极)版，将下电极露出；再套刻 WTi(钨钛)版，将爆炸箔及其焊盘露出；即：采用光刻剥离工艺将上述金属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；
4)PC成膜：用阻挡保护未与下电极区相连的桥箔区宽端，采用真空气相沉积技术原位制备10μm的PC聚合物薄膜；
5)光刻：套刻TOPPOLE(上电极)，将上电极成膜区域露出；
6)PVD成膜：利用PVD工艺在下电极区PC层上沉积上电极，膜系为WTi/Cu/Au，厚度为1μm；
7)去胶：物理清洗去除光刻胶；
8)加速膛加工：采用光刻工艺利用Su8光刻胶在爆炸箔区PC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；
9)划片：采用激光划片工艺分离各芯片单元。
该低能爆炸箔起爆器的金属Ti/Cu层上设置PC层，PC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PC层上设置上电极 Ti/W/Ti/Cu/Au，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au上设置肖特基二极管，所述下电极区、设置在该下电极区上的PC层、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au和肖特基二极管构成单触发开关单元；所述PC层在爆炸箔上方构成飞片层，在飞片层上方设有Su8加速膛。
实施例2
一种低能爆炸箔起爆器基片的制备方法，该爆炸箔起爆器的起爆单元包括陶瓷基底、金属Ti/Cu层、PI层、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au、肖特基二极管和Su8加速膛，其特征在于包括下述顺序的步骤：
1)基片清洗：选用尺寸为76.2mm×76.2mm×0.86mm，纯度为99.6％的Al2O3陶瓷基片，先后经过丙酮、酒精超声清洗各5min，清洗之后用电吹风吹干，吹风口距离基片表面10cm 以上；
2)溅射成膜：膜系为WTi/Cu/WTi，利用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，厚度为20μm；
3)光刻：分两步进行，先采用套刻BOTPOLE(下电极)版，将下电极露出；再套刻 WTi(钨钛)版，将爆炸箔及其焊盘露出；即：采用光刻剥离工艺将上述金属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；
4)PI成膜：套刻PI版，沉积30μm的PI聚合物薄膜；
5)光刻：套刻TOPPOLE(上电极)，将上电极成膜区域露出；
6)PVD成膜：利用PVD工艺在下电极区PI层上沉积上电极，膜系为WTi/Cu/Au，厚度为10μm；
7)去胶：物理清洗去除光刻胶；
8)加速膛加工：采用光刻工艺利用Su8光刻胶在爆炸箔区PC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；
9)划片：采用划片工艺分离各芯片单元。
该低能爆炸箔起爆器的金属Ti/Cu层上设置PI层，PI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PI层上设置上电极 Ti/W/Ti/Cu/Au，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au上设置肖特基二极管，所述下电极区、设置在该下电极区上的PI层、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au和肖特基二极管构成单触发开关单元；所述PC层在爆炸箔上方构成飞片层，在飞片层上方设有Su8加速膛。
上述仅为本发明二个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种低能爆炸箔起爆器基片的制备方法，该爆炸箔起爆器的起爆单元包括陶瓷基底、复合金属薄膜层、绝缘层、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au、肖特基二极管或高压管和加速膛，其特征在于其制备方法包括下述顺序的步骤：
1)基片表面处理：选用预先设计的规定尺寸的陶瓷基片，采用丙酮、酒精超声清洗；
2)物理气相沉积(PVD)成膜：膜系为WTi/Cu/WTi复合膜系，利用PVD工艺在硅基衬底表面沉积Ti层和Cu层，形成复合金属薄膜层，厚度为1～20μm；
3)光刻：分两步进行，先采用套刻BOTPOLE(下电极)版，将下电极露出；再套刻WTi(钨钛)版，将爆炸箔及其焊盘露出；即：采用光刻剥离工艺将上述金属薄膜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；
4)绝缘聚合物薄膜成膜：用阻挡保护未与下电极区相连的桥箔区宽端，采用真空气相沉积技术原位制备1～30μm的绝缘层聚合物薄膜，优选的绝缘材料为PC(聚氯代对二甲苯，Parylene，简称PC)、PI(聚酰亚胺，Polyimide，简称PI)；
5)光刻：套刻TOPPOLE(上电极)，将上电极成膜区域露出；
6)PVD成膜：利用PVD工艺在下电极区绝缘层上沉积上电极，膜系为WTi/Cu/Au，厚度为1～10μm；
7)去胶：物理清洗去除光刻胶；
8)加速膛加工：采用光刻工艺利用光刻胶在爆炸箔区绝缘层上制备带有圆孔的加速膛，使所述圆孔位于爆炸箔的正上方，其中加速膛优选为SU8；
9)划片：采用划片工艺分离各芯片单元，优选激光划片。
2.根据权利要求1所述的低能爆炸箔起爆器基片，其特征在于该低能爆炸箔起爆器的复合金属薄膜层上设置绝缘聚合物薄膜，绝缘聚合物薄膜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；所述下电极区绝缘聚合物薄膜上设置上电极Ti/W/Ti/Cu/Au，上电极Ti/W/Ti/Cu/Au上设置肖特基二极管或高压管，所述下电极区、设置在该下电极区上的绝缘聚合物薄膜、上电极Ti/W/Ti/Cu/Au和肖特基二极管或高压管构成单触发开关单元；所述绝缘聚合物薄膜在爆炸箔上方构成飞片层，在飞片层上方设有加速膛。
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