CN107923728B - 集成电路起爆器设备 - Google Patents

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Abstract

在本发明的一个方面中，提供了一种集成电路起爆器设备，包括：提供有电绝缘层的电路基底；沉积在绝缘层上的导电桥接电路；所述桥接电路被图案化为接触区域和连接接触区域的桥接结构，所述桥接结构被布置用于在桥接结构被与接触区域接触的起爆器电路熔断时形成等离子体；以及旋涂在桥接结构上的聚合物层，用于形成被推动远离基底的飞片。

Description

集成电路起爆器设备
技术领域
本发明涉及一种起爆器设备及其制造方法。
背景技术
在现代防卫行动中，弹药必须满足各种要求。除此之外，还需要新型弹药，诸如自适应弹药或具有例如可分级功能的弹药。使这些类型的功能成为可能，需要快速(微秒)、可靠和小型的起爆器。在大多数弹药中，具有起爆药和常规机械部件的标准起爆器被使用，两者通常都是关于物品的灵敏度的麻烦的来源，并且由于大量的哑弹，在战场上还导致许多不需要的未爆炸设备。所谓的爆炸箔起爆器(EFI)与标准起爆器相比具有很大的优势，因为它们本质上更安全(因为它们使用次级炸药代替起爆药)、更可靠并且在一微秒内起作用而不是几毫秒。它们也为智能弹药的发展提供了新的机会。由于使用的是次级炸药，所以EFI可与传爆装药/主装药一致地被安放，并且可以使用全电子爆炸起爆器。目前，爆炸箔起爆器(EFI)仅用于昂贵的和时间依赖的弹药系统。这些设备仍旧低效并且相对大，而且还非常昂贵。从US4862803已知一种集成硅爆炸起爆器。然而，该设备仅部分集成在硅中，并具有从外延硅形成的飞片。这种材料在高等离子体温度下分解，致使该设备不适合。因此，较小的EFI的发展是可取的，但在它能够小型化之前需要对系统进行改进。
WO9324803公开了一种集成场效应起爆器。起爆电势被施加到栅极以在路径中产生场增强传导，足以允许路径的汽化引发与路径接触的爆炸材料的起爆。然而，由于门控场效应晶体管电路在桥接结构中能够吸收的有限量的能量，因此这种类型的导电桥作为箔起爆器受制于有限的效果，桥接结构用于在汽化之前接收足够大的电流。
发明内容
在本发明的一个方面中，提供了权利要求1中列出的特征。具体地，集成电路起爆器设备包括：提供有电绝缘层的电路基底；沉积在绝缘层上的导电桥接电路；所述桥接电路被图案化为接触区域和连接接触区域的桥接结构，所述桥接结构被布置用于在桥接结构被与接触区域接触的起爆器电路熔断时形成等离子体；以及旋涂在桥接结构上的聚合物层，用于形成被推动远离基底的飞片。桥接电路图案在掺杂硅层中被图案化，掺杂硅层外延沉积在电绝缘层上，其中掺杂硅层包括来自III族元素的掺杂剂，并且其中桥接电路图案具有小于2*10^-5欧姆米的欧姆电阻。
已发现以这种方式的结构具有优异的起爆器性能，并且可以通过集成硅制造工艺完全批量生产。
附图说明
现在将仅通过示例的方式参考随附示意性附图来描述本发明的实施例，其中相应的附图标记指代相应的部件，并且其中：
图1示出起爆器设备的实施例；
图2示出了本发明的一个实施例的平面图；
图3A和图3B示出了根据图1的实施例的第一截面图和第二截面图；
图4A和图4B示出了起爆器电路的示意图；并且
图5示出了根据本发明的另一实施例的示意性截面图；
图6示意性地示出了用于制造起爆器设备的步骤。
具体实施方式
除非另外限定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开内容所属的技术领域的普通技术人员之一所通常理解的意义相同的意义，如在说明书的上下文和附图中所阅读的那样。将进一步理解，例如那些在常用字典中定义的术语应该被解释为具有与它们在相关领域的上下文的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的意义来解释，除非在本文中明确地如此定义。在一些情况下，为了不模糊本系统和方法的描述，可以省略对众所周知的设备和方法的详细描述。用于描述具体实施例的术语不旨在限制本发明。如本文中使用的，单数形式“一”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地表示别的含义。术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任意和所有组合。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”指定存在所陈述的特征，但不排除一个或多个其他特征的存在或附加。本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献的全部内容通过引用并入本文。如有冲突，以本说明书(包括定义)为准。
术语“集成电路起爆器设备”用来表示起爆器设备优选地通过层沉积技术被整体制造以达到分层基底设备，其中桥接电路和飞片被集成。聚合物层可以包含若干添加物。它可以以25-35微米量级的薄片形式利用。它优选地具有非常低的热导率和高绝缘能力。例如，聚合物层为聚酰亚胺(PI)(也以名称卡普顿(Kapton)被公知)，为深褐色，并且主要可用于薄但比较大的片中。可替代地，帕利灵(Parylene)可能是合适的。
术语“旋涂”以常规方式被使用，其中基底以高转动频率被旋转，并在高温下被固化，以形成涂层。根据25-35微米的期望厚度，若干材料层被施加，例如2-15层。根据固化工艺，该层可收缩三分之一，这可以解释为由于层的数量增加所致。飞片/桥接结构生产的装配中的一个重要方面是没有空气能够被困在桥附近的聚合物层之间。1200-1500伏特的电压可以桥接两条传输线的表面之间的间隙，而不是通过桥材料本身的电流。因此沿桥被困的气隙可能会阻碍桥的正常运行。通过旋涂和随后的固化工艺，可防止气体夹杂物，从而改善桥的功能。除了旋涂之外，其他应用技术例如溅射或层压对于达到相同的效果可能是可行的。
产品随后在升高的温度下被固化。固化工艺取决于温度。在一个示例生产中，聚酰亚胺层可在一小时内被加热到350℃，然后在350℃下固化50分钟。
“电路基底”可以是硅基底或类硅基底(例如派热克斯玻璃(pyrex))。“起爆器电路”可以是适合通过熔断桥接结构引爆具有非常低电感的起爆器设备的传统电路。起爆器电路和桥还可以被组合在单个芯片上，或者被耦接在MEM设备中，例如，通过硅通孔连接。
示例在图4中被描述。
图1示出了处于初级和次级爆炸阶段40、42的环境中的基于微芯片的爆炸起爆器设备10。例如，爆炸起爆器电路30在通过桥接电路12短路时，在桥接结构被熔断时形成等离子体。起爆器电路30将电流释放到桥中来加热并在几纳秒内使其蒸发，由此飞片13通过所形成的等离子体穿过筒体结构20被推动远离基底11。例如，起爆器电路30包括充到高电压的小电容器C、开关S、传输线T、爆炸箔12和炸药40。当电容器C通过传输线T向箔中放电时，箔12将爆炸并将飞片13推动至远超过3km/s的速度，高到足以引发诸如HNS IV的次级炸药30。驱动炸药40使第二飞片41加速，第二飞片41引发传爆药42。
系统效率越高，系统使用的能源越少，组件就变得越小，提供缩小系统的机会。固态开关的使用增加了提高的效率，并且比例如经常使用火花隙更有效率。此外，提供了一种高效并且廉价的基于微芯片的桥，桥包括产生用于驱动炸药的起爆的源的飞片材料。虽然图1示出了具有驱动炸药40和传爆药42的实施例，但是基于微芯片的爆炸起爆器设备10可以引发或引燃所有类型的爆炸物、推进剂或烟火材料，或者可通过起爆、燃烧、爆轰或类似方法被应用于具有多点起爆和多种炸药或者可以是任何能量转换应用的雷管的更加复杂的起爆器方案中。应用可以是在炸药、燃烧系统、烟火系统、安全气囊系统、推进剂的领域中。
将形成用于推动系统的飞片的等离子体的桥材料12具有相对低的电阻，为此电起爆器电路30的总动力学被优化，使得电容器的大部分能量将在二等分的周期内被加入EFI的桥12中。例如，在一些应用中不受限制，大约2Ω的电阻似乎是桥电阻的最大值。
然而，由于约0.20-0.25mm的炸药(HNS IV或V)的临界爆轰直径，所以必须形成大尺寸的飞片。因此，基础桥也应该具有同一量级的尺寸。由于具有高温的等离子体应被形成，因此更大的桥意味着要加热更多的材料以及因此更多的能量。然而，比热在该计算中起着重要的作用。下表展示了铜桥的加热与由铝或硅制成的桥相比的区别。为了计算，采用200×300×5微米的尺寸的桥。
表2桥的参数及最终温度的计算
Figure BDA0001570663160000041
Figure BDA0001570663160000051
利用密度和体积的值，可以计算桥接结构的质量。使用摩尔质量和摩尔体积的值，可以计算从固态桥形成的气体的体积。两种材料提供约3 10-13m3的相同体积的气体。形成等离子体，首先材料被加热至熔点，经过熔化阶段，加热至沸点，并且之后必须蒸发。使用适当的比热值、蒸发焓等，蒸发桥所需的能量的量已经被计算。取可用的能量的0.12J的值，可以确定所有材料的等离子体的最高温度。虽然铝和硅的比热约为铜的2倍大，但铝的质量约小至1/3。这意味着铝的最高温度(150000K)约为铜的温度(102000K)的1.5倍大，而对于硅甚至为两倍(216000K)。因此，这表明铝作为桥的基底材料是比，例如铜更好的选择，但令人惊讶的是，硅甚至是更好的材料，并且另一方面产生相同量的气体。当硅被用作桥时，利用相同量的能量可以达到约216000K的最高温度。温度越高，气体的声速越高，并且因此飞片的理论最大速度也越高。
阻值很大程度上取决于形状、厚度和长宽比，并且应该是相对低。高阻值不会导致通过桥的大电流，并且系统的加热不会如预期的那样发生。因此，在若干工作系统中，诸如铜或铝的金属被使用。
另一个重要的因素是在等离子体阶段期间的桥的阻值。优选地，出于与前面提到的相同的原因，它不会升高到更高的值。更大的阻值会降低电气过程的效率，而且不是所有的能量会在一定的时间内在电桥中被感应出来。在等离子体阶段期间，阻值优选地以大的量级下降，以增加系统中的电流并且快速加热等离子体，直到爆炸发生。此外，对于该方面，已发现金属桥的电阻、而且硅桥的电阻快速下降，并且大电流通过电路。
然而，发明人惊奇地发现，硅电阻图进一步不同于金属图。由于温度升高，因此对于金属桥，阻值有一个峰值。首先，其升高并且之后进入等离子体，阻值下降到低值，并且大电流能够流过桥。然而，高掺杂的硅桥具有两个峰值。一个峰值是掺杂材料的金属特性的结果，引起阻值上述并且之后下降，而第二个峰值是由于硅的等离子体化工艺，引起阻值上升并且随后下降。在该第二个峰值之后，阻值下降到非常低的值。诸如Al和Cu的金属可适用于此目的，但是非常高掺杂的硅似乎更有效。例如，可以在Si中掺杂约1-4*1019个原子B/cm3的范围，并且在SiGe中掺杂约5-10*1020个原子/cm3的范围。不受理论束缚，据认为，在等离子体化之前，掺杂硅中的这种分阶段的等离子体化过程优化了桥接电路中的电流通路。
图2更详细地示出了提供在电路基底上的桥接电路12的实施例，例如图1所示类型的硅基底。从具有相对低的冲击阻抗的材料到具有高冲击阻抗的材料的冲击将被反射很大一部分。具有高冲击阻抗的其它基底材料为例如玻璃、陶瓷或具有高的材料声速的硅。这些材料中的大部分也可被机器加工或被制造，以确保平坦的表面。由于这些材料的高声速，陶瓷或硅具有大的冲击阻抗。因此，来自爆炸箔的冲击将主要由硅反射体材料(而不是卡普顿(Kapton)反射体材料)反射。
为便于理解，在该局部平面图中没有示出飞片层，但是图3A和图3B示出了飞片13的方位。桥接电路12被形成在位于图案化层之下的电绝缘层120上，图案化层包括桥接结构121a和接触区域121b。桥接结构121a电连接接触区域121b，并且被布置为用于当桥接结构121a被起爆器电路熔断时形成等离子体。在优选的示例中，金属互连焊盘122覆盖在桥接电路12的接触区域121b上面，但是到起爆器电路的其他合适的连接是可行的。桥接结构由锥形区域II形成，锥形区域II从接触区域I延伸到桥接区域III中，桥接区域III限定沿接触区域I之间的最短连接路径i的电流流动方向。桥接区域III优选地具有横向于最短连接路径i的连接部分。也就是说，桥接区域III的至少部分优选地具有在相对平行侧之间限定的宽度w，宽度w比长度l长，长度l由平行侧的长度限定。在进一步优选的实施例中，桥接区域通过桥接区域III和锥形区域II之间的中间区域IIIa中的圆形边缘连接到锥形区域II，以优化电流并且优化桥接结构121的等离子体形成，尤其在桥接区域III中。
图3A和图3B分别示出了根据图2的实施例的沿线A和线B的第一截面图和第二截面图。图3A示出了由切割区域111界定并且位于桥接电路12下面的硅基底11。卡普顿(kapton)(聚酰亚胺)层13被示出为覆盖桥接结构12被提供并且基本共形于桥接结构12。
桥接电路12沿线A形成为绝缘层。电绝缘层例如为二氧化硅层，二氧化硅层在硅基底11的整个表面区域上基本覆盖硅基底11。在绝缘层120上，桥接电路层121被形成。虽然若干材料可能是合适的，例如图案化的Cu或Al层，但是已发现优选地，根据权利要求1所述的起爆器设备，其中桥接电路图案在外延沉积于电绝缘层上的掺杂硅层中被图案化。
掺杂硅层121可包括来自V族元素的掺杂剂，然而对于这种掺杂技术，III族元素已经被使用。例如，可从磷光体或硼提供掺杂，以包括额外的价电子。可根据电路性能优化掺杂度，并且掺杂度达到已经使用的理论最大值。以这些掺杂度，桥接电路图案具有非常低的欧姆电阻，优选地小于1*10^-5Ωm。桥接电路图案121具有优选地小于4μm的层厚度。
桥接电路层12的接触区域被提供为覆盖在金属互连焊盘122上。焊盘122可以通过传输线电连接到下面详述的起爆器电路。
在图3A中，聚酰亚胺层13直接覆盖在桥接电路图案上，尤其是桥接结构121a，当起爆器电路退出时桥接结构121a将融合成等离子体，并且卡普顿(kapton)层13将破裂成区域F中的飞片。在图3B中，示出了接触区域121b被金属互连焊盘122重叠，并且卡普顿(kapton)层13被直接旋转在桥接电路图案121a、121b下面的绝缘层120上。
根据权利要求1所述的起爆器设备，其中聚合物层具有小于50微米的层厚度。
图4(A和B)示出了箔的一般设置，其中L和R实质上基本上是寄生的，也就是说，尽可能低，并且其中在闭合开关S之后，桥接电路12中的能量退出。桥的阻值对于EFI的总体功能是重要的，因为它是在闭合开关之后电容器通过桥动态放电的一部分。EFI系统的电路由电容器C、开关S和传输线组成，它们全部可以由微型电路提供。电路具有寄生电感L和阻值/阻抗R。
这种系统的De电流可被描述为：
Figure BDA0001570663160000071
其中Uo为通过电容器的电压
ω＝(1/LC)为圆频率
L＝电路的感应，并且
τ＝(2L/R)为电路的时间常数。
这种放电的示例见图4B，对于2kV的放电，C＝250nF，R＝200mΩ并且L＝20nH。
进一步的实施例。
图5示出了一个实施例，其中基于微芯片的EFI爆炸起爆器100被提供在筒体外壳50中，筒体外壳50包括爆炸起爆器的部件，尤其是桥12、包括固态开关的起爆器电路30、连接、筒体20以及用于HNS子弹的外壳，HNS子弹包括金属杯和子弹夹持器55，子弹夹持器55为聚合物外壳的部件。图中描绘的截面图示出了所有组件。在桥12和起爆器电路30之间的连接可由铜制成的扁平传输线提供。整体尺寸主要由具有约10mm的高度的HNS子弹的尺寸控制。
图6示意性地示出了如下步骤：提供具有电绝缘层的基底(S1)；在绝缘层上沉积导电桥接电路层(S2)；可选择地在EPI层的顶部上溅射铝焊盘，并且在若干蚀刻和清洁步骤(S3)中将桥接电路层图案化成桥接电路，桥接电路包括接触区域和连接接触区域的桥接结构，所述桥接结构被布置用于在桥接结构被与接触区域接触的起爆器电路熔断时形成等离子体；以及优选地以两次或更多次涂覆迭代(例如，2-15次)将聚合物层旋涂(S4)到桥接结构上，用于形成飞片，飞片被推动远离基底。
桥接电路被图案化，以包括接触区域和连接接触区域的桥接结构，由此被布置用于在桥接结构被与接触区域接触的起爆器电路熔断时形成等离子体。
整个工艺可以利用本领域技术人员已知的(外延)硅工艺来实施。因此，生产可以提供能被大量生产的精密并且可重现的产品。该工艺的进一步的特征和优点如下。厚层金属的气相沉积导致层中的张力。溅射工艺可能是更好的解决方案。
几微米的层是可能的，但是需要几个处理步骤，误差估计在200-300nm的范围内，例如铝。卡普顿(kapton)层也可以在几个层中被处理。层的尺寸中的误差在2％以内应该是可能的，然而由于蒸发、溅射和蚀刻工艺的灵敏度，层厚度更成为问题。
在基于硅的桥的顶部上的聚酰亚胺层的其他组装技术可能是不够的，并且可能破坏桥接电路。为此，液态聚酰亚胺(通过高温固化)的旋转技术是有利的。使用液态聚酰亚胺的不同生产技术已被用于该固态设备。固化工艺取决于温度。聚酰亚胺层的厚度很大程度上取决于晶片的旋转速度和材料的粘度。由于芯片上不同层的高度差异(桥接层上高出约7微米的Al层和低至SiO2层3-4微米)，旋转工艺导致PI层在桥上比在铝层上厚2-3微米。为了在爆炸桥的周围得到合适的层厚度，可以考虑这种差异，同时考虑固化期间聚合物层的收缩。
表1PI的性能作为固化工艺的功能
Figure BDA0001570663160000081
所公开的产品和工艺具有可在不施加任何力的情况下接受晶片旋转的优点。它被应用于液态，并且没有空气将被困在层的下面。根据固化温度和时间，可以改变材料属性，如最大应变和抗张强度。
层厚度可被改变成高达约100微米的所需的任何厚度。
层厚度的误差可以是大约+/-1.0微米。
使用标准掩模技术，聚酰亚胺可以以任何形式或位置被施加在晶片/管芯上。
虽然示出了用于系统和方法的示例实施例，但是本领域技术人员也可以从本公开的益处中想到替代方式，以实现类似功能和结果。例如，一些组件可被组合或分成一个或多个替代组件。
例如，上述讨论旨在仅说明本系统，而不应被解释为将随附权利要求限制于任何特定实施例或实施例的组。因此，虽然已经参考本发明的具体示例性实施例具体描述了本系统，但是还应当理解，本领域普通技术人员可以设计出许多修改和替换实施例，而不脱离如权利要求中所提出的本系统和方法的范围。因此，说明书和附图被视为说明性的方式，而不旨在限制随附权利要求的范围。
在解释随附权利要求时，应当理解，单词“包括”不排除给定权利要求中所列的那些之外的其他要素或动作的存在；在要素之前的单词“一”不排除多个这样的要素的存在；权利要求中的任何附图标记不限制它们的范围；若干“装置”可通过相同或不同的项目或实现的结构或功能来表示；任何公开的设备或其部分可被组合在一起或分成更多的部分，除非另外具体地说明。在互不相同的权利要求中记载的特定手段的唯一事实不表示这些手段的组合不能用来占优。

Claims (10)

1.一种集成电路起爆器设备，包括：
-提供有电绝缘层的电路基底；
-沉积在所述电绝缘层上的导电桥接电路；
-所述导电桥接电路被图案化为接触区域以及连接所述接触区域的桥接结构，所述桥接结构被布置用于在所述桥接结构被与所述接触区域接触的起爆器电路熔断时形成等离子体；
-旋涂在所述桥接结构上的聚合物层，用于形成通过所形成的等离子体被推动远离所述基底的飞片，
其中被图案化为接触区域以及连接所述接触区域的桥接结构的所述导电桥接电路在掺杂硅层中被图案化，所述掺杂硅层外延沉积在所述电绝缘层上，其中所述掺杂硅层包括来自III族元素的掺杂剂，并且其中所述导电桥接电路具有小于2*10-5欧姆米的欧姆电阻。
2.根据权利要求1所述的起爆器设备，其中所述聚合物层具有小于50微米的层厚度。
3.根据权利要求2所述的起爆器设备，其中所述聚合物层被图案化。
4.根据权利要求1所述的起爆器设备，其中所述导电桥接电路具有小于4微米的层厚度。
5.根据权利要求1所述的起爆器设备，其中所述桥接结构由锥形区域形成，所述锥形区域从接触区域延伸到桥接区域中，所述桥接区域限定沿所述接触区域之间的最短连接路径的电流流动方向；所述桥接区域具有横向于所述最短连接路径的连接部分。
6.根据权利要求5所述的起爆器设备，其中所述桥接区域通过圆形边缘连接到所述锥形区域。
7.根据权利要求1所述的起爆器设备，其中所述电绝缘层为二氧化硅层。
8.根据权利要求5所述的起爆器设备，其中所述接触区域被提供有金属互连焊盘。
9.根据权利要求8所述的起爆器设备，其中所述金属互连焊盘由延伸到所述锥形区域中的铝沉积物形成。
10.根据上述权利要求中任一项所述的起爆器设备，进一步包括用于引导所述飞片的筒体结构。
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