CN110243238A - 低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置及其制备方法。低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置包括：Si基底、高电导率金属层、飞片层、加速膛层和钝感药柱，在Si基底、Au/Ag/Cu/Al等高电导率金属层上制作爆炸箔和开关，在聚氯代对二甲苯Parylene C或者聚酰亚胺PI飞片、金属Au/Cu层上制作复合飞片层，加速膛层采用Su8光刻胶光刻显影制造，钝感药柱紧贴加速膛层。起爆装置的制作方法采用MEMS工艺，流程简便，使得该型起爆装置成本低，体积小。由于采用了多晶Si基底，低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置兼具半导体桥低能触发与冷阴极真空开关相比和爆炸箔高能发火KV级电压、KA级电流的特性，具有高安全性、高可靠性。

Description

低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及低能微型点火起爆装置件技术领域，特别是一种低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置及其制备方法。

背景技术

爆炸箔也称为冲击片雷管(slapper)，主要包括金属桥箱、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FMU-152A/B联合编程引信、Paveway IV激光制导炸弹、MK83和BLU-109等精确制导导弹等都采用了爆炸箔起爆系统。

半导体桥(Semiconductor Bridge，简称SCB)是指利用半导体膜(或金属—半导体复合膜)做发火元件进而发展为利用微电子集成技术，使火工品具有逻辑功能的火工品。它具有高瞬发度、高安全性、高可靠性、低发火能量以及能与数字逻辑电路组合等优点。

爆炸箔和半导体桥雷管是20世纪90年代后期发展起来的两种新的起爆技术，不但用于起爆，而且还可用于点火，两种起爆技术各有优缺点。故此，本专利提出一种不含敏感起爆药和低密度猛炸药的低能触发Si基爆炸箔起爆装置，对爆炸箔起爆技术与半导体桥技术各自优点进行综合，可以实现低能触发、高能起爆(KV级电压、KA级电流)，可用于直列式电子安全系统，对我国弹药安全、可靠、钝感化的发展有重大意义。

聚对二甲苯-C型(Parylene C)综合了优良的介电性能和物理机械性能，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，可以提供真正的无针孔覆形隔离，并且满足美军标MIL-46058C。

聚酰亚胺PI是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达400℃以上，长期使用温度范围-200～300℃，无明显熔点，高绝缘性能，作为特种工程材料，已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。

Parylene C/PI常常作为爆炸箔起爆装置的飞片。

SU-8光刻胶克服了普通光刻胶采用UV光刻深宽比不足的问题，十分适合于制备高深宽比微结构，因此SU-8胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶。在近紫外光(365nm-400nm)范围内光吸收度很低，且整个光刻胶层所获得的曝光量均匀一致，可得到具有垂直侧壁和高深宽比的厚膜图形；还具有良好的力学性能、抗化学腐蚀性和热稳定性；SU-8在受到紫外辐射后发生交联，是一种化学扩大负性胶，可以形成台阶等结构复杂的图形；且SU-8胶不导电，在电镀时可以直接作为绝缘体使用。SU-8胶正被应用于MFMS、芯片封装和微加工等领域。故此，采用MEMS加工工艺利用SU-8光刻胶制作爆炸箔起爆装置的加速膛层和开关的封装层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、安全可靠的低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置，爆炸箔起爆装置包括多晶Si基底，金属焊盘，爆炸桥箔，飞片，加速膛，钝感药柱，Si开关；Si基片上刻蚀出爆炸箔桥区、半导体开关桥区，预留金属焊盘区；金属焊盘为高导电率的金属沉积在爆炸桥箔及Si开关上，且用于调节多晶Si方形桥区和Si开关的电阻；的加速膛层制作为带有2个圆孔的薄片层，其中一个位于开关正上方，为开关电爆留出空间；另一个位于爆炸箔桥区正上方，用于飞片加速。

进一步的，多晶Si基片上直接刻蚀出爆炸桥箔区，通过将高电导率金属通过磁控溅射沉积在Si基片爆炸桥箔区上来调节桥区电阻，。

进一步的，加速膛层设有的2个圆孔的薄片层中，一个位于开关正上方，为开关电爆留出空间，其直径是开关最小电极间隙的2-8倍；另一个位于爆炸箔桥区正上方，给飞片加速，其孔洞直径一般是爆炸桥区直径的1倍、√3倍或者2倍。

进一步的，加速膛层采用环氧树脂类光刻胶制成。

进一步的，Si开关可采用对顶三角形、两端宽中间窄的桥型。

一种低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置的制备方法：

第一步，对多晶Si基底1进行表面清洗，利用光刻工艺形成Si半导体桥箔、Si开关；

第二步，采用附加金属层调节半导体桥箔电阻，在硅基衬底表面磁控溅射沉积Au/Ag/Cu/Al等高电导率金属层，构成金属焊盘、桥箔区和Si开关，焊盘在两端较宽的部分，桥箔区为两端宽中间窄的桥型结构，中间桥区呈现矩形/方形；

第三步，制作飞片层，采用Chemask保护桥箔区3宽端和开关及爆炸箔的焊盘区，使桥箔区、开关区完全覆盖聚氯代对二甲苯或者聚酰亚胺，飞片层通过真空气相沉积原位制备；

第四步，制作金属复合飞片层，在飞片层上沉积Au/Cu等金属形成复合飞片层；

第五步，利用Su8光刻胶在爆炸桥箔区、开关对应的飞片层上制备Su8胶加速膛层；

第六步，在Su8胶加速膛上紧贴钝感药柱，并采用环氧树脂胶固化加速膛和钝感药柱交界面，或者加外壳约束；最后将六硝基茋-四型猛炸药进行装药。

进一步的，低能Si基爆炸箔起爆装置桥区的制备方法具体为：采用一体化制备桥区和Si开关；桥区采用光刻剥离工艺形成的Si半导体桥箔和磁控溅射沉积的Au/Ag/Cu/Al等金属桥箔层复合而成；开关采用光刻剥离工艺形成的Si半导体开关和磁控溅射沉积的Au/Ag/Cu/Al等金属层复合而成。

进一步的，钝感药柱采用对短脉冲敏感的钝感炸药六硝基茋-四型HNS-IV，其装药密度为理论最大密度1.74g/cm³的85％-95％，比表面积不小于25g/m²，起爆能量约0.2J。

本发明与现有技术相比，其创新点和显著优点是:(1)低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置将半导体桥和爆炸箔两者优点结合，利用MEMS工艺一体化制作半导体桥开关和爆炸箔，体积小、可靠性高；(2)飞片层采用Parylene C/PI等传统飞片层和Au/Cu等金属层复合形式，优点在于：既能提高飞片强度，保证飞片在剪切后的完整性，提高飞片起爆装药能力，又利于光子多普勒测速仪PDV测试飞片速度，更方便评估该低能触发爆炸箔的起爆能力；(3)在所述飞片层上方，利用Su8胶原位自组装形成加速膛和开关保护层，减少了工艺流程，成本低；(4)在工艺上，低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置采用MEMS工艺做Si基底、化学气相沉积CVD做Parylene C/PI层、磁控溅射镀金属层、Su8胶原位自组装形成加速膛、环氧树脂粘合钝感药柱，工艺简单、可靠，可实现标准化批量生产。

附图说明

图1是本发明低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置其中的立体图。

图2是本发明低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置其中的俯视图。

图3是本发明低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置的制作工艺流程图a～e。

图4是本发明低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置的电路连接原理图。

图5是本发明低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置几种设计的俯视图。

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。

实施例一

结合图1、2，所述爆炸箔起爆装置包括多晶Si基片1，金属焊盘2，爆炸桥箔3，复合飞片4，钝感药柱5，加速膛6，开关7；所述Si基片1上刻蚀出方形桥区3、Si开关7，预留焊盘区2，Au/Ag/Cu/Al等高电导率金属通过磁控溅射沉积在Si基片上形成金属焊盘2、爆炸桥箔3和开关7，沉积金属层的目的在于调节多晶Si方形桥区和开关电阻；所述爆炸桥箔3采用方形或者长方形设计，阻值按照方块电阻计算；所述飞片4采用Parylene C或者PI材质，用化学气相沉积CVD工艺制备；所述加速膛6采用SU-8光刻胶光刻显影制作成中间带有两个圆孔是矩形结构，与玻璃、陶瓷或高硬度金属相比，其机械性能优异、热稳定性和耐腐蚀性良好，具有自整平、对近紫外光敏感且吸收极小等优点；所述钝感药柱5常采用对短脉冲敏感的六硝基茋-四型HNS-IV。

结合图3，本发明所述低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置的一种制备方法，包括以下步骤注：图3a-3e左边为俯视图，右边为正视图:

第一步，见图3a，在4英寸大小、5mm厚的Si圆上划出多个10×15mm多晶Si基底，对多晶Si基底1进行表面清洗，采用AZ系列光刻胶，ICP刻蚀Si，经过Bosch工艺反复刻蚀、钝化，C₄F₈与SF₆分别作为钝化气体和刻蚀气体，再选取有机溶剂去胶，最后形成2mm深的Si槽，包含Si半导体桥箔3和Si开关7，上下焊盘区2面积均为2.5×4mm，左右焊盘区2面积均为2.0×4mm；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已圆弧形式均匀渐变为窄的部分即爆炸箔3，中心桥箔区3桥箔电阻设计为0.1-10Ω根据方块电阻设计计算，其面积设计为0.36×0.36mm，厚度5-10um；Si开关7设计为对顶三角形或者两端宽中间窄的桥型结构，电极最小间隙以对顶三角形为例，指半导体桥开关左右两边Si槽最小间隙0.1-0.5mm。

第二步，见图3a，采用附加金属层调节半导体桥箔电阻，通过磁控溅射工艺在硅基衬底表面沉积Au/Ag/Cu/Al等高电导率金属层，沉积厚度5-25um不等，构成金属Au/Ag/Cu/Al焊盘2、桥箔层3和开关7。同第一步，所述焊盘2在两端较宽的部分；所述桥箔区3为两端宽中间窄的桥型结构，中间桥区呈现矩形/方形，其电阻按照方块电阻计算；所述Si开关7为对顶三角形或者两端宽中间窄的桥型结构，电极最小间隙以对顶三角形为例，指开关半导体桥左右两边Si槽最小间隙0.1-0.5mm。

第三步，见图3b，制作Parylene C或者PI飞片层4:采用Chemask保护4个焊盘区2，除焊盘区2之外的其余部分完全覆盖Parylene C或者PI，Parylene C或者PI飞片层4采用真空气相沉积技术原位制备，沉积厚度一般为25-50um。

第四步，见图3c，在爆炸箔桥区3上方，Parylene C或者PI飞片层4上镀Au/Cu等金属形成复合金属飞片层4，可采用磁控溅射或电镀工艺，该金属层厚度25-50um。

第五步，见图3d，采用光刻工艺利用Su8光刻胶在Parylene C或者PI飞片层4上制备带有2个圆孔的Su8胶加速膛层6，一个圆孔位于爆炸桥箔区3正上方，作为加速膛，起着给飞片加速的作用，其直径设计为中心桥箔区3的1倍、√3倍或者2倍，即或者另一个位于开关7正上方，为半导体开关7的电爆预留空间，其直径设计为开关7电极间隙的2-4倍，即加速膛圆孔高度设计为飞片层的5-25倍，这里采用0.5-2.5mm。

第六步，见图3e，紧贴钝感药柱5在Su8胶加速膛6上，可采用环氧树脂粘合，或者外加封装约束的形式完成紧贴，装药采用对短脉冲敏感的六硝基茋-四型HNS-IV猛炸药，其装药密度为理论最大密度1.74g/cm³的85％-95％，比表面积不小于25g/m²，起爆能量约0.2J。

结合图4，该低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置低能触发、高能起爆的控制方式，其特征在于：在Si基开关集成爆炸箔起爆装置左右焊盘间预加2KV电压，此时，在主回路里的开关7处于断开状态，主回路无电流；然后，在半导体桥开关7上下电极上下焊盘间施加5A/5W的电能，开关7发生电爆，产生的等离子体让开关左右电极导通，爆炸箔主回路导通，在KV级大电压作用下，爆炸箔通过KA级大电流，于是，爆炸箔桥区3发生电爆，产生高温高压等离子体，剪切复合飞片4通过加速膛6，高速撞击钝感药柱5起爆炸药。

实施例二

结合图5，参照实施例一，区别在于爆炸桥箔3，Si开关7设计形状方面。爆炸桥箔3可采用方形、桥型，Si开关7可采用对顶三角形、桥型，包括但不限于这类形状的组合。

Claims (8)

1.一种低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置，其特征在于：所述爆炸箔起爆装置包括多晶Si基底(1)，金属焊盘(2)，爆炸桥箔(3)，飞片(4)，加速膛(6)，钝感药柱(5)，Si开关(7)；所述Si基片(1)上刻蚀出爆炸箔桥区(3)、半导体开关桥区(7)，预留金属焊盘(2)区；金属焊盘(2)为高导电率的金属沉积在爆炸桥箔(3)及Si开关(7)上，且用于调节多晶Si方形桥区(3)和Si开关(7)的电阻；所述的加速膛层(6)制作为带有2个圆孔的薄片层，其中一个位于开关(7)正上方，为开关电爆留出空间；另一个位于爆炸箔桥区正上方，用于飞片加速。

2.根据权利要求所述的低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置，其特征在于：所述的多晶Si基片(1)上直接刻蚀出爆炸桥箔区(3)，通过将高电导率金属通过磁控溅射沉积在Si基片爆炸桥箔区(3)上来调节桥区电阻，。

3.根据权利要求1所述的低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置，其特征在于：加速膛层(6)设有的2个圆孔的薄片层中，一个位于开关(7)正上方，为开关电爆留出空间，其直径是开关(7)最小电极间隙的2-8倍；另一个位于爆炸箔桥区正上方，给飞片加速，其孔洞直径一般是爆炸桥区(3)直径的1倍、√3倍或者2倍。

4.根据权利要求1或3所述的低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置，其特征在于：加速膛层(6)采用环氧树脂类光刻胶制成。

5.根据权利要求1所述的低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置，其特征在于：所述的Si开关(7)可采用对顶三角形、两端宽中间窄的桥型。

6.一种低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置的制备方法，其特征在于：

第一步，对多晶Si基底(1)进行表面清洗，利用光刻工艺形成Si半导体桥箔(3)、Si开关(7)；

第二步，采用附加金属层调节半导体桥箔电阻，在硅基衬底表面磁控溅射沉积Au/Ag/Cu/Al等高电导率金属层，构成金属焊盘(2)、桥箔区(3)和Si开关(7)，所述焊盘(2)在两端较宽的部分，所述桥箔区(3)为两端宽中间窄的桥型结构，中间桥区呈现矩形/方形；

第三步，制作飞片层(4)，采用Chemask保护桥箔区(3)宽端和开关及爆炸箔的焊盘区(2)，使桥箔区(3)、开关区(7)完全覆盖聚氯代对二甲苯或者聚酰亚胺，飞片层(4)通过真空气相沉积原位制备；

第四步，制作金属复合飞片层(4)，在飞片层(4)上沉积Au/Cu等金属形成复合飞片层(4)；

第五步，利用Su8光刻胶在爆炸桥箔区(3)、开关(7)对应的飞片层(4)上制备Su8胶加速膛层(6)；

第六步，在Su8胶加速膛(6)上紧贴钝感药柱(5)，并采用环氧树脂胶固化加速膛(6)和钝感药柱(5)交界面，或者加外壳约束；最后将六硝基茋-四型猛炸药进行装药。

7.根据权利要求6所述的低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置的制备方法，低能Si基爆炸箔起爆装置桥区(3)的制备方法具体为：采用一体化制备桥区(3)和Si开关(7)；桥区(3)采用光刻剥离工艺形成的Si半导体桥箔和磁控溅射沉积的Au/Ag/Cu/Al等金属桥箔层复合而成；开关(7)采用光刻剥离工艺形成的Si半导体开关和磁控溅射沉积的Au/Ag/Cu/Al等金属层复合而成。

8.根据权利要求6所述的低能触发Si基开关集成爆炸箔起爆装置的制备方法，其特征在于：钝感药柱(5)采用对短脉冲敏感的钝感炸药六硝基茋-四型(HNS-IV)，其装药密度为理论最大密度1.74g/cm³的85％-95％，比表面积不小于25g/m²，起爆能量约0.2J。