CN112923801A - 采用pcb工艺制备的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于点火和起爆领域，具体涉及一种采用PCB工艺的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法。包括如下步骤：(1)制备Cu桥箔层：在一块双面覆铜板的顶层采用内层光刻和内层刻蚀的PCB工艺实现桥箔层的图形化；(2)压合：将双面覆铜板和另一块PCB基板，通过PP片压合成为一体；(3)在PCB基板中制备飞片层、加速膛和药柱室；(4)制备过孔：采用钻孔和镀通孔技术在压合后的基片和基板中制备过孔，实现电路的连接；(5)制备底部焊盘。本发明采用PCB工艺批量制备微芯片爆炸箔起爆器，所得McEFI一致性好、体积小、价格低，并且抗高过载，有利于拓宽EFI的应用范围，使得武器系统都能使用安全可靠的McEFI作为点火器和起爆器。

Description

采用PCB工艺制备的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法
技术领域
本发明属于直列式钝感点火和起爆技术领域，具体涉及一种采用PCB工艺制备的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法。
背景技术
爆炸箔起爆器(Exploding Foil Initiator，EFI)由基片、桥箔、飞片层、加速膛、药柱室和炸药柱组成，由于序列中无起爆药且桥箔与炸药柱之间不直接接触，因此EFI是一种极其安全和可靠的直列式点火和起爆装置。具体而言，在由脉冲高压电容、高压开关和EFI组成的电容放电单元中，高压开关控制高压电容放电，释放短脉冲大电流；电流流经桥箔，使桥箔发生电爆炸并产生大量气体和等离子体；迅速膨胀的气体和等离子体在加速膛口剪切飞片，进一步在加速膛内驱动飞片，出加速膛口后飞片达到数km/s的速度；高速飞片冲击紧贴加速膛口的炸药，实现点火或者起爆功能。传统的EFI采用手动对准安装分立元件的方式制备，导致效率低、精度低、一致性差、成本高，并且产品不具备耐高冲击过载的能力，这些缺点严重制约了EFI在低附加值弹药中的应用。
PCB工艺是一种能够以低成本批量制备电子线路的成熟技术，既是电子元器件，又是电气连接的提供者，支持组件和功能的模块化集成。PCB工艺尤其适用于多层板的制作，加大了设计灵活性，缩小了装置体积，提高了自动化水平。因此已经有不少研究利用该工艺研制了各种机电相结合的芯片装置(lab-on-PCB chips)。近年来，随着超细微孔和盲埋孔等钻孔加工及其关键技术的突破，使得PCB工艺加工精度大幅提升、成本极大降低，拓宽了PCB工艺的应用范围。
发明内容
本发明在于提供一种采用PCB工艺制备的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种采用PCB工艺制备微芯片爆炸箔起爆器的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：制备Cu桥箔层：在一块双面覆铜板的顶层采用内层光刻和内层刻蚀的PCB工艺实现桥箔层的图形化；
步骤(2)：压合：将双面覆铜板和另一块PCB基板，通过PP片压合为一体；
步骤(3)：制备飞片层、加速膛和药柱室：在顶部基板中通过控深钻工艺制备中空相连的加速膛和药柱室，并且预留一定厚度的基板作为飞片层的一部分，飞片层的总厚度为PP片和控深预留基板的厚度之和；
步骤(4)：制备过孔：采用钻孔和镀通孔技术在压合后的基片和基板中制备过孔，实现电路的连接；
步骤(5)：制备底部焊盘：采用光刻和刻蚀工艺在双面覆铜板的底层制备焊盘。
进一步的，步骤(1)中采用的双面覆铜板的厚度为0.5mm-5mm。
进一步的，步骤(1)制备的Cu桥箔层包括焊盘区，截面积最小的爆炸桥箔，以及连接焊盘区和桥箔的截面积逐渐减小的过渡区。
进一步的，所述焊盘区尺寸为：长0.5mm-10mm×宽1mm-20mm；过渡区为截面减缩区域，长度为0.5mm-20mm；桥箔的横截面为矩形、方波形、S形、“万”字形的任一种或者任几种的串、并联形式，等效边长为0.1mm-1mm，厚度为2μm-36μm。
进一步的，所述PP片的厚度为10μm-25μm；PP片的材料主要由树脂和增强材料组成，增强材料优选为玻璃纤维布。
进一步的，所述基板为PCB板基板，厚度为0.2mm-10mm；所述飞片层的厚度为10μm-100μm。
进一步的，所述加速膛位于基板内部，为一个中空的圆柱或者长方体，其底部与飞片层紧贴，中空圆柱的尺寸为直径0.1mm-2mm×高0.1mm-2mm，中空长方体尺寸为长0.1mm-2mm×宽0.1mm-2mm×高0.1mm-2mm；
所述药柱室位于基板内部，为一中空的圆柱，其底部紧贴加速膛，尺寸为直径2mm-10mm×高0.2mm-5mm。
进一步的，所述过孔贯穿基板和基片，能够实现通过插针或脚线的方式实现电气连接，以及仅在底层双面覆铜板做盲孔，通过底部焊盘的形式导通脉冲大电流。
进一步的，所述底部焊盘的材料为Cu，尺寸为长0.5mm-10mm×宽1mm-20mm。
一种微芯片爆炸箔起爆器，采用上述的方法制备。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
本申请采用印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)工艺制备微芯片爆炸箔起爆器(Micro-chip Exploding Foil Initiator,McEFI)，工艺简单有效、一致性好，获得的产品体积小、价格低，并且具有抗高冲击过载的特性；这些优点有利于拓宽EFI的应用范围，促进点火和起爆技术领域的发展，使得武器弹药系统朝向小型、安全、可检和可靠的方向发展。
附图说明
图1是本发明基于PCB工艺制备的McEFI的立体图。
图2是本发明基于PCB工艺制备的McEFI的主视图。
图3是本发明基于PCB工艺制备的McEFI的俯视图。
图4是本发明基于PCB工艺制备McEFI的工艺流程图，其中图(a)为光刻和刻蚀覆铜板得到的Cu桥箔层的主视图，图(a′)为光刻和刻蚀覆铜板得到的Cu桥箔层的俯视图；图(b)为采用半固化片(Prepreg，PP片)将两块PCB基板压合之后的主视图，图(b′)为采用PP片将两块PCB基板压合之后的俯视图；图(c)为采用控深钻工艺制备的加速膛和药柱室，采用镀通孔技术(Plated-Through-Hole technology，PTH)制备的金属化过孔，以及采用光刻和刻蚀工艺制备的底部焊盘的主视图，图(c′)为采用控深钻工艺制备的加速膛和药柱室，采用镀通孔技术(PTH)制备的金属化过孔，以及采用光刻和刻蚀工艺制备的底部焊盘的俯视图。
附图标记说明：
1-基片，2-Cu桥箔层，21-焊盘区，22-过渡区，23-桥箔，3-半固化片，4-基板，5-加速膛，6-药柱室，7-过孔，8-底部焊盘。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
基于PCB工艺制备的微芯片爆炸箔起爆器(Micro Chip Exploding FoilInitiator,McEFI)，如图1-3所示，所述基于PCB工艺的McEFI主要包括基片1、Cu桥箔层2、PP片3、基板4、加速膛5、药柱室6、过孔7和底部焊盘8。
所述基片1在McEFI中作为其余部件的载体，并且作反射背板，约束桥箔23电爆炸产生的气体和等离子体向上运动剪切并驱动飞片。
所述Cu桥箔层2通过光刻和刻蚀覆铜板的方法制备，包括焊盘区21、过渡区22和桥箔23，脉冲大电流从焊盘区21经过过渡区22流经桥箔23，电流密度逐渐增大，有利于能量的汇聚积累，促使桥箔23发生电爆炸，进而产生大量气体和等离子体。
所述飞片层采用一定厚度的PP片和基板(PP片的材质和基板的材质可以相同，也可以不同)。
所述PP片3的材料主要由树脂和增强材料组成，增强材料优选为玻璃纤维布。
所述加速膛5和药柱室6在PCB基板4中制备而得，两者为中空相连的结构。
所述过孔7采用钻孔和镀通孔技术(Plated-Through-Hole technology，PTH)制备。
所述底部焊盘8采用光刻和刻蚀工艺制备。
所述McEFI可以用于直列式点火和直列式起爆领域。
结合图1至图3，所述基于PCB工艺的McEFI主要包括基片1、Cu桥箔层2、PP片3、基板4、加速膛5、药柱室6、过孔7和底部焊盘8。该McEFI的制备过程如下：
第一步，采用电镀工艺制备PCB双面覆铜板，PCB基板作为McEFI的基片1；
第二步，制备Cu桥箔层2：采用内层光刻(涂覆干膜、曝光、显影)和内层刻蚀的PCB工艺实现桥箔层的图形化，制备出焊盘区21、过渡区22和Cu桥箔23；
第三步，压合：将1、4两块基板，通过PP片压合为一体；
第四步，制备飞片层、加速膛5和药柱室6：在顶部基板中通过控深钻工艺制备加速膛和药柱室，两者为中空相连的结构，并且预留一定厚度基材作为飞片层的一部分，飞片层的总厚度为PP片和控深预留基板的厚度之和；
第五步，制备过孔7：采用钻孔和PTH制备；
第六步，制备底部焊盘8：采用光刻和刻蚀工艺制备特定结构的焊盘。
实施例1
本实施案例结合图4，包括以下步骤(注：图4中的左右两图分别为制备工艺的主视图和俯视图)：
第一步，见图4(a)和(a′)，采用内层涂覆、曝光、显影和内层刻蚀等PCB工艺实现桥箔层的图形化，制备出焊盘区21、过渡区22和Cu桥箔23。相关尺寸为：覆铜板基材为FR-4，基板1尺寸为长6mm×宽3.5mm×高1mm，其上Cu厚4μm；焊盘2为长1.5mm×宽3mm；桥箔23长0.4mm×宽0.4mm。
第二步，见图4(b)和(b′)，将覆铜板1和覆铜板基板4，通过PP片3压合。相关尺寸为：PP片厚度为25μm；覆铜板基板4，材料为FR-4，尺寸为长6mm×宽3.5mm×高2mm。
第三步，见图4(c)和(c′)，在基板4中通过控深钻的工艺制备加速膛5和药柱室6。相关尺寸为：加速膛5直径0.6mm×高0.4mm；药柱室6直径2mm×高1.6mm。采用控深钻和PTH工艺制备通孔7，直径为1mm。采用光刻和刻蚀工艺制备特定结构的焊盘长1.5mm×宽3mm。

Claims (10)

1.一种采用PCB工艺制备微芯片爆炸箔起爆器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：制备Cu桥箔层：在一块双面覆铜板的顶层采用内层光刻和内层刻蚀的PCB工艺实现桥箔层的图形化；
步骤(2)：压合：将双面覆铜板和另一块PCB基板，通过PP片压合为一体；
步骤(3)：制备飞片层、加速膛和药柱室：在顶部基板中通过控深钻工艺制备中空相连的加速膛和药柱室，并且预留一定厚度的基板作为飞片层的一部分，飞片层的总厚度为PP片和控深预留基板的厚度之和；
步骤(4)：制备过孔：采用钻孔和镀通孔技术在压合后的基片和基板中制备过孔，实现电路的连接；
步骤(5)：制备底部焊盘：采用光刻和刻蚀工艺在双面覆铜板的底层制备焊盘。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中采用的双面覆铜板的厚度为0.5mm-5mm。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)制备的Cu桥箔层包括焊盘区，截面积最小的爆炸桥箔，以及连接焊盘区和桥箔的截面积逐渐减小的过渡区。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述焊盘区尺寸为：长0.5mm-10mm×宽1mm-20mm；过渡区为截面减缩区域，长度为0.5mm-20mm；桥箔的横截面为矩形、方波形、S形、“万”字形的任一种或者任几种的串、并联形式，等效边长为0.1mm-1mm，厚度为2μm-36μm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述PP片的厚度为10μm-25μm；PP片的材料主要由树脂和增强材料组成，增强材料优选为玻璃纤维布。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基板为PCB板基板，厚度为0.2mm-10mm；所述飞片层的厚度为10μm-100μm。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述加速膛位于基板内部，为一个中空的圆柱或者长方体，其底部与飞片层紧贴，中空圆柱的尺寸为直径0.1mm-2mm×高0.1mm-2mm，中空长方体尺寸为长0.1mm-2mm×宽0.1mm-2mm×高0.1mm-2mm；
所述药柱室位于基板内部，为一中空的圆柱，其底部紧贴加速膛，尺寸为直径2mm-10mm×高0.2mm-5mm。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通孔贯穿基板和基片，能够实现通过插针或脚线的方式实现电气连接，以及仅在底层双面覆铜板做盲孔，通过底部焊盘的形式导通脉冲大电流。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述底部焊盘的材料为Cu，尺寸为长0.5mm-10mm×宽1mm-20mm。
10.一种微芯片爆炸箔起爆器，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的方法制备。
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