CN204325183U - 一种复合自加热反射层聚能的半导体点火桥 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种复合自加热反射层聚能的半导体点火桥，由基底层、绝缘层、反射层、半导体桥层、分立焊锡层和分立的电极层自下而上顺序叠加而成；矩形半导体硅构成基底层；与基底层同尺寸的二氧化硅构成绝缘层，绝缘层覆盖在基底层上；反射层由浓硼（或磷）扩散掺杂的单晶硅制成，尺寸同基底层，沉积在绝缘层之上；半导体桥层由浓硼（或磷）注入掺杂的多晶硅组成，形状两端宽中间窄；半导体桥层两端上分别涂覆焊锡层；然后电极层直接高温键合在焊锡层上。本实用新型具有电能利用率高、点火输出大、发火瞬发性好的功能。

Description

一种复合自加热反射层聚能的半导体点火桥

技术领域

本发明属于电火工品的基础部件的领域，涉及一种半导体点火桥，具体是一种复合自加热反射层聚能的半导体点火桥。

背景技术

电火工品是将电能转换为引发含能材料燃烧、爆炸和做功起始能量的装置，在武器装备、空天发射、微纳卫星姿态调控、爆破和汽车安全气囊等领域广泛应用，其微纳化制造并一体化集成是现代装备制造领域与国防科技中轻量化、小型化、灵巧化不可回避的任务。MEMS发火器件既兼有MEMS小尺寸、可大规模制造、低成本、高功能集成的优势，又可极大减少火工品中敏感发火药剂用量，进而降低制造火工品的危险和对环境的污染，因此是发火火工品工业开发、科学研究的热点之一。

半导体点火桥是目前应用最广泛的MEMS(微机电系统)电发火火工品之一。原因在于：（1）半导体是微器件的主要原材料，因此半导体点火桥与微制造工艺具有无缝的兼容性；（2）半导体不同于金属电阻材料具有负电阻系数，当半导体中有电流通过时，电阻随着电热的累积而逐渐降低，导致电流密度快速增大，电热换能效率急剧增加；同时随着电热的累积，固态的半导体点火桥迅速汽化形成高温等离子体，这些等离子体高速扩散到与其相邻的烟火剂或猛炸药中，热量传递极快。因此，半导体点火桥具有远高于传统电桥丝的换能效率和传热速率，可实现高速发火和低能点火；（3）由于（2）的原因，极少量的半导体即可以实现大体积电桥丝传递的热量，因此半导体点火桥体积很小，约为电桥丝的1/30，满足发火器件微小型要求。

然而半导体点火桥一直存在发火输出不足问题，输出能量甚至低于输入能量，点火可靠性受到严重影响，为此提高半导体点火桥输出成为半导体点火桥的主要改进方向。Benson等在美国专利（专利号US4976200）中介绍了采用钨单层复合半导体点火桥，Bernardo则在美国专利（专利号US6133146）进一步提出采用钨、钛双金属复合半导体点火桥，这些金属复合措施可以改善半导体点火桥的点火输出，但是因为金属本身并不发生化学反应提供额外能量，故对半导体点火桥发火输出改善效果并不显著。因此中国专利（专利号CN203572337U、CN203572338U）、欧洲专利（专利号EP1315941B1、EP1798512B1）、美国专利（专利号US6772692、US6810815B2、US6925938、US7748323、US20060081146）和文献“Improving reliability of SCB initiators based on Al Ni multilayer nanofilms”、“Characterization of Al-CuO nanoenergetic multilayer films integrated with semiconductor bridge for initiator applications”、“Energetic semiconductor bridge device incorporating Al MoOx multilayer nanofilms and negative temperature coefficient thermistor chip”、“基于Al／MoOx纳米复合薄膜的含能半导体桥研究”中采用亚稳金属间化合物或铝热剂体系等会发生化合反应释放额外能量的纳米含能体系作为半导体点火桥的复合物，显著改善了半导体点火桥的发火输出。然而复合纳米含能薄膜增加了半导体点火桥点火器件制备环节，提高了生产成本；同时纳米尺度下上述亚稳含能薄膜反应活性急剧增加，不利于安全生产；另外制备纳米含能薄膜时总容易存在空洞、晶格错乱等薄膜工艺常见缺陷，纳米含能体系组分间及纳米含能体系与半导体点火桥间受热膨胀系数存在差异，制备的复合半导体点火桥平整性差、均匀性低，导致薄膜厚度不可控，在接入电流发火时容易造成薄处先点火等意外发火现象。为此，采取其他措施改善半导体点火桥发火输出的探索一直未曾停止。

实际上半导体点火桥的发火输出低于发火输入，意味着半导体点火桥在发火过程中存在能量损耗，因此可以通过减少甚至吸收利用损耗的能量来提高发火器件的输出能量。如徐禄等采用导热差的G10管壳可以降低半导体点火桥基火工品的热损失。热障材料实现绝热效果需要一定厚度，但为保证微器件的小尺寸特色，热障材料厚度应受限制。因此,采用热障材料时降低器件热损耗与实现器件微小型化存在矛盾。同时热障材料由于导热差，容易受热不均匀，接近半导体桥面温度很高而远离面低，两者温差大，容易造成热障材料中巨大热应力而破裂；热障材料与半导体桥层材质不一致，存在热传导界面热容，热障材料屏蔽的热传递给半导体桥层有障碍；另外热障材料与半导体桥层料受热膨胀系数不一致，半导体桥瞬间受热时容易造成半导体桥破坏。

发明内容

本发明的目的就是提供一种复合自加热反射层聚能的半导体点火桥，解决现有半导体点火桥发火能量低问题，同时能适应微引信、微卫星、微推进器和汽车安全气囊微点火装置的需要。

本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：

一种复合自加热反射层聚能的半导体点火桥，包括基底层、绝缘层、半导体桥层、分立的焊锡层、分立的电极层，其特征在于：还包括吸热聚能反射层，所述基底层、绝缘层、吸热聚能反射层、半导体桥层、分立的焊锡层、分立的电极层自下而上顺序叠加；所述基底层、绝缘层、吸热聚能反射层形状均为矩形、尺寸相同，所述半导体桥层中间窄两端宽，在半导体桥层两端宽的部分通过所述分立的焊锡层均匀沾附所述分立的电极层；所述分立的焊锡层形状随机，厚度要使分立的电极层与半导体桥层平整的键合，且不遮盖半导体桥层中间窄的部分；

所述基底层为半导体硅；所述绝缘层为二氧化硅；所述吸热聚能反射层由浓硼（或磷）扩散掺杂的单晶硅制成，沉积在绝缘层之上；所述半导体桥层由浓硼（或磷）注入掺杂的多晶硅组成；所述半导体桥层两端上分别涂覆分立的焊锡层；所述分立的电极层直接高温键合在分立的焊锡层上。

本发明对比已有技术的创新之处是在半导体点火桥中使用自加热反射层聚能，本发明显著优点是：

1、吸热聚能反射层吸收半导体桥层背向热辐射而自加热，吸热聚能反射层温度升高，变成辐射源，向半导体桥层辐射热量起到聚能作用，减少了半导体点火桥的热散失，提高了能量利用率和总体发火输出，这有利于提高半导体发火桥的点火能力和可靠性。吸热聚能反射层由半导体硅经浓硼扩散掺杂制得，硅的能级分布将发生改变，某些特定的能级分布状态将有利于硅从环境吸收热辐射，使硅变成自吸热聚能材料，这是半导体工业中制备MEMS红外光源、进行太阳能采集的通用方法。因此，通过适当的控制硅中硼掺杂浓度可以调控得到所需能级分布，进而使硅成为高效热吸收材料。半导体硅的浓硼扩散掺杂工艺是成熟且常用的微电子工业工艺，简单易实现。同时微电子工业亦积累了丰富的掺杂浓度控制理论和技术，对硅中扩散硼浓度控制也极为成熟，因此可以采用这些理论和技术得到合适的掺杂浓度进而获得所需硅能级分布。

2、本发明增加了吸热聚能反射层后，因为半导体点火桥热散失的减少有利于半导体点火桥热累积速率的加快，缩短热积累的时间，进而到达高温等离子化时间也相应缩短，从而减少半导体点火桥发火延迟时间，提高了其发火瞬发性。

3、本发明中的吸热聚能热反射层可以做的很薄，故对半导体点火桥微小型化影响不大，吸热聚能反射层的制备采用通用薄膜沉积微制造工艺完成，能够薄至1~3um；同时吸热聚能层是浓硼掺杂硅，与半导体桥层的界面相容性比较好，界面热容很小有利于热传递；两者膨胀系数也差异不大，有利于受热协调变形，避免异质材料膨胀不一致引起的应力破坏。

附图说明

图1是本发明点火桥的横向剖视图。

图2是本发明中采用蝶形半导体桥层的点火桥的俯视图。

图3是本发明中采用H形半导体桥层的点火桥的俯视图。

图中1、基底层；2、绝缘层；3、吸热聚能反射层；4、半导体桥层；5、焊锡层；6、电极层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

一种复合自加热反射层聚能的半导体点火桥，如图1所示，点火桥桥体由基底层1、绝缘层2、吸热聚能反射层3、半导体桥层4、分立的焊锡层5和分立的电极层6（电极1、电极2）自下而上顺序叠加而成；基底层1、绝缘层2、吸热聚能反射层3形状均为矩形、尺寸相同，半导体桥层4中间窄两端宽，如图2和图3所示，可以为蝶形、H型，也可以是更加复杂的形状，分立的电极层6互相分离，覆盖在半导体桥层4两端宽的部分；焊锡层5形状随机，厚度尽可能薄，但是要互相分离，不遮盖半导体桥层4中间窄的部分，也要均匀沾附电极层6底面，以使电极层6平整的与半导体桥层4键合。

本发明采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、紫外曝光等微制造加工技术完成制作；可以直接以市售SOI（绝缘体上硅）材料为基本材料，SOI材料自下而上由硅衬底层、二氧化硅层和单晶硅层组成；以SOI的硅衬底层为本发明半导体点火桥的基底层1，二氧化硅层为本发明半导体点火桥的绝缘层2，绝缘层2覆盖在基底层1上，以SOI材料的单晶硅层为本发明半导体点火桥的吸热聚能反射层3，吸热聚能反射层3覆盖在绝缘层2上；加工处理的具体过程如下：

以稀硫酸溶液120^◦C下清洗20min、氨水75^◦C下清洗15min，然后在在超声浴中分别使用丙酮、乙醇和去离子水对SOI材料进行清洗1 0min，清洗SOI材料上的残留金属杂质、有机杂质等，清洗步骤完成后在空气中吹干放入120^◦C烘箱中烘1h以上，备用；然后通过硅材料标准减薄工艺对SOI材料的单晶硅层进行减薄，使该单晶硅层厚度达到所需的1~3um；然后将减薄的SOI材料送入高温扩散炉，炉温为1050^◦C，硼原子从固态源中转移到扩散炉内，再扩散进入SOI材料的单晶硅层，持续300min；然后炉温升至1150^◦C，持续450min，使扩散进入SOI材料单晶硅层中的硼发生再分布，此时硼离子扩散至整个单晶硅层，以此单晶硅层为吸热聚能反射层3；接着在吸热聚能反射层3上采用低压化学气相沉积法沉积（压力30Pa、沉积温度600°C，硅烷流量20sccm、沉积速率6.5nm/min）一层约2μm的多晶硅层，然后进行离子注入硼掺杂（能量为110keV、束流为1μA，最终注入剂量5.0X10¹⁷/cm²）。使用光刻（光刻流程为：120°C涂粘附剂-旋涂1.5um厚的AZ5214薄正性光刻胶-95°C前烘-Hard模式下UV曝光1min-在市售正胶显影液SZX-3038中显影140s-在真空干燥箱中135°C坚膜15min）和电感耦合等离子体干法刻蚀方法（刻蚀条件为：ICP-2B型刻蚀机，SF6作为刻蚀气体，刻蚀时间设定为23min）刻蚀多晶硅层上没有正胶保护的部位，然后使用丙酮、酒精、去离子水依次进行清洗去胶，完成半导体桥层4制作；然后使用手持式电热探头熔融焊丝，在半导体桥层4两端宽处各涂覆分立的焊锡层5，并各自键合上电极层6，所述电极层6可选择的金属为铂、钛、铬、金、铜、或铝，形状可为圆形、正方形、长方形或三角形。

本发明的半导体点火桥工作时，电能经分立的电极层6传递给半导体桥层4，半导体桥层4把电能转换为热并大部分被其吸收，半导体桥层4受热汽化然后电离为弱等离子体，等离子物质可迅速扩散到附近的含能材料内，扩散进去的等离子物质迅速在含能材料中冷却凝固，而所携带的热量则留在含能材料内。半导体桥层4总质量可由附近含能材料临界反应阈值决定，以保证在耗尽前引发含能材料开始反应实现点火为依据。在半导体桥层4受热熔融、汽化、等离子化和传递热量过程中，热量向环境散失总是存在，位于半导体桥层4背向的吸热聚能反射层3具有自吸收热辐射的作用，能够吸收半导体桥层4散失出来的热量，并反辐射给半导体桥层4起到自加热作用，因而减少了整个半导体桥层4向环境的热散失。

Claims (7)

1.一种复合自加热反射层聚能的半导体点火桥，包括基底层[1]、绝缘层[2]、半导体桥层[4]、分立的焊锡层[5]、分立的电极层[6]，其特征在于：还包括吸热聚能反射层[3]，所述基底层[1]、绝缘层[2]、吸热聚能反射层[3]、半导体桥层[4]、分立的焊锡层[5]、分立的电极层[6]自下而上顺序叠加；所述基底层[1]、绝缘层[2]、吸热聚能反射层[3]形状均为矩形、尺寸相同，所述半导体桥层[4]中间窄两端宽，在半导体桥层[4]两端宽的部分通过所述分立的焊锡层[5]均匀沾附所述分立的电极层[6]；所述分立的焊锡层[5]形状随机，厚度要使分立的电极层[6]与半导体桥层[4]平整的键合，且不遮盖半导体桥层[4]中间窄的部分。

2.根据权利要求1所述的一种复合自加热反射层聚能的半导体点火桥，其特征在于：所述吸热聚能反射层[3]厚度为1~3um。

3.根据权利要求1所述的一种复合自加热反射层聚能的半导体点火桥，其特征在于：所述吸热聚能反射层[3]选择p型掺杂或n型掺杂。

4.根据权利要求1所述的一种复合自加热反射层聚能的半导体点火桥，其特征在于：所述半导体桥层[4]选择p型掺杂或n型掺杂。

5.根据权利要求1所述的一种复合自加热反射层聚能的半导体点火桥，其特征在于：所述电极层[6]材质为铂、钛、铬、金、铜、或铝。

6.根据权利要求1所述的一种复合自加热反射层聚能的半导体点火桥，其特征在于：所述电极层[6]形状为圆形、正方形、长方形或三角形。

7.根据权利要求1所述的一种复合自加热反射层聚能的半导体点火桥，其特征在于：所述半导体桥层[4]采用低压化学气相沉积法和光刻法制得。