DE19930904B4

DE19930904B4 - Elektronische Auslöseeinheit zur Initiierung von pyrotechnischen Elementen

Info

Publication number: DE19930904B4
Application number: DE19930904A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Bornheim; Jan Dr. Petzold; Heinz Schäfer; Ulrich Steiner; Jürgen Zimmermann
Original assignee: Orica Explosives Technology Pty Ltd
Current assignee: Orica Explosives Technology Pty Ltd
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 1999-07-06
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2019-07-07
Also published as: US6781813B1; CA2378627A1; CA2313233A1; CA2313233C; ZA200200548B; WO2001002796A1; DE19930904A1; AU5816300A; AU775451B2; CA2378627C

Abstract

Bei elektronischen Auslöseeinrichtungen, insbesondere bei denen, die im Automotivbereich oder als Sprengzünder eingesetzt werden, werden alle Funktionen wie Überspannungsschutz, Begrenzerstrukturen, Filtereigenschaften, Zünderadreßzuordnungen, Entsicherungscodes und Einstellung der Verzögerungszeiten mit Hilfe einer aus elektronischen Bauteilen bestehenden Schaltung realisiert, die im wesentlichen aus einer von einem IC-Gehäuse umschlossenen, integrierten Schaltung besteht. Die Funktionsfähigkeit dieser Schaltung und ihre Sicherheit gegen Störungen sind die wichtigsten Qualitätskriterien. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, daß die Anschlüsse (12) des IC-Gehäuses (11) als Anschlußpunkte (15) für Prüfgeräte zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit der integrierten Schaltung (10) und der Zünderfunktion vorgesehen werden und zum Anschluß an externe elektronische Geräte zur Programmierung des elektronischen Zünders herangezogen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Auslöseeinheit für pyrotechnische Elemente wie Zündelemente, Gasgeneratoren, Gurtstraffer, elektronische Sprengzünder usw. entsprechend dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Bei elektronischen pyrotechnischen Systemen, insbesondere bei denen, die im Automotivbereich und als elektronischer Sprengzünder eingesetzt werden, werden alle Funktionen wie Überspannungsschutz, Begrenzerstrukturen, Filtereigenschaften, Adreßzuordnungen, Entsicherungcodes und Einstellung der Verzögerungszeiten mit Hilfe einer aus elektronischen Bauteilen bestehenden Schaltung realisiert. Kernstück ist eine integrierte Schaltung in einem Chip. Bedingt durch die kleine Bauform, z. B. eines Sprengzünders, ist der Chip platzsparend auf einer PCB-Leiterplatte (Printed Circuit Board) in der sogenannten CoB-Technik (Chip on Board) aufgebracht. Die Funktionszuverlässigkeit der Schaltung und ihre Sicherheit gegen Störungen sind die wichtigsten Qualitätskriterien.
Diese CoB-Technologie hat allerdings Nachteile, die zu Zuverlässigkeitsproblemen führen können. Aufgrund der relativ empfindlichen Bondstellen (Anschlussstellen der Halbleiterbauelemente) können im Produktionsprozeß durch die auftretenden mechanischen Streßbelastungen beim Löten, Schweißen, Stanzen, Fügen oder Schrumpfen, Schädigungen auftreten. Diese können im Extremfall zu Kontaktunterbrechungen oder instabilen Kontakten führen.

Aus diesem Grund ist es bereits bekannt, die integrierten Schaltungen (Kristalle) in einem IC-Gehäuse (Integrated Circuit) (z.B. SOT = Small Outline Transistor) unterzubringen. Ein elektronischer Zünder mit einem Chip in solch einem Gehäuse ist beispielsweise aus der EP 0616190 A1 bekannt, deren Erfindung einen Sprengzünder, insbesondere dessen Verzögerungsschaltung betrifft. Die Anordnung der Schaltungskomponenten mit ihren Anschlusspunkten bietet keine Möglichkeit, die Funktionsfähigkeit der integrierten Schaltung zu prüfen.

Am Zünder der deutschen Offenlegungsschrift DE 3942842 A1 sind die zur Programmierung der Programmiereinrichtung erforderlichen Leitungen aus dem Zünder herausgeführt.

Beim Zünder der europäischen Offenlegungsschrift EP 0942256 A1 ist das elektronische Bauteil vollständig von Kunststoff umgeben. Die Platine zeigt keine Möglichkeit, Prüfgeräte oder elektronische Geräte zur Programmierung oder Überprüfung der elektronischen Schaltung anzuschließen.

Die Erfindung des europäischen Patents EP 0588685 B1 betrifft eine programmierbare integrierte Schaltung zur Detonationsverzögerung. Der Zünderkopf ist direkt mit einem elektronischen Zündmodul mit integrierter Verzögerung verbunden. Das Zündmodul ist völlig gekapselt und weist deshalb keine freiliegenden Anschlusspunkte auf. An seinem Ende wird das Elektronikmodul durch zwei Manteldrähte gespeist und ist durch sie mit der Zündschaltung verbunden.

In der deutschen Veröffentlichung DE 19681674 T1 wird eine elektronische Sprengstoff-Zündvorrichtung beschrieben. Sie weist ein Zündelement auf, das eine zugeordnete Nicht-Zünd-Spannung sowie eine Betriebsschaltung aufweist, die bei irgend einer Spannung in einem Bereich von Spannungen arbeitet, der die zugeordnete Nicht-Zünd-Spannung überspannt. Die elektrischen Zwischenverbindungen des Zünders zwischen dem Kopfstück mit der integrierten Schaltung und dem Träger werden mit Hilfe von flexiblen Verbindungsdrähten oder Flip-Tip- oder Band-Verbindungstechniken hergestellt. Diese Zwischenverbindungen sind aber nicht dafür vorgesehen und geeignet, gezielt die Funktionsfähigkeit der integrierten Schaltung zu überprüfen.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0897098 A2 ist ein Verfahren bekannt, mit dem beim Bohrloch-Sprengen die einzelnen Zünder identifiziert und in deren Elektronik die jeweils zugeordneten Verzögerungszeiten geladen werden können.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 3533389 A1 wird ein elektronischer Sprengzeitzünder vorgestellt. Auf einer Trägerplatte, die auch die integrierte Schaltung trägt, ist ein Programmierfeld aus Leiterstreifen angeordnet. Durch Durchtrennnen dieser Leiterstreifen können die Verzögerungenszeiten eingestellt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Auslöseeinheiten für pyrotechnische Systeme durch Ausgestaltung der elektronischen Schaltung und das Vorsehen von Prüfmöglichkeiten noch stör- und ausfallsicherer zu machen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beansprucht.

Bei der herkömmlichen CoB-Technologie ist die integrierte Schaltung nur für zuvor festgelegte Funktionen ausgelegt. Nach der Montage des Chips auf der Leiterplatte werden seine Anschlüsse durch Überziehen mit einer Abdeckmasse unzugänglich. Dadurch können seine Funktionen nicht mehr überprüft werden. Individuelle Vorgaben an die integrierte Schaltung sind nicht mehr möglich. Die Kapselung einer integrierten Schaltung in einem Gehäuse hat den Vorteil, daß jeder ihrer Anschlüsse, insbesondere die Testpunkte, nach außen geführt und dadurch zugänglich sind. An diesen Anschlüssen können Kontaktstellen für Prüfgeräte vorgesehen werden, welche eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit der integrierten Schaltung zeitgerafft ermöglichen. Die neue Technologie gestattet es, einen Chip vorzusehen, der nach seinem Einbau, über die Kontaktstellen mit den für den Einsatz vorgesehenen angepaßten Funktionen, insbesondere den Zünderadreßzuordnungen, dem Entsicherungscode und der Einstellung der Verzögerungszeiten, geladen werden kann. Dadurch ist eine individuelle Programmierung eines jeden Zünders im Hinblick auf seinen Verwendungszweck möglich.

Außerdem bietet ein in einem IC-Gehäuse gekapselter Chip die Möglichkeit, daß die Leistungsdaten der integrierten Schaltung bereits beim Hersteller, und vor deren Einbau in die Auslöseeinheit, auch unter klimatischen Bedingungen, prüfbar sind. Insbesondere bei Gewährleistungsansprüchen an den Hersteller des IC's gestaltet sich die Nachweispflicht bei Fehlern, die bei Kälte auftreten, recht problematisch, da die Kristallflächen vereisen und so eine Fehlerbestimmung verhindert wird. In Temperaturkammern kann sowohl bei tiefen als auch bei hohen Temperaturen, und bei vorgegebenen atmosphärischen Simulationen wie Feuchtigkeit und Trockenheit, die Funktionsfähigkeit der integrierten Schaltung getestet werden. Aufgrund der zugänglichen Anschlüsse ist das bei jeder integrierten Schaltung vor dem Einbau möglich. Dadurch wird die Ausfallrate, die man beim Einbau von bisher ungeprüften integrierten Schaltungen in CoB-Technologie in Kauf nehmen musste, drastisch reduziert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Massepunkte der integrierten Schaltung an mehr als einem Anschlusspunkt herauszuführen. So ist gewährleistet, dass auch bei defekten Massebonds (Anschlussstellen der Masseleiter der Halbleiterbauelemente) immer ein großflächiges und definiertes Massepotential anliegt. Schwimmendes Massepotential verursacht Störungen. Durch die Mehrfachkontaktierung der Masse wird daher vorteilhaft eine große Sicherheit insbesondere gegenüber hochfrequenter elektromagnetischer Einstrahlung erreicht.

Je nach Art der integrierten Schaltung können die Zünderadressen oder/und Funktionsprioritäten in einem Speicher (z.B. EEPROM = Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory) in der integrierten Schaltung hinterlegt werden. Das ist dann vorteilhaft, wenn die Auslöseeinheit erst kurz vor ihrem Einsatz programmiert wird.

Soll die Auslöseeinheit nur für einen bestimmten Einsatz vorgesehen sein, für den eine festliegende Programmierung vorgesehen ist, beispielsweise für eine bestimmte Zünderadresse, kann es vorteilhaft sein, wenn für jede Zünderadresse eigens eine voreingestellte Auslöseeinheit vorgesehen ist. Bei dieser kann dann die jeweilige Zünderadresse in Form eines bereits vorgegebenen Leiterbahnmusters auf der Leiterplatte angeordnet sein. Dadurch wird das herkömmliche, aufwendige Durchtrennen bestimmter Leiterbahnen (Codierung) auf einem sogenannten Programmierfeld auf einer für alle Zündzeitstufen gemeinsam gefertigten Leiterplatte vermieden. Das bisher erforderliche mechanische oder thermische Durchtrennen bestimmter Leiterbahnen zur Herstellung bestimmter Zünderadressen kann durch ungenügende Durchtrennung oder durch Kurzschlüsse zu Fehlfunktionen führen.

Die entsprechende Zünderadresse kann in Weiterbildung der Erfindung bereits durch eine auf der Leiterplatte angeordnete Kennzeichnung, beispielsweise durch eine die Zünderadresse bezeichnende Nummer, kenntlich gemacht sein. Dadurch wird der Zusammenbau der Auslöseeinrichtung vereinfacht und Verwechslungen unterschiedlicher Zünderadressen werden vermieden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Leiterbahnen auf der Leiterplatte eine mäanderförmige Führung aufweisen. Dadurch wird es möglich, hochfrequente Einstrahlungen auszufiltern und damit ihre Auswirkungen auf die integrierte Schaltung zu vermeiden.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Ausschnitt aus einer Auslöseeinheit mit dem elektronischen Teil, dem sogenannten Hybrid, und
2 einen Ausschnitt aus einer Auslöseeinheit entsprechend 1 mit einem Programmierfeld auf der Platine zur mechanischen Festlegung einer Verzögerungszeit einer Zünderadresse.
1 zeigt im vergrößerten Maßstab den Teil einer Auslöseeinheit 1, in dem der Hybrid 2, der elektronische Teil, eingebettet ist. Die elektronischen Bauteile sind auf einer Platine 3 angeordnet. Auf ihr sind gedruckte Leiterbahnen 4 zu sehen, durch die die elektronischen Bauteile untereinander und mit den zwei Anschlußdrähten des Eingangs 5 und mit den zwei Anschlußdrähten 6 zur hier nicht dargestellten Zündpille verbunden sind. Die Platine 3 kann aus einem besonders biegefesten Material bestehen, oder aber, wie im vorliegenden Fall, in einen ausgehärteten, nichtmetallischen Werkstoff 7 eingebettet sein. Der Werkstoff kann beispielsweise ein Kunststoff oder ein Gießharz sein. Er umgibt die Anschlußdrähte 5 und 6 sowie den Hybrid 2. Er wird nach dem Einschieben des Hybrides 2 in die Hülse 8 der Auslöseeinrichtung 1 flüssig eingefüllt und härtet dann aus.
Die Platine 3 enthält neben dem auf der Unterseite der Platine 3 aufgelöteten und deshalb hier nicht sichtbaren Kondensator zur Energiespeicherung, einen Schutz- und Sicherungswiderstand 9 sowie eine integrierte Schaltung 10. Der Schutz- und Sicherungswiderstand 9 ist mittels des Reflow-Verfahrens aufgelötet, das besonders saubere Lötverbindungen ermöglicht. Die integrierte Schaltung 10 ist in einem IC-Gehäuse 11 eingeschlossen und so vor äußeren Einwirkungen, insbesondere vor Erschütterungen wie sie bei Verwendung als Sprengzünder in benachbarten Bohrlöchern (Intervallzündung) entstehen, geschützt. Mit dieser integrierten Schaltung 10 werden insbesondere die Zünderadreßzuordnung, die Speicherung des Entsicherungscodes und die Einstellung der Verzögerungszeiten durchgeführt. Das Gehäuse 11 der vorliegenden integrierten Schaltung 10 weist mehrere Anschlüsse auf, im dargestellten Fall zwölf; sechs auf jeder Seite, die mit den Leiterbahnen 4 und untereinander verbunden sind. Die mäanderförmigen Anschlüsse 14a und 14b an die Zuleitung 6 zur hier nicht dargestellten Zündpille, sollen vor der Einwirkung hochfrequenter Störsignale schützen.
Die aus dem IC-Gehäuse 11 herausgeführten Anschlüsse 12 ermöglichen es, die integrierte Schaltung 10, vor ihrer Einbettung in die Hülse 8, an ihren Anschlußpunkten 15 zu prüfen. Die Massepunkte 16 sind mit mehr als einem Anschluß aus dem Gehäuse 11 herausgeführt und durch eine Leiterbahn 17 miteinander verbunden.
Neben der Prüfung der integrierten Schaltung 10, kann diese auch vor dem Einbau über die Anschlußpunkte 15 mit allen wichtigen Informationen versehen werden, die im wesentlichen die Zünderadreßzuordnung, den Entsicherungscode und die Einstellung der Verzögerungszeit, die Zündzeitstufe, beinhalten.
Die Auslöseeinheit 100 in 2 unterscheidet sich von der Auslöseeinheit 1 in 1 dadurch, daß in ihr keine Einstellung der Verzögerungszeit individuell vorgenommen wird, sondern daß diese integrierte Schaltung 10 auf eine feste Verzögerungszeit und damit auf eine feste Zünderadresse eingestellt ist.
Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf der sonst gleichartig ausgestatteten Platine 3 ein Programmierfeld 20 aus Leiterbahnen 21 gebildet. Ein vorgegebenes Muster der Verbindung der Leiterbahnen 21 mit den Massepunkten 16, gibt die Einstellung einer bestimmten Verzögerungszeit vor und ist charakteristisch für eine bestimmte Zünderadresse. Von den Leiterbahnen 21a bis 21f sind die Leiterbahnen 21a, 21c und 21e mit den Anschlüssen 12 verbunden, die Leiterbahnen 21b, 21d und 21f sind unterbrochen. Dadurch entsteht ein vorgegebenes Bit-Muster, das die Verzögerungszeit bestimmt. Ein Eingriff in das Innere der integrierten Schaltung 10 erfolgt nicht. Dieses ist für alle Zünderadressen gleich. Die Unterbrechung der Leiterbahnen 21a bis 21f kann bereits bei der Herstellung der Platinen 3 als Druckbild vorgesehen sein. Das Muster eines Programmierfelds, das einer bestimmter Zünderadresse zugeordnet ist, kann auf der Platine 3 durch eine Kennzeichnung 22, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es die Zahl „6„ für die sechste Zünderadresse, gekennzeichnet werden. Ein anderes Bild der Verbindung der Leiterbahnen 21a bis 21f mit den Anschlüssen 12 ist jeweils einer anderen Zünderadresse zugeordnet.

Claims

Elektronische Auslöseeinrichtung für pyrotechnische Zünder mit einer Primär- und einer Sekundärladung, wobei die Primärladung mittels einer aus elektronischen Bauteilen bestehenden Schaltung gezündet wird, deren wesentlichen elektronischen Bauteile als integrierte Schaltung in einem IC-Gehäuse untergebracht sind, wobei das Gehäuse auf einer Platine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (12) des IC-Gehäuses (11) vor dem Einbau in einen pyrotechnischen Zünder als Anschlusspunkte (15) für Prüfgeräte zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit der integrierten Schaltung (10) und der Zünderfunktion vorgesehen sind und ebenso zum Anschluss an externe elektronische Geräte zur Programmierung der Auslöseeinrichtung dienen.
Elektronische Auslöseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Massepunkte (16) der integrierten Schaltung (10) an mehr als einem Anschlusspunkt (15) herausgeführt sind.
Elektronische Auslöseeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündzeitstufen und die Zünderadressen in einem Speicher (z.B. EEPROM) in der integrierten Schaltung (10) hinterlegt sind.
Elektronische Auslöseeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zünderadressen in Form eines vorgegebenen Musters (Code) von Verbindungen der Leiterbahnen (21a bis 21f) mit den Anschlüssen (12) der integrierten Schaltung (10) in einem Programmierfeld (20) auf der Platine (3) angeordnet sind.
Elektronische Auslöseeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zünderadressen jeweils mittels einer Kennzeichnung (22) auf der Platine (3) kenntlich gemacht sind.
Elektronische Auslöseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mäanderförmige Leiterbahnführung (14a, 14b) auf der Platine (3) einen Filter gegen hohe Frequenzen und damit einen Schutz der elektronischen Bauteile (9, 10) darstellt.
Elektronische Auslöseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schutz- und Sicherungswiderstand (9) mittels des Reflow-Verfahrens aufgelötet ist.