EP4390299A1 - Zündbauteil eines le-efi-zündmoduls - Google Patents

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EP4390299A1
EP4390299A1 EP23214213.3A EP23214213A EP4390299A1 EP 4390299 A1 EP4390299 A1 EP 4390299A1 EP 23214213 A EP23214213 A EP 23214213A EP 4390299 A1 EP4390299 A1 EP 4390299A1
Authority
EP
European Patent Office
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metal layer
ignition
substrate
plastic layer
layer
Prior art date
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Granted
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EP23214213.3A
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English (en)
French (fr)
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EP4390299B1 (de
EP4390299C0 (de
Inventor
Dietmar Kugler
Felicitas MARX
Benjamin SCHMITZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Diehl Defence GmbH and Co KG
Original Assignee
Diehl Defence GmbH and Co KG
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Publication of EP4390299A1 publication Critical patent/EP4390299A1/de
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Publication of EP4390299C0 publication Critical patent/EP4390299C0/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B3/00—Blasting cartridges, i.e. case and explosive
    • F42B3/10—Initiators therefor
    • F42B3/12—Bridge initiators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B3/00—Blasting cartridges, i.e. case and explosive
    • F42B3/10—Initiators therefor
    • F42B3/12—Bridge initiators
    • F42B3/124—Bridge initiators characterised by the configuration or material of the bridge

Definitions

  • the invention relates to an EFI ignition component (EFI: exploding foil initiator) of an EFI ignition module.
  • EFI exploding foil initiator
  • An EFI ignition module comprising an ignition circuit with a capacitor, a switching element and an EFI ignition component, wherein the capacitor is discharged to ignite the EFI component by closing the switching element, wherein the switching element is a SiC field effect transistor.
  • the central component is an EFI ignition component, comprising a conductive element designed as an ignition bridge. A capacitor located in the ignition circuit is discharged via this conductive element for ignition, which leads to the bridge, which has a width of a few micrometers, for example in the range between 100 and 300 micrometers, suddenly evaporating, resulting in plasma formation.
  • the bridge there is a film, for example made of Kapton, from which a part, the so-called “flyer”, is blown out as a result of the bridge evaporation.
  • the flyer is extremely accelerated by the conversion of electrical energy into kinetic energy, it moves at a speed in the range of km/s.
  • the flyer is blown out by a barrel, a spacer with a hole, downstream of the foil. Downstream of the barrel is an explosive pellet that is detonated by the shock wave when the extremely fast flyer hits it.
  • the structure and basic functionality of such an EFI ignition component is well known.
  • the object of the present invention is to propose improvements with respect to such an EFI ignition component.
  • the EFI ignition component contains a solid or hard and mechanically comparatively stable substrate.
  • Glass float glass
  • silicon or ceramic can be used here, for example.
  • a suitable hardness is the hardness of ceramic. Typical hardnesses of ceramic are 20 GPa (Vickers hardness HV10).
  • the substrate has a surface.
  • the substrate is designed to be electrically highly resistive, at least with regard to its surface.
  • the material thickness of the substrate is preferably at least 100 ⁇ m, particularly preferably at least 200 ⁇ m, in order to avoid interference from pressure waves during implementation in the bridge structure. Particularly reliable implementations of the construction variants are achieved from 500 ⁇ m.
  • the EFI ignition component contains a metal layer applied directly to the surface without gaps or cavities. During production, the corresponding metal layer is applied to the surface without gaps or cavities. There are therefore no cavities or less dense areas (gaps, cavities, hollow spaces, etc.) either within the metal layer or between the substrate and the metal layer. This means that there are no air/vacuum spaces that would absorb pressure as a loss if the ignition bridge were to evaporate, which would then be lost as energy for accelerating the flyer. The energy available from the evaporation is therefore transferred completely to the flyer or its mechanical acceleration.
  • the thickness of the metal layer is preferably 3 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the metal layer is formed as a bridge structure: the bridge structure contains two electrical connection areas. Each of the connection areas has a respective contact surface. Each of the contact surfaces serves to electrically contact the electrical connection area and thus to apply a voltage difference or to cause a current flow between the two connection areas via the ignition bridge as follows:
  • the bridge structure also contains an ignition bridge located between the connection areas. By energizing the ignition bridge via the contact surfaces and connection areas, the ignition bridge can be vaporized by converting the electrical power supplied via the contact surfaces / connection areas within the ignition bridge.
  • the side lengths of the ignition bridge (18) are preferably between 100 ⁇ m and 350 ⁇ m.
  • the metal layer can either be applied to the surface in the form of the final bridge structure or the metal layer can be applied over a larger area and then brought to the final shape of the bridge structure by removing parts of the metal layer.
  • the EFI ignition component also contains a plastic layer applied directly to the metal layer and, if applicable, directly to the surface.
  • the plastic layer is applied to the metal layer or surface.
  • the plastic layer serves (during operation or when triggered, i.e. when the ignition bridge evaporates) to form the flyer, and is therefore designed to form a flyer. In other words, the flyer is blasted out of the plastic layer as part of the ignition bridge by the explosive evaporation of the latter.
  • the plastic layer is solid, just like the substrate (see the explanations below).
  • the plastic layer is mechanically relatively unstable in relation to and in contrast to the substrate (see the explanations below).
  • the plastic layer covers at least the ignition bridge and an area surrounding the ignition bridge.
  • the plastic layer is post-treated with a tempering treatment, whereby the tempering treatment/tempering represents a bonding process.
  • the plastic layer or the entire ignition component is tempered in the corresponding manufacturing state. This post-treatment gives the plastic layer the strength mentioned and also increases the adhesion to the metal layer/bridge structure and to the substrate or its surface.
  • the thickness of the plastic layer is preferably 5 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • solid or "hard” is to be understood in relation to the properties of a film of a conventional EFI ignition component known from practice or the state of the art (as explained above).
  • the corresponding film is flexible and mechanically comparatively less stable and therefore offers comparatively less mechanical resistance to the "explosion pressure” that occurs when the ignition bridge evaporates than the substrate.
  • the substrate which is firmer and therefore more stable than a film, and the plastic layer result in improved insulation when the ignition bridge evaporates (“explodes”) between the substrate and the plastic layer compared to the state of the art mentioned.
  • the resulting plasma pressure reaches higher values before the flyer is blasted out of the plastic layer. This leads to an increased kinetic energy of the flyer. after it has been blown off.
  • the current proposal requires the supply of less electrical energy to the ignition bridge.
  • the ignition bridge can be vaporized with a lower voltage/lower current.
  • the terms “relatively stable” (substrate) and “relatively unstable” (plastic layer) refer to their relationship to one another.
  • the substrate is therefore mechanically much more stable or stronger than the plastic layer. This is achieved, for example, by making the substrate at least 5, 10 or 20 times thicker than the plastic layer. This is also achieved by making the substrate as a material significantly stronger and/or more rigid than plastic in terms of its strength and/or hardness.
  • the hardness of the ceramic is in the order of 20 GPa (Vickers hardness VH10, DIN EN 843-4) compared to the much softer hardness of plastic in the order of 200 MPa (ball indentation hardness ISO 2039-1).
  • the different stability serves to ensure that the structure surrounding the ignition bridge (substrate and plastic layer) does not break in one direction only, namely at the plastic layer.
  • the substrate represents a comparative "anvil” that serves as a mechanically solid or stable base for the ignition bridge and the plastic layer.
  • the term "surface” is understood as follows: only that part of the outer surface of the substrate on which the bridge structure and plastic layer are arranged is considered.
  • the substrate is designed in particular as a plate or block. In this case, the surface refers to a flat side on which the metal layer and the plastic layer are applied.
  • the metal layer or bridge structure is electrically insulated from the substrate at least in the area of the surface. This can be achieved, for example, by an insulating layer of the substrate on its surface. Alternatively or additionally, the substrate itself can also be volume-insulated, in particular completely be designed to be high-resistance. This means that its surface is automatically high-resistance for the metal layer on top of it.
  • “High-resistance” is understood to mean a specific electrical resistance of the material in question of greater than 10,000 Ohm ⁇ cm.
  • connection areas (seen in the direction of the surface) have a comparatively large area compared to the area of the ignition bridge.
  • the area is in particular the largest transverse area of the structure in question in a certain direction or an average area in different directions parallel to the surface.
  • the area of the ignition bridge is, for example, 100-300 ⁇ m
  • the area of the connection areas is, for example, 1000 - 5000 ⁇ m.
  • the contact area in particular takes up an area of at least 50% or at least 75% of the surface.
  • plastic layer optionally on the substrate is to be understood as meaning that this applies in the case where the area surrounding the ignition bridge does not extend completely over the metal layer.
  • the plastic layer then covers both parts of the metal layer and parts of the surface of the substrate.
  • the plastic layer is actually partially applied both directly to the metal layer and, with regard to its remaining part, also directly to the surface of the substrate.
  • the "direct” coating means in each case that there are no further intermediate layers between the surface, metal layer and plastic layer.
  • Crossing means that the plastic layer extends beyond the ignition bridge on all sides, parallel to the surface, that the surrounding area extends beyond it by a projection of at least 20%, 50% or 100% of the extent of the ignition bridge.
  • the plastic layer therefore also adheres to the respective substrate (metal layer or surface) in the area surrounding the ignition bridge. This ensures that the ignition bridge is well insulated, i.e. the plastic layer is firmly attached to the metal layer/surface to build up sufficient pressure when the ignition bridge evaporates. to be able to blast off the flyer with high kinetic energy.
  • the entire surface of the substrate is or will be coated with the plastic layer. Only the contact surfaces of the connection areas remain free or are subsequently exposed again by removing the plastic layer.
  • the plastic When manufacturing the ignition component, the plastic is either applied without any gaps or cavities or, if necessary, made free of gaps and cavities on the metal layer/surface by tempering. In any case, the tempering solidifies, hardens and mechanically stabilizes the plastic layer and, if necessary, also bonds it more firmly to the metal layer.
  • an LE-EFI ignition bridge (LE: low energy) or a corresponding LE-EFI ignition component is produced.
  • the LE-EFI ignition component is a further development of the EFI ignition component, which can be ignited with a significantly lower voltage and energy than a classic EFI ignition component.
  • an in-line ignition device (EFI) can be ignited with less energy while maintaining the same level of safety, reliability and timing precision.
  • the so-called classic EFI is known from practice and the state of the art cited above.
  • the ignition component used there is in particular a bridge incorporated into a plastic-copper flex, which accelerates a flyer explosively by introducing sufficient energy. This then hits a secondary explosive and detonates it.
  • the LE-EFI ignition bridge/component proposed here uses a hard (solid and mechanically comparatively stable) carrier base material (substrate) (the comparative hardness is particularly important; possible materials include (ceramic) glass, ceramic, etc.) on which the bridge structure is made of metal, particularly aluminum or copper.
  • a plastic layer (particularly a polyimide layer) is applied on top of this, which (together with the substrate) serves to insulate the resulting plasma and forms the flyer.
  • a tempering process in principle a "baking" of the plastic layer onto the substrate
  • the structure is sufficiently firmly connected to one another and This further improves the insulation for the flyer formation.
  • the proposed layer structures are in contrast to the classic EFI - the LE-EFI ignition component in particular uses an adhesive-free layer structure.
  • the proposed improved design allows the ignition component to be ignited with lower voltage or lower energy while maintaining at least the same level of safety. This makes it possible to make the ignition electronics smaller and more cost-effective.
  • the proposed solution makes it possible to ignite the ignition bridge with a low high voltage, in particular to apply only 1000V between the contact surfaces instead of 2.4kV.
  • the proposed solution has little resistance and little inductance (less parasitic effects). This results in a higher current input into the bridge.
  • the current input into the bridge takes place with almost no losses.
  • the difference to the known EFI is that there are no compressible and flexible layers due to production, but that the metal bridge structure is applied directly to a hard and incompressible substrate, e.g. glass material, ceramic, etc. This carrier material (substrate) serves in parallel as a kind of "anvil".
  • an anvil is an object that is practically fixed to the mass to be converted (ignition bridge) and cannot move, either due to its installation, its relative mass and/or its rigid structure.
  • the "evaporation" of the bridge material represents a sudden change in the state of aggregation, which can be compared to the decomposition of explosives.
  • the insulation is a crucial parameter and determines the amount of energy required.
  • the energy goes in both directions (the structure of a classic EFI usually consists of a layer of foil-metal layer-foil with possible adhesive layers in between), since the insulation is missing due to the structure or, in this case, is improved.
  • the layers are connected without gaps or cavities (in particular through a vacuum process during production), so that there are no cavities that lead to enormous power losses in "blasting" implementations.
  • the baking process of the plastic ensures a rigid and hard material (plastic layer). This ensures additional insulation of the ignition bridge and a clean breakout of the flyer.
  • the proposed LE-EFI ignition component is particularly used in or results in a LE-EFI ignition device and is the heart of the ignition device.
  • These ignition devices can be used in a variety of known and future electronic ignition and safety devices.
  • the invention is based, among other things, on the idea of reducing the energy required to sufficiently accelerate the flyer, and to achieve this by improving the insulation of the ignition bridge in the rest of the ignition component structure.
  • the corresponding energy is not the safety factor, but the specific signal that and only that enables ignition.
  • the substrate has an insulating layer forming the surface.
  • the insulating layer at least contributes to the above-mentioned high resistance of the substrate (with regard to its surface) or causes its corresponding high resistance.
  • Such an insulating layer is particularly advantageous for substrates that are not inherently high-resistance.
  • the insulating layer is, for example, silicon dioxide that is present on silicon or is produced, for example, by targeted oxidation.
  • an insulating layer is generally not necessary, since these substrates already represent sufficient insulators in terms of volume to be able to implement the metal layer on them with sufficient electrical insulation.
  • the substrate is a semiconductor or a glass or a ceramic.
  • any material that is electrically insulating enough for the current supply in the bridge structure and is sufficiently hard and incompressible to provide sufficient insulation in combination with the plastic layer is suitable.
  • the invention is based, among other things, on the discovery that metal can be used as a bridge material instead of doped silicon, which is known from practice.
  • Metal has a significantly lower specific electrical resistance than highly doped silicon, which increases the energy efficiency of the ignition component. increased.
  • a correspondingly high doping of silicon also requires a long doping period, for example in the range of several months, e.g. nine months. Experiments or tests with various changes to the shape of the bridge structure may therefore require development cycles of several months, since appropriately shaped silicon must first be doped again for months. This disadvantage is avoided when metal is used as the bridge material.
  • the metal of the metal layer is aluminum or copper, or the metal layer contains such components as metal.
  • suitable metals such as gold or silver are also conceivable here.
  • the plastic of the plastic layer is polyimide or parylene or the plastic layer contains a corresponding component as a plastic.
  • the layer thickness of the plastic layer can be between 3 ⁇ m and 30 ⁇ m.
  • the EFI ignition component is constructed or manufactured without adhesive.
  • Adhesive is generally used in the ignition components known from practice. Gaps/bubbles, comparable to cavities, in the adhesive or between the adhesive and the material to be bonded are often unavoidable and reduce the proportion of energy generated by the evaporation of the ignition bridge that is transferred to the flyer.
  • a process is used that does not require the use of adhesive. In other words, the metal layer and plastic layer are applied and attached to the corresponding substrates without the use of adhesive.
  • the object of the invention is also achieved by a method according to claim 7.
  • the method serves to produce the EFI ignition component proposed above.
  • the substrate having the surface is provided.
  • the metal layer is applied directly to the surface at least in the circumference of the bridge structure and without gaps or cavities. In other words, only the bridge structure is applied or additional metal is applied and later (before, with or after the further steps explained below) process steps), so that only after removal does the bridge structure remain in its final shape.
  • the plastic layer is then applied to at least the ignition bridge and its surrounding area directly on the metal layer. If necessary (as explained above), part of the plastic layer is also applied to the surface. Here, too, either the plastic layer is applied in its intended final shape or more plastic is applied first, which is then removed again until the intended final shape of the plastic layer is achieved.
  • the plastic layer is post-treated by tempering, i.e. annealed or baked.
  • the plastic layer is applied in its final thickness.
  • the height of the plastic layer is then no longer removed. At most, only the contour of the plastic layer is corrected by removing plastic from the sides.
  • the metal layer is applied to the substrate or its surface in an oversize relative to the bridge structure and subsequently removed towards the bridge structure.
  • the oversized metal layer is thus subsequently structured, in particular chemically, with laser ablation, by etching, etc., in order to be brought into its final form as a bridge structure.
  • the plastic layer is applied in an oversize manner to the metal or the metal layer and, if applicable, to the substrate or its surface in relation to a desired final shape (reference is the finished ignition component) and is subsequently removed to the desired shape (final shape in the finished EFI ignition component).
  • a desired final shape reference is the finished ignition component
  • final shape in the finished EFI ignition component final shape in the finished EFI ignition component
  • the plastic layer is applied in oversize to the entire metal layer and the entire remaining surface of the substrate.
  • the entire surface of the substrate is therefore covered with plastic.
  • the term "surface” here is again understood to mean in particular a component side of the substrate on which the ignition bridge is to lie, in particular a flat side of the substrate.
  • the entire surface is therefore covered with the plastic layer; in particular, only the contact surfaces are subsequently freed of plastic.
  • the metal layer is applied to the surface by vapor deposition without gaps or cavities.
  • Vapor deposition is a particularly good way to achieve a gap- and cavities-free surface.
  • the plastic layer is applied to the metal layer and, if applicable, to the surface using spin coating, without gaps or cavities.
  • Spin coating is the dripping of plastic as the material of the plastic layer onto a rotating substrate. Spin coating is particularly effective at achieving a gap- and cavities-free finish.
  • At least the application of the metal layer and the plastic layer and the tempering are carried out under vacuum.
  • a vacuum process promotes or ensures that there are no gaps or cavities particularly well.
  • the vacuum is kept uninterrupted between the individual sub-steps of metallization, application of plastic and tempering.
  • the entire production of the EFI ignition component takes place under vacuum.
  • At least the metal layer and the plastic layer are applied without the use of adhesive, as already mentioned above.
  • the entire production of the EFI ignition component takes place without the use of adhesive.
  • FIG. 1 shows an EFI ignition component 2.
  • This contains a solid and mechanically comparatively stable substrate 4.
  • the substrate 4 has a flat cuboid shape or plate shape.
  • the substrate 4 has a surface 6 on its upper flat side.
  • the substrate 4 contains an insulating layer 8 forming its surface 6.
  • the substrate 4 has a specific electrical resistance of more than 10,000 ohm cm.
  • the insulating layer 8 has an even higher specific electrical resistance than the substrate 4. With regard to the surface 6, the substrate 4 is therefore designed to be electrically highly resistive.
  • a metal layer 10 is applied directly to the surface 6, i.e. without any other materials in between.
  • the metal here is aluminum.
  • the metal layer 10 was applied by vapor deposition without any gaps or cavities. There are therefore no air bubbles, cavities or cavities between the surface 6 and the metal layer 10 or within the metal layer 10.
  • the metal layer 10 is formed as a bridge structure 12 (indicated by hatching) in an approximately H-shape.
  • the bridge structure 12 consists of two electrical connection areas 14, which are rectangular in this case, each of which has a contact surface 16, which is also rectangular and is only indicated by a dashed line, and an ignition bridge 18, which is also rectangular.
  • the contact surfaces 16 are merely certain surface sections of the connection areas 14, but do not differ from the latter or are designed as one piece with them.
  • connection areas 14 have a transverse extension 20 (indicated by a double arrow) of 5 mm - measured in the diagonal direction as an example - and the ignition bridge has a length of 0.2 mm.
  • the transverse extension 20 is viewed as parallel to the surface 6.
  • the ignition bridge 18 can be vaporized during operation of the EFI ignition component 2.
  • the ignition bridge 18 has a surrounding area 22 which is Figure 1 is indicated by dashed lines. This area extends on all sides by approximately 100% of the transverse dimension 20 of the ignition bridge 18 beyond the latter. In this sense, the surrounding area 22 has approximately three times the transverse dimension 20 of the ignition bridge 18 (in Figure 1 not shown further). The surrounding area 22 thus encloses or covers parts of the connection areas 14 as well as parts of the surface 6 of the substrate 4.
  • Both the ignition bridge 18 and its surrounding area 22 are free of gaps and cavities and are completely covered by a plastic layer 24.
  • the plastic layer 24 is in Figure 1 shown transparently for clarity only.
  • the plastic layer 24 forms a flyer 26 which Figure 1 is indicated by dashed lines.
  • the flyer 26 consists of that surface portion of the plastic layer 24 which - in a top view of the surface 6 - is congruent with the ignition bridge 18.
  • the plastic layer 24 and thus also the flyer 26 consists of polyimide.
  • the plastic layer 24 is solid like the substrate 4 and is also inherently stable, but is comparatively less stable than the substrate 4. This means that when the ignition component 2 is triggered, i.e. when the ignition bridge 18 evaporates, the substrate 4 remains undamaged and undeformed, but the flyer 26 is broken or punched out of the remaining plastic layer 24 and accelerated in the direction of the arrow 28 away from the substrate 4 or the surface 6.
  • the strength of the plastic layer 24 is achieved or increased, among other things, by tempering the plastic layer 24 after it has been applied to the metal layer 10 or surface 6, i.e. by post-treating it with the aid of a tempering treatment.
  • the ignition component 2 does not contain any adhesive; no adhesive is used in its manufacture.
  • the production is carried out in such a way that the substrate 4 is first provided.
  • the substrate 4 forms the carrier material for the EFI ignition component 2 and is subjected to an oxidation treatment in order to form the insulating layer 8 or insulation layer on the surface 6.
  • the metal layer 10 is then applied in oversize to the surface 6, here by vapor deposition. This means that more metal is applied than in Figure 1 Excess metal is then removed until only the Figure 1
  • the bridge structure 12 shown is present.
  • the metal layer 10 thus forms the bridge material, i.e. the material of the ignition bridge 18.
  • the entire substrate 4 or the entire surface 6 including the bridge structure 12 is then coated with the plastic layer 24, also in an oversize. This is carried out using the spin coating process, i.e. the substrate 4 with the metal layer 10 is rotated and plastic is dripped on. The spreading plastic forms the plastic layer 24 and thus also represents the material of the flyer 26. The excess plastic is then also removed until only the Figure 1 shown surrounding area 22 and the ignition bridge 18 is still covered with the plastic layer 24. In particular, the contact surfaces 16 of the connection areas 14 are or will be exposed again in order to connect an electrical power supply (not shown) to power the ignition bridge 18.
  • the plastic layer 24 is finally mechanically stabilized by means of a tempering treatment and is bonded even better to the substrate (metal layer 10 and surface 6 or substrate 4).
  • the entire process is carried out under vacuum after the substrate 4 has been provided. No adhesive is used in the entire process.

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Abstract

Ein EFI-Zündbauteil (2) enthält ein festes mechanisch vergleichsweise stabiles hochohmiges Substrat (4), eine unmittelbar und spalt- und lunkerfrei auf dessen Oberfläche (6) aufgebrachte Metallschicht (10) in Brückenstruktur (12) mit elektrischen Anschlussbereichen (14) mit Kontaktflächen (16) und verdampfbarer Zündbrücke (18), eine unmittelbar auf der Metallschicht (10) und gegebenenfalls der Oberfläche (6) aufgebrachten, einen Flyer (26) bildenden festen und mechanisch vergleichsweise instabilen Kunststoffschicht (24), die zumindest die Zündbrücke (18) und einen Umgebungsbereich (22) dieser überdeckt, wobei die Kunststoffschicht (24) nach deren Aufbringen durch eine Temper-Behandlung nachbehandelt ist.Bei einem Verfahren zur Herstellung eines EFI-Zündbauteils (2) wird das Substrat (4) mit der Oberfläche (6) bereitgestellt, die Metallschicht (10) auf der Oberfläche (6) aufgebracht, die Kunststoffschicht (24) wenigstens auf die Zündbrücke (18) und deren Umgebungsbereich (22) aufgebracht und die Kunststoffschicht (24) nach deren Aufbringen durch eine Temper-Behandlung nachbehandelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein EFI-Zündbauteil (EFI: exploding foil initiator) eines EFI-Zündmoduls.
  • Aus der EP 2 549 220 A1 ist ein EFI-Zündmodul bekannt, umfassend einen Zündschaltkreis mit einem Kondensator, einem Schaltelement und einem EFI-Zündbauteil, wobei der Kondensator zum Zünden des EFI-Bauteils durch Schließen des Schaltelements entladen wird, wobei das Schaltelement ein SiC-Feldeffekttransistor ist. Zentrales Bauteil ist ein EFI-Zündbauteil, umfassend ein leitfähiges Element, das als Zündbrücke ausgeführt ist. Über dieses leitfähige Element wird zum Zünden ein im Zündschaltkreis befindlicher Kondensator entladen, was dazu führt, dass die Brücke, die eine Breite von wenigen Mikrometern, beispielsweise im Bereich zwischen 100 und 300 Mikrometern, besitzt, schlagartig verdampft, es kommt zur Plasmabildung. Über der Brücke befindet sich eine Folie, beispielsweise aus Kapton, aus welcher infolge der Brückenverdampfung ein Teil, der sogenannte "Flyer" herausgesprengt wird. Der Flyer wird durch die Umwandlung der elektrischen Energie in kinetische Energie extrem beschleunigt, er bewegt sich mit einer Geschwindigkeit im Bereich von km/s. Das Heraussprengen des Flyers wird durch ein der Folie nachgeschaltetes Barrel, dem Abstandsstück mit einer Bohrung, verursacht. Dem Barrel nachgeschaltet befindet sich ein Sprengstoffpressling, der beim Auftreffen des extrem schnellen Flyers durch die Stoßwelle zur Detonation gebracht wird. Der Aufbau und die grundsätzliche Funktionsweise eines solchen EFI-Zündbauteils ist bekannt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verbesserungen in Bezug auf ein derartiges EFI-Zündbauteil vorzuschlagen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein EFI-Zündbauteil gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
  • Das EFI-Zündbauteil enthält ein festes bzw. hartes und mechanisch vergleichsweise stabiles Substrat. Hier sind beispielsweise Glas (Floatglas), Silizium oder Keramik einsetzbar. Eine geeignete Härte ist die Härte von Keramik. Typische Härten von Keramik sind 20 GPa (Vickershärte HV10). Das Substrat weist eine Oberfläche auf. Das Substrat ist zumindest im Hinblick auf seine Oberfläche elektrisch hochohmig ausgeführt. Eine Materialstärke des Substrats beträgt vorzugsweise mindestens 100 µm, besonders vorzugsweise mindestens 200 µm, um eine Interferenz von Druckwellen während der Umsetzung in der Brückenstruktur zu vermeiden. Besonders zuverlässige Realisierungen der Bauvarianten werden ab 500 µm erreicht.
  • Das EFI-Zündbauteil enthält eine unmittelbar und spalt- und lunkerfrei auf der Oberfläche aufgebrachte Metallschicht. Bei der Herstellung wird also die entsprechende Metallschicht spalt- und lunkerfrei auf die Oberfläche aufgebracht. Weder innerhalb der Metallschicht noch zwischen Substrat und Metallschicht sind also Hohlräume oder weniger dichte Stellen (Spalte, Lunker, Hohlräume, ...) vorhanden. Somit sind dort keinerlei Luft- / Vakuum-Räume vorzufinden, welche bei einer Verdampfung der Zündbrücke Druck als Verlust aufnehmen würden, der dann als Energie für die Beschleunigung des Flyers verloren wäre. Die aus der Verdampfung zur Verfügung stehende Energie wird insofern vollständig auf den Flyer bzw. dessen mechanische Beschleunigung übertragen. Eine Stärke bzw. Dicke der Metallschicht beträgt vorzugsweise 3 µm bis 10 µm.
  • Die Metallschicht ist als Brückenstruktur geformt: die Brückenstruktur enthält zwei elektrische Anschlussbereiche. Jeder der Anschlussbereiche weist eine jeweilige Kontaktfläche auf. Jede der Kontaktflächen dient zur elektrischen Kontaktierung des elektrischen Anschlussbereiches und somit zum Anlegen einer Spannungsdifferenz bzw. zum Bewirken eines Stromflusses zwischen den beiden Anschlussbereichen über die Zündbrücke wie folgt: Die Brückenstruktur enthält nämlich auch eine zwischen den Anschlussbereichen liegende Zündbrücke. Durch Bestromung der Zündbrücke über die Kontaktflächen und Anschlussbereiche ist die Zündbrücke durch Umsetzung der über die Kontaktflächen / Anschlussbereiche zugeführten elektrischen Leistung innerhalb der Zündbrücke verdampfbar. Die Seitenlängen der Zündbrücke (18) betragen vorzugsweise zwischen 100 µm und 350 µm.
  • Die Metallschicht kann dabei entweder bereits in Form der endgültigen Brückenstruktur auf die Oberfläche aufgebracht werden oder die Metallschicht wird großflächiger aufgebracht und anschließend durch Entfernen von Teilen der Metallschicht auf die Endform der Brückenstruktur gebracht.
  • Das EFI-Zündbauteil enthält auch eine unmittelbar auf der Metallschicht und gegebenenfalls unmittelbar auf der Oberfläche aufgebrachte Kunststoffschicht. Bei der Herstellung wird also die Kunststoffschicht auf die Metallschicht bzw. Oberfläche aufgebracht. Die Kunststoffschicht dient (im Betrieb bzw. bei Auslösung, also beim Verdampfen der Zündbrücke) zur Ausbildung des Flyers, ist also Flyer-bildend ausgeführt. Mit anderen Worten wird der Flyer durch die explosionsartige Verdampfung der Zündbrücke aus der Kunststoffschicht als Teil dieser herausgesprengt. Die Kunststoffschicht ist - ebenso wie das Substrat, siehe die Erläuterungen unten - fest. Die Kunststoffschicht ist - im Verhältnis zum Substrat und im Gegensatz zu diesem, siehe die Erläuterungen unten - mechanisch vergleichsweise instabil. Die Kunststoffschicht überdeckt zumindest die Zündbrücke und einen Umgebungsbereich der Zündbrücke.
  • Die Kunststoffschicht ist nach deren Aufbringen durch eine Temper-Behandlung nachbehandelt, wobei die Temper-Behandlung / das Tempern einen Verbackprozess darstellt. Bei der Herstellung des Zündbauteils wird also die Kunststoffschicht bzw. das gesamte Zündbauteil im entsprechenden Fertigungszustand getempert. Diese Nachbehandlung verleiht der Kunststoffschicht einerseits die genannte Festigkeit und steigert auch gegebenenfalls noch die Anhaftung an der Metallschicht / Brückenstruktur sowie am Substrat bzw. dessen Oberfläche.
  • Eine Stärke bzw. Dicke der Kunststoffschicht beträgt vorzugsweise 5 µm bis 30 µm.
  • Der Begriff "fest" bzw. "hart" ist vorliegend in Relation zu den Eigenschaften einer aus der Praxis bzw. dem Stand der Technik bekannten Folie eines herkömmlichen EFI-Zündbauteils zu verstehen (wie oben erläutert). Die entsprechende Folie ist biegsam und mechanisch vergleichsweise weniger stabil und bietet daher dem entstehenden "Explosionsdruck" beim Verdampfen der Zündbrücke vergleichsweise weniger mechanischen Widerstand als das Substrat. Durch das gegenüber einer Folie festere, also stabilere Substrat und die Kunststoffschicht wird eine gegenüber dem genannten Stand der Technik verbesserte Verdämmung beim Verdampfen ("Explodieren") der Zündbrücke zwischen Substrat und Kunststoffschicht erreicht. Der entstehende Plasmadruck erreicht höhere Werte, bevor der Flyer aus der Kunststoffschicht herausgesprengt wird. Dies führt zu einer erhöhten kinetischen Energie des Flyers nach dessen Absprengen. Mit anderen Worten entstehen weniger bzw. praktisch keine Energieverluste; nahezu die gesamte bei der Verdampfung der Zündbrücke entstehende kinetische Energie wird auf den Flyer übertragen. Um in Bezug auf den Stand der Technik eine gleiche Flyergeschwindigkeit zu erreichen, ist daher gemäß dem vorliegenden Vorschlag die Zufuhr von weniger elektrischer Energie zur Zündbrücke nötig. Die Zündbrücke kann mit niedrigerer Spannung / niedrigerem Strom verdampft werden.
  • Die Begriffe "vergleichsweise stabil" (Substrat) und "vergleichsweise instabil" (Kunststoffschicht) bezeichnen hier deren Verhältnis zueinander. Das Substrat ist also im Verhältnis zur Kunststoffschicht mechanisch deutlich stabiler bzw. fester. Dies wird zum Beispiel dadurch erreicht, dass das Substrat mindestens um das 5-, 10- oder 20-fache dicker als die Kunststoffschicht ausgeführt ist. Weiterhin wird dies dadurch erreicht, dass das Substrat als Werkstoff bzgl. seiner Festigkeit und/oder Härte die Festigkeit und/oder Härte von Kunststoff deutlich übertrifft. Die Härte der Keramik liegt in der Größenordnung von 20 GPa (Vickershärte VH10, DIN EN 843-4) im Vergleich zur deutlich weicheren Härte von Kunststoff in der Größenordnung 200 MPa (Kugeldruckhärte ISO 2039-1). Die unterschiedliche Stabilität dient dazu, um ein Ausbrechen der die Zündbrücke umhüllenden Struktur (Substrat und Kunststoffschicht) in nur einer Richtung, nämlich an der Kunststoffschicht, sicherzustellen. Das Substrat stellt dagegen vergleichsweise einen "Amboss" dar, der als mechanisch fester bzw. stabiler Untergrund für die Zündbrücke und die Kunststoffschicht dient. Im Ergebnis findet ein Energieeintrag aus der Verdampfung der Zündbrücke praktisch nur in den Flyer statt. Die Zündenergie (der Zündbrücke zugeführte elektrische Energie) wird also nahezu verlustfrei der kinetischen Energie des Flyers zugeführt.
  • Unter "Oberfläche" ist folgendes zu verstehen: betrachtet wird dabei lediglich derjenige Teil der Außenfläche des Substrats, auf welchem Brückenstruktur und Kunststoffschicht angeordnet sind. Das Substrat ist insbesondere als Platte oder Block ausgeführt. Die Oberfläche bezeichnet dann vorliegend dessen eine Flachseite, auf der die Metallschicht und die Kunststoffschicht aufgebracht sind.
  • Der Ausdruck "zumindest im Hinblick auf die Oberfläche hochohmig" ist wie folgt zu verstehen: die Metallschicht bzw. Brückenstruktur ist zumindest im Bereich der Oberfläche zum Substrat hin elektrisch isoliert. Dies kann zum Beispiel durch eine Isolierschicht des Substrats an dessen Oberfläche realisiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch das Substrat selbst volumenhaft, insbesondere gänzlich hochohmig ausgeführt sein. So ist dann automatisch auch dessen Oberfläche hochohmig für die darauf liegende Metallschicht. Unter "hochohmig" ist dabei insbesondere ein spezifischer elektrischer Widerstand des betreffenden Materials größer 10.000 Ohm · cm zu verstehen.
  • Insbesondere weisen die Anschlussbereiche (in Erstreckungsrichtung der Oberfläche gesehen) eine vergleichsweise großflächige Ausdehnung gegenüber der Ausdehnung der Zündbrücke auf. Die Ausdehnung ist insbesondere die größte Querausdehnung der betreffenden Struktur in einer bestimmten Richtung oder auch eine gemittelte Ausdehnung in verschiedenen Richtungen parallel zur Oberfläche. Die Ausdehnung der Zündbrücke beträgt hierbei zum Beispiel 100-300 µm, die Ausdehnung der Anschlussbereiche z. B. 1000 - 5000 µm. Die Kontaktfläche nimmt insbesondere einen Flächenbereich von mindestens 50% oder mindestens 75% der Oberfläche ein.
  • Schaltungstechnisch gesehen ergibt sich also eine unmittelbare elektrische Reihenschaltung von erster Kontaktfläche bzw. erstem Anschlussbereich, Zündbrücke, und zweitem Anschlussbereich mit dessen zweiter Kontaktfläche ohne Zwischenschaltung sonstiger Elemente.
  • Der Ausdruck "Kunststoffschicht gegebenenfalls auf dem Substrat" ist so zu verstehen, dass dies für den Fall gilt, dass der Umgebungsbereich der Zündbrücke nicht vollständig auf der Metallschicht verläuft. Die Kunststoffschicht überdeckt dann sowohl Teile der Metallschicht als auch Teile der Oberfläche des Substrats. Insbesondere ist die Kunststoffschicht tatsächlich teilweise sowohl unmittelbar auf der Metallschicht als hinsichtlich ihres verbleibenden Teils auch unmittelbar auf der Oberfläche des Substrats aufgebracht. Die "unmittelbare" Beschichtung bedeutet jeweils, dass sich zwischen Oberfläche, Metallschicht und Kunststoffschicht keine weiteren Zwischenschichten befinden.
  • "Überdecken" bedeutet, dass die Kunststoffschicht die Zündbrücke parallel zur Oberfläche gesehen nach allen Seiten überragt, dass sich der betreffende Umgebungsbereich z. B. um einen Überstand von mindestens 20%, 50% oder 100 % der Ausdehnung der Zündbrücke über diese hinaus erstreckt. Die Kunststoffschicht haftet damit auch im Umgebungsbereich der Zündbrücke am jeweiligen Untergrund (Metallschicht oder Oberfläche) an. Damit wird eine gute Verdämmung der Zündbrücke erreicht, d.h. die Kunststoffschicht ist ausreichend fest an der Metallschicht / Oberfläche befestigt, um genügend Druck beim Verdampfen der Zündbrücke aufbauen zu können, um wiederum den Flyer mit hoher kinetischer Energie abzusprengen. Insbesondere ist bzw. wird die gesamte Oberfläche des Substrats (einschließlich der Metallschicht) mit der Kunststoffschicht beschichtet. Lediglich die Kontaktflächen der Anschlussbereiche bleiben frei oder werden anschließend durch Entfernen der Kunststoffschicht wieder freigelegt.
  • Bei der Herstellung des Zündbauteils wird der Kunststoff entweder schon spalt- und lunklerfrei aufgebracht oder ggf. durch Tempern spalt- und lunkerfrei auf der Metallschicht / Oberfläche gemacht. Jedenfalls wird durch das Tempern die Kunststoffschicht verfestigt, verhärtet und mechanisch stabilisiert und gegebenenfalls zusätzlich mit der Metallschicht fester verbunden.
  • Gemäß der Erfindung ergibt sich also eine LE-EFI-Zündbrücke (LE: low energy) bzw. ein entsprechendes LE-EFI-Zündbauteil. Das LE-EFI- Zündbauteil stellt eine Weiterentwicklung des EFI- Zündbauteils dar, das mit einer deutlich geringeren Spannung und Energie gezündet werden kann als ein klassisches EFI-Zündbauteil. Gemäß der Erfindung ergibt sich, ein In-Line Zündmittel (EFI) bei gleicher Sicherheit, Zuverlässigkeit und zeitlicher Präzision mit weniger Energie zünden zu können. Das Problem des klassischen, aus der Praxis und dem Stand der Technik bekannten EFIs mit seiner Zündbrücke ist die hohe Spannung und damit verbundene Zündstufe. (E=1/2*C*U2) (E=Energie, C=Kapazität, U=Spannung).
  • Aus der Praxis und dem oben zitierten Stand der Technik ist das sogenannte klassische EFI bekannt. Das dort verwendete Zündbauteil ist insbesondere eine in einem Kunststoff-Kupfer-Flex eingearbeitete Brücke, die durch hinreichend viel Energieeintrag einen Flyer explosionsartig beschleunigt. Dieser schlägt auf einen Sekundärsprengstoff auf und setzt ihn detonativ um.
  • Die vorliegend vorgeschlagene LE-EFI-Zündbrücke / -bauteil verwendet ein hartes (fest und mechanisch vergleichsweise stabiles) Träger-Grund-Material (Substrat) (vor allem die vergleichsweise Härte ist entscheidend, möglich sind beispielsweise (keramisches) Glas, Keramik, usw.), auf dem die Brückenstruktur aus Metall, insbesondere Aluminium oder Kupfer realisiert ist. Darüber ist eine Kunststoffschicht (insbesondere Polyimidschicht) aufgebracht, die (zusammen mit dem Substrat) zur Verdämmung des entstehenden Plasmas dient und den Flyer ausbildet. Durch einen Temperprozess (im Prinzip ein "Verbacken" der Kunststoffschicht auf dem Untergrund) wird der Aufbau (Substrat, Metallschicht, Kunststoffschicht) hinreichend fest miteinander verbunden und somit die Verdämmung für die Flyerausbildung noch weiter verbessert. Die vorgeschlagenen Schichtaufbauten stehen im Gegensatz zum klassischen EFI - das LE-EFI Zündbauteil verwendet insbesondere einen klebefreien Schichtaufbau.
  • Durch den vorgeschlagenen, verbesserten Aufbau kann das Zündbauteil bei mindestens gleicher Sicherheit mit niedrigerer Spannung bzw. niedrigeren Energien gezündet werden. Dies ermöglicht es, die Zündelektronik kleiner und günstiger auszulegen.
  • Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht es, die Zündbrücke mit einer niedrigen Hochspannung zu zünden, insbesondere statt 2,4kV nur 1000V zwischen den Kontaktflächen anzulegen. Die vorgeschlagene Lösung weist wenig Widerstand und wenig Induktivität (geringere parasitäre Effekte) auf. Hieraus ergibt sich ein höherer Stromeintrag in die Brücke. Der Stromeintrag in die Brücke erfolgt fast ohne Verluste. Der Unterschied zum bekannten EFI ist, dass keine fertigungsbedingten komprimierbaren und flexiblen Schichten vorliegen, sondern dass die Metall-Brückenstruktur direkt auf einem harten und unkomprimierbaren Substrat, z.B. Glasmaterial, Keramik usw., aufgebracht ist. Dieses Trägermaterial (Substrat) dient parallel als eine Art "Amboss". Als Amboss wird vorliegend ein Gegenstand bezeichnet, der zur umsetzenden Masse (Zündbrücke) praktisch feststeht und sich nicht bewegen kann, sei es auf Grund seines Einbaus, seiner relativen Masse und/oder seiner starren Struktur. Die "Verdampfung" des Brückenmaterials stellt in der Praxis eine schlagartige Veränderung des Aggregatszustandes dar, den man mit der Umsetzung von Sprengstoff vergleichen kann. Bei Sprengumsetzungen ist die Verdämmung ein entscheidender Parameter und bestimmt die benötigte Energiemenge. Beim klassischen EFI geht die Energie in beide Richtungen (Der Aufbau eines klassischen EFls besteht in der Regel aus einer Schichtung Folie-Metallschicht-Folie mit evtl. Klebeschichten dazwischen), da die Verdämmung durch den Aufbau fehlt bzw. vorliegend verbessert ausgeführt ist.
  • Des Weiteren sind vorliegend die Schichten spalt- und lunkerfrei verbunden (insbesondere durch ein Vakuumverfahren bei der Herstellung), so dass es zu keinen Hohlräumen kommt, die bei "sprengtechnischen" Umsetzungen zu enormen Leistungsverlusten führen. Zusätzlich stellt der Verbackprozess des Kunststoffs (insbesondere Polyimid) ein starres und hartes Material (Kunststoffschicht) sicher. Dies sorgt für eine zusätzliche Verdämmung der Zündbrücke und einen sauberen Ausbruch des Flyers.
  • Das vorgeschlagene LE-EFI-Zündbauteil findet insbesondere Anwendung in bzw. führt zu einem LE-EFI-Zündmittel und ist das Herzstück des Zündmittels. Diese Zündmittel können in eine Vielzahl bekannter und zukünftiger elektronischer Zünd- und Sicherungseinrichtungen verwendet werden.
  • Die Erfindung beruht unter anderem auf der Idee, die zur ausreichenden Beschleunigung des Flyers notwendige Energie zu senken, und dies durch eine verbesserte Verdämmung der Zündbrücke im restlichen Aufbau des Zündbauteils zu realisieren. Die entsprechende Energie ist nicht der Sicherheitsfaktor, sondern das spezifische Signal, das und nur das die Zündung ermöglicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Substrat eine die Oberfläche bildende Isolierschicht auf. Die Isolierschicht bedingt die oben genannten Hochohmigkeit des Substrats (im Hinblick auf seine Oberfläche) zumindest mit oder bewirkt erst dessen entsprechende Hochohmigkeit. Insbesondere für an sich nicht hochohmige Substrate ist eine derartige Isolierschicht vorteilhaft. Die Isolierschicht ist zum Beispiel Siliziumdioxid, das auf Silizium vorhanden ist oder z. B. durch gezielte Oxidation erzeugt wird. Für Substrate in Form von Keramik, Glas usw. ist in der Regel keine Isolierschicht nötig, da diese Substrate für sich bereits volumenhaft ausreichende Isolatoren darstellen, um die Metallschicht auf diesen elektrisch ausreichend isoliert realisieren zu können.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat ein Halbleiter oder ein Glas oder eine Keramik. Im Prinzip ist jedoch jedes Material, das elektrisch ausreichend isolierend für die Bestromung in der Brückenstruktur ist und ausreichend hart und unkomprimierbar ist, um in Kombination mit der Kunststoffschicht eine ausreichende Verdämmung zu leisten, geeignet.
  • Keramik anstelle eines Halbleiters oder Glas reduziert den Energiebedarf weiter, da davon auszugehen ist, dass Keramik härter als ein Halbleiter oder Glas ist und damit die beim Verdampfen der Zündbrücke freigesetzte Energie besser auf den Flyer fokussiert wird.
  • Die Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, Metall anstelle von zum Beispiel aus der Praxis bekanntem dotierten Silizium als Brückenmaterial zu verwenden. Metall weist nochmals einen deutlich geringeren spezifischen elektrischen Widerstand als hochdotiertes Silizium auf, was die Energieeffizienz des Zündbauteils erhöht. Eine entsprechend hohe Dotierung von Silizium erfordert außerdem eine lange Dotierdauer, beispielsweise im Bereich von mehreren, z. B. neun, Monaten. Versuche bzw. Tests mit verschiedenen Änderungen an der Formgebung der Brückenstruktur erfordern so gegebenenfalls Entwicklungszyklen von mehreren Monaten, da entsprechend geformtes Silizium erst wieder monatelang dotiert werden muss. Dieser Nachteil ist bei der Verwendung von Metall als Brückenmaterial vermieden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Metall der Metallschicht Aluminium oder Kupfer oder die Metallschicht enthält derartige Bestandteile als Metall. Auch hier sind jedoch auch andere geeignete Metalle wie z. B. Gold oder Silber denkbar.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kunststoff der Kunststoffschicht Polyimid oder Parylene oder die Kunststoffschicht enthält einen entsprechenden Bestandteil als Kunststoff. Die Schichtdicke der Kunststoffschicht kann zwischen 3µm und 30µm betragen.
  • Die genannten Materialien für Substrat, Metall und Kunststoff haben sich in der Praxis als besonders geeignet erwiesen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist bzw. wird das EFI-Zündbauteil frei von Klebstoff aufgebaut bzw. hergestellt. In den aus der Praxis bekannten Zünd-Bauteilen wird in der Regel Klebstoff verwendet. Spalte / Blasen, vergleichbar mit Lunkern, im Klebstoff oder zwischen Klebstoff und zu klebendem Material sind hier oft unausweichlich und reduzieren den Anteil der von der Verdampfung der Zündbrücke entstehenden Energie, die auf den Flyer übertragen wird. Bei der Herstellung des Zündbauteils wird also ein Verfahren verwendet, welches ohne die Verwendung von Klebstoff auskommt. Mit anderen Worten werden Metallschicht und Kunststoffschicht ohne die Verwendung von Klebstoff auf den entsprechenden Untergründen aufgebracht und befestigt.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 7. Das Verfahren dient zur Herstellung des oben vorgeschlagenen EFI-Zündbauteils. Bei dem Verfahren wird das Substrat, das die Oberfläche aufweist, bereitgestellt. Die Metallschicht wird wenigsten im Umfang der Brückenstruktur unmittelbar und spalt- und lunkerfrei auf der Oberfläche aufgebracht. Mit anderen Worten wird also lediglich die Brückenstruktur aufgebracht oder zusätzliches Metall aufgebracht und später (vor, mit oder nach den nachfolgend erläuterten weiteren Verfahrensschritten) entfernt, sodass erst nach dem Abtrag dann die Brückenstruktur in ihrer Endform verbleibt.
  • Anschließend wird die Kunststoffschicht wenigstens auf die Zündbrücke und deren Umgebungsbereich unmittelbar auf der Metallschicht aufgebracht. Gegebenenfalls wird (wie oben erläutert) hier ein Teil der Kunststoffschicht auch auf der Oberfläche aufgebracht. Auch hier gilt, dass entweder die Kunststoffschicht in ihrer beabsichtigten Endform aufgebracht wird oder zunächst mehr Kunststoff aufgebracht wird, welcher nachträglich wieder entfernt wird, bis die beabsichtigte Endform der Kunststoffschicht erreicht wird bzw. ist.
  • Die Kunststoffschicht wird nach deren Aufbringen durch eine Temper-Behandlung nachbehandelt, also getempert bzw. verbacken.
  • Das Verfahren und zumindest ein Teil dessen möglicher Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen EFI-Zündbauteil erläutert.
  • Die Kunststoffschicht wird insbesondere in deren endgültiger Dicke aufgebracht. Ein Höhenabtrag der Kunststoffschicht findet dann also nicht mehr statt. Allenfalls wird dabei nur noch die Kontur der Kunststoffschicht durch seitliches Abtragen von Kunststoff korrigiert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Metallschicht in Übergröße in Bezug auf die Brückenstruktur auf das Substrat bzw. dessen Oberfläche aufgebracht und nachträglich zur Brückenstruktur hin abgetragen. Die übergroße Metallschicht wird also nachträglich strukturiert, insb. chemisch, mit Laserabtragung, durch Ätzen usw. abgetragen, um in ihre Endform als Brückenstruktur gebracht zu werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Kunststoffschicht in Übergröße in Bezug auf eine gewünschte Endform (Bezug ist das endgefertigte Zündbauteil) hin auf das Metall bzw. die Metallschicht und gegebenenfalls auf das Substrat bzw. dessen Oberfläche aufgebracht und nachträglich auf die gewünschte Form (Endform im fertigen EFI-Zündbauteil) hin abgetragen. Insbesondere wird zumindest ein Teilbereich der Kontaktflächen mit einer Kunststoffschicht überzogen und diese dort später wieder entfernt, um die gesamten Kontaktflächen von Kunststoff zu befreien und zur elektrischen Kontaktierung zugänglich zu machen.
  • In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform wird die Kunststoffschicht in Übergröße auf die gesamte Metallschicht und die gesamte restliche Oberfläche des Substrats aufgebracht. Die gesamte Oberfläche des Substrats wird also mit Kunststoff bedeckt. Unter "Oberfläche" ist hier wieder insbesondere eine Bauteilseite des Substrats zu verstehen, auf welcher die Zündbrücke zu liegen kommt, insbesondere eine Flachseite des Substrats. Insbesondere wird also die gesamte Oberfläche (gesamte Substrat-Oberfläche und aufgetragene Metallschicht) mit der Kunststoffschicht überzogen; insbesondere werden dann nachträglich lediglich die Kontaktflächen wieder von Kunststoff befreit.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Metallschicht durch Aufdampfen auf die Oberläche spalt- und lunkerfrei aufgebracht. Durch Aufdampfen kann eine Spalt- und Lunkerfreiheit besonders gut erreicht werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Kunststoffschicht durch Spin-Coating spalt- und lunkerfrei auf die Metallschicht und gegebenenfalls auf die Oberfläche aufgebracht. Spin-Coating ist das Auftropfen von Kunststoff als Material der Kunststoffschicht auf ein rotierendes Substrat. Durch Spin-Coating kann eine Spalt- und Lunkerfreiheit besonders gut erreicht werden. Alternativ kann auch die Technik des Spray Coatings oder des Dip Coatings oder des CVD (= Chemical Vapor Deposition) angewendet werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt zumindest das Aufbringen der Metallschicht und der Kunststoffschicht und das Tempern unter Vakuum. Ein solches Vakuumverfahren begünstigt bzw. bewirkt bzw. stellt die Spalt- und Lunkerfreiheit besonders gut sicher. Insbesondere wird das Vakuum zwischen den einzelnen Teilschritten Metallisieren, Kunststoff aufbringen, Tempern unterbrechungsfrei gehalten. Insbesondere erfolgt die gesamte Fertigung des EFI- Zündbauteils unter Vakuum.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt zumindest das Aufbringen der Metallschicht und der Kunststoffschicht ohne Verwendung von Klebstoff, wie oben schon erwähnt. Insbesondere erfolgt die gesamte Fertigung des EFI- Zündbauteils ohne Verwendung von Klebstoff.
  • Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigt in einer schematischen Prinzipskizze:
    • Figur 1
    ein EFI-Zündbauteil gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht.
  • Figur 1 zeigt ein EFI-Zündbauteil 2. Dieses enthält ein festes und mechanisch vergleichsweise stabiles Substrat 4. Das Substrat 4 weist vorliegend eine ebene Quaderform bzw. Plattenform auf. An der in Figur 1 oberen Flachseite weist das Substrat 4 eine Oberfläche 6 auf. Das Substrat 4 enthält dabei eine dessen Oberfläche 6 bildende Isolierschicht 8. Das Substrat 4 weist einen spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 10.000 Ohm cm auf. Die Isolierschicht 8 weist einen noch höheren spezifischen elektrischen Widerstand als das Substrat 4 auf. Bezüglich der Oberfläche 6 ist daher das Substrat 4 elektrisch hochohmig ausgeführt.
  • Unmittelbar auf der Oberfläche 6, d.h. unter Zwischenlage keiner sonstigen Materialien, ist eine Metallschicht 10 aufgebracht. Das Metall ist hier Aluminium. Die Metallschicht 10 wurde spalt- und lunkerfrei durch Aufdampfen aufgebracht. Weder zwischen Oberfläche 6 und Metallschicht 10 noch innerhalb der Metallschicht 10 befinden sich also irgendwelche Luftblasen, Hohlräume oder Lunker.
  • Die Metallschicht 10 ist als Brückenstruktur 12 (schraffiert angedeutet) in etwa H-förmig geformt. Die Brückenstruktur 12 besteht aus zwei, hier rechteckförmigen elektrischen Anschlussbereichen 14, die jeweils eine hier nur gestrichelt angedeutete, ebenfalls rechteckförmigen Kontaktfläche 16 aufweisen und einer ebenfalls rechteckförmigen Zündbrücke 18. Die Kontaktflächen 16 sind lediglich bestimmte Flächenabschnitte der Anschlussbereiche 14, unterscheiden sich aber von letzteren nicht bzw. sind einstückig mit diesen ausgeführt. Die hiermit ebenfalls einstückig ausgeführte Zündbrücke 18 verbindet die beiden Anschlussbereiche 14 miteinander in Form einer Reihenschaltung. Die Anschlussbereiche 14 weisen vorliegend eine - hier vorliegend beispielhaft in Diagonalenrichtung gemessen - Querausdehnung 20 (angedeutet durch einen Doppelpfeil) von 5 mm, die Zündbrücke von 0,2mm auf. Die Querausdehnung 20 wird parallel zur Oberfläche 6 betrachtet.
  • Durch Anlegen einer Spannung von hier 1000V bzw. Durchleiten eines sich im Aluminium einstellenden Stromes zwischen den beiden Kontaktflächen 16 kann die Zündbrücke 18 im Betrieb des EFI-Zündbauteils 2 verdampft werden.
  • Die Zündbrücke 18 weist einen Umgebungsbereich 22 auf, der in Figur 1 gestrichelt angedeutet ist. Dieser Bereich ragt zu allen Seiten etwa um 100 % der Querausdehnung 20 der Zündbrücke 18 über letztere hinaus. Der Umgebungsbereich 22 weist in diesem Sinne also etwa die dreifache Querausdehnung 20 der Zündbrücke 18 auf (in Figur 1 nicht weiter dargestellt). Der Umgebungsbereich 22 schließt damit Teile der Anschlussbereiche 14 sowie auch Teile der Oberfläche 6 des Substrats 4 ein bzw. überdeckt diese.
  • Sowohl die Zündbrücke 18 als auch deren Umgebungsbereich 22 ist spalt- und lunkerfrei und vollständig von einer Kunststoffschicht 24 bedeckt. Auch hier ist keinerlei weiteres Material zwischen Kunststoffschicht 24 und Untergrund (Oberfläche 6 / Metallschicht 10) vorhanden. Die Kunststoffschicht 24 ist in Figur 1 lediglich zur Verdeutlichung transparent dargestellt. Die Kunststoffschicht 24 bildet im Betrieb bzw. bei der Auslösung des EFI-Zündbauteils 2 einen Flyer 26 aus, der in Figur 1 gestrichelt angedeutet ist. Der Flyer 26 besteht aus demjenigen Flächenanteil der Kunststoffschicht 24, welche - in Draufsicht von oben auf die Oberfläche 6 - deckungsgleich mit der Zündbrücke 18 ist. Die Kunststoffschicht 24 und damit auch der Flyer 26 besteht hier aus Polyimid.
  • Die Kunststoffschicht 24 ist wie das Substrat 4 fest und zwar ebenfalls insofern eigenstabil, im Vergleich zum Substrat 4 jedoch vergleichsweise instabiler. Dies hat zur Folge, dass bei der Auslösung des Zündbauteils 2, das heißt beim Verdampfen der Zündbrücke 18 das Substrat 4 unbeschädigt und unverformt verbleibt, der Flyer 26 jedoch aus der restlichen Kunststoffschicht 24 ausgebrochen bzw. ausgestanzt wird und in Richtung des Pfeils 28 vom Substrat 4 bzw. der Oberfläche 6 weg beschleunigt wird.
  • Die Festigkeit der Kunststoffschicht 24 wird unter anderem dadurch erreicht bzw. gesteigert, dass die Kunststoffschicht 24 nach dem Aufbringen auf die Metallschicht 10 bzw. Oberfläche 6 getempert wird, also mithilfe einer Temper-Behandlung nachbehandelt wird.
  • Das Zündbauteil 2 enthält keinerlei Klebstoff; auch bei dessen Herstellung wird keinerlei Klebstoff verwendet.
  • Die Herstellung erfolgt derart, dass zunächst das Substrat 4 bereitgestellt wird. Das Substrat 4 bildet das Trägermaterial für das EFI-Zündbauteil 2 und wird hierbei einer Oxidationsbehandlung unterzogen, um die Isolierschicht 8 bzw. Isolationsschicht an der Oberfläche 6 auszubilden. Anschließend wird die Metallschicht 10 in Übergröße auf die Oberfläche 6 aufgebracht, hier durch Aufdampfen. Das heißt, dass mehr Metall aufgebracht wird, als in Figur 1 dargestellt ist. Überschüssiges Metall wird anschließend abgetragen, bis nur noch die in Figur 1 dargestellte Brückenstruktur 12 vorhanden ist. Die Metallschicht 10 bildet damit das Brückenmaterial, also Material der Zündbrücke 18.
  • Anschließend wird das gesamte Substrat 4 bzw. die gesamte Oberfläche 6 einschließlich der Brückenstruktur 12 mit der Kunststoffschicht 24 ebenfalls in Übergröße überzogen. Dies wird mit Hilfe des Spin-Coating-Verfahrens durchgeführt, also das Substrat 4 mit der Metallschicht 10 rotiert und Kunststoff aufgetropft. Der sich verteilende Kunststoff bildet die Kunststoffschicht 24 und stellt somit auch das Material des Flyers 26 dar. Auch der überschüssige Kunststoff wird anschließend abgetragen, bis lediglich der in Figur 1 gezeigte Umgebungsbereich 22 sowie der Zündbrücke 18 noch mit der Kunststoffschicht 24 überzogen ist. Insbesondere sind bzw. werden dadurch die Kontaktflächen 16 der Anschlussbereiche 14 wieder freigelegt, um dort eine nicht dargestellte elektrische Leistungsversorgung zur Bestromung der Zündbrücke 18 anzuschließen.
  • Die Kunststoffschicht 24 wird abschließend mithilfe einer Temperbehandlung mechanisch stabilisiert und noch besser mit dem Untergrund (Metallschicht 10 und Oberfläche 6 bzw. Substrat 4) verbunden.
  • Das gesamte Verfahren wird, nachdem das Substrat 4 bereitgestellt wurde, unter Vakuum durchgeführt. Im gesamten Verfahren wird keinerlei Klebstoff verwendet.
    • Bezugszeichenliste
    • 2
    EFI-Zündbauteil
    4
    Substrat
    6
    Oberfläche
    8
    Isolierschicht
    10
    Metallschicht
    12
    Brückenstruktur
    14
    Anschlussbereich
    16
    Kontaktfläche
    18
    Zündbrücke
    20
    Querausdehnung
    22
    Umgebungsbereich
    24
    Kunststoffschicht
    26
    Flyer
    28
    Pfeil (Flyer)

Claims (16)

  1. EFI-Zündbauteil (2),
    - mit einem Substrat (4), das eine Oberfläche (6) aufweist und das zumindest im Hinblick auf seine Oberfläche (6) elektrisch hochohmig ausgeführt ist,
    - mit einer unmittelbar und spalt- und lunkerfrei auf der Oberfläche (6) aufgebrachten Metallschicht (10),
    - wobei die Metallschicht (10) als Brückenstruktur (12) geformt ist, die zwei elektrische Anschlussbereiche (14) mit jeweiligen Kontaktflächen (16) zur elektrischen Kontaktierung und eine zwischen den Anschlussbereichen (14) liegende, durch Bestromung über die Kontaktflächen (16) und Anschlussbereiche (14) verdampfbare Zündbrücke (18) aufweist,
    - mit einer unmittelbar auf der Metallschicht (10) und gegebenenfalls unmittelbar auf der Oberfläche (6) aufgebrachten, einen Flyer (26) bildenden Kunststoffschicht (24), die zumindest die Zündbrücke (18) und gegebenenfalls einen Umgebungsbereich (22) dieser überdeckt,
    - wobei die Kunststoffschicht (24) nach deren Aufbringen durch eine Temper-Behandlung nachbehandelt ist.
  2. EFI-Zündbauteil (2) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Substrat (4) aus einem festen und im Vergleich zur Kunststoffschicht (24) mechanisch stabilen oder harten Material gefertigt ist.
  3. EFI-Zündbauteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kunststoffschicht (24) aus einem festen und im Vergleich zum Substrat (4) mechanisch instabilen oder weichen Material gefertigt ist.
  4. EFI-Zündbauteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Substrat (4) eine die Oberfläche (6) bildende Isolierschicht (8) aufweist, die die Hochohmigkeit des Substrats (4) zumindest mitbedingt.
  5. EFI-Zündbauteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Substrat (4) ein Halbleiter oder ein Glas oder eine Keramik ist.
  6. EFI-Zündbauteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Metallschicht (10) Aluminium oder Kupfer als Metall enthält oder ist.
  7. EFI-Zündbauteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kunststoffschicht (24) Polyimid oder Parylene als Kunststoff enthält oder ist.
  8. EFI-Zündbauteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das EFI-Zündbauteil (2) frei von Klebstoff aufgebaut ist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines EFI-Zündbauteils (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem:
    - das Substrat (4) mit der Oberfläche (6) bereitgestellt wird,
    - die Metallschicht (10) wenigsten im Umfang der Brückenstruktur (12) unmittelbar und spalt- und lunkerfrei auf der Oberfläche (6) aufgebracht wird,
    - die Kunststoffschicht (24) wenigstens auf die Zündbrücke (18) und deren Umgebungsbereich (22) unmittelbar auf der Metallschicht (10) und gegebenenfalls auf der Oberfläche (6) aufgebracht wird,
    - wobei die Kunststoffschicht (24) nach deren Aufbringen durch eine Temper-Behandlung nachbehandelt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Metallschicht (10) in Übergröße in Bezug auf die Brückenstruktur (12) auf die Oberfläche (6) aufgebracht wird und nachträglich zur Brückenstruktur (12) hin abgetragen wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kunststoffschicht (24) in Übergröße in Bezug auf eine gewünschte Form hin auf die Metallschicht (10) und gegebenenfalls auf die Oberfläche (6) aufgebracht wird und nachträglich auf die gewünschte Form hin abgetragen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kunststoffschicht (24) in Übergröße auf die gesamte Metallschicht (10) und die gesamte restliche Oberfläche (6) des Substrats (4) aufgebracht wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Metallschicht (10) durch Aufdampfen auf die Oberläche (6) spalt- und lunkerfrei aufgebracht wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kunststoffschicht durch Spin Coating spalt- und lunkerfrei auf die Metallschicht und gegebenenfalls auf die Oberfläche aufgebracht wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest das Aufbringen der Metallschicht (10) und der Kunststoffschicht (24) und das Tempern unter Vakuum erfolgt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest das Aufbringen der Metallschicht (10) und der Kunststoffschicht (24) ohne Verwendung von Klebstoff erfolgt.
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