基于LTCC工艺的密闭式平面三电极开关芯片的制作方法

本发明涉及高功率脉冲技术领域，具体涉及一种基于ltcc工艺的密闭式平面三电极开关芯片。

背景技术：

开关技术是高功率脉冲的核心，决定着脉冲功率的输出特性，在许多高脉冲功率应用系统中具有重要作用。而高功率脉冲开关的基本要求包括耐电压高、导通电流大、上升时间短、抖动小、电感及电阻小、电极烧损小和重复触发频率高等等。由于高功率脉冲开关的瞬时性和可靠性作用，常被用作爆炸箔冲击起爆回路中的高压触发开关。其中利用气体放电击穿特性工作的立半球形电极火花隙开关最具代表性，具有结构相对简单、能够较准确触发、耐冲击性强、输出脉冲电流大和触发时间短等优点，因而得到了深入研究和广泛应用。

但传统火花隙开关以及真空开关等，它们的体积大，均采用半球式电极组装而成，不易集成，且无论整体大小如何，基本上都是基于精密机械技术设计和制造的，器件对零部件尺寸精度和表面光洁度的要求颇高，装配精度控制需很准确，所以制造成本较高。也有研究者提出平面化设计的想法，但由于采用传统机械加工制作，体积仍未能得到改善，而低温共烧陶瓷技术(lowtemperatureco-firedceramic，ltcc)，其特征是将多层陶瓷元件与多层电路图形技术相结合，以玻璃/陶瓷等材料作为电路的介电层，以au、ag、cu等高导电率金属当做内外层电极材料，并采用平行印刷的方式印制电路，在低于金属熔点约900℃的烧结炉中烧结而成的陶瓷元件或基板。

近年来，随着微加工技术的发展，平面高压开关凭借着可批量化生产和便于集成等特点正在逐步取代传统的立体式触发开关。因此，如何减小起爆系统的体积、提高能量利用率和产品生产效率并降低生产成本，使爆炸箔起爆器能广泛应用于小口径、低造价弹药中，并达到炸药起爆的目的，是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于ltcc工艺的密闭式平面三电极开关芯片。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于ltcc工艺的密闭式平面三电极开关芯片，所述开关芯片的三个电极被密闭在一个空腔内，具体包括：

基底层：所述基底层作为平面三电极开关芯片的载体结构；

金属层：置于基底层之上，包括开关芯片的阴极、触发极和阳极，和与开关的阴极、触发极和阳极相连的焊盘；

结构层a：置于金属层之上，包括电极空腔及裸露焊盘的焊盘槽；

结构层b：置于结构层a之上，包括电极空腔的上盖，和裸露焊盘的焊盘槽。

进一步的，所述金属层的电路图形通过丝网印刷工艺印制在基底层之上，所述丝网印刷工艺采用的浆料为au或ag浆料，在au或ag层上再次丝网印刷上pd-ag，形成金属层。

进一步的，所述阴极、阳极为单圆弧道，其半径r为1800μm-2200μm。

进一步的，所述阴极、阳极为多圆弧道，多圆弧道的个数为6-10个，每个小圆弧道的半径r为220μm-300μm。

进一步的，所述阴极与阳极间隙为600μm-1500μm，触发极宽度为180μm-220μm，触发极与阴极的间隙为140-160μm。

进一步的，所述结构层b采用每层厚度为110-114μm，共3-5层的生瓷片，作为电极空腔的上盖，将开关的电极密闭在固定体积的空腔内。

一种上述的基于ltcc工艺的密闭式平面三电极开关芯片的制备方法，所述制备方法采用低温共烧陶瓷技术，利用导体浆料以间隙丝网印刷技术印制电路，经过定位、热压、在低于900℃的温度下烧结，形成开关芯片。

进一步的，所述方法具体包括如下步骤：

第一步：将6-9层、每层厚度为110μm-114μm的生瓷片材料层层堆叠、对正，作为集成芯片的基底层；

第二步：利用丝网印刷工艺，将平面三电极开关的阴极、触发极、阳极和和与开关的阴极触发极和阳极相连的焊盘，印制在最上层生瓷片，作为开关芯片的金属层；

第三步：对6-8层、每层厚度为110μm-114μm的生瓷片进行冲孔处理，冲出圆形电极空腔和方形焊盘槽，然后将生瓷片层层堆叠、对正，作为开关芯片的结构层a；

第五步：利用方形冲头，对3-5层、每层厚度为110μm-114μm的生瓷片进行冲孔，从而得到方形焊盘槽，然后将3-5层生瓷片层层堆叠、对正，作为集成芯片的结构层b；

第六步：按照基底层、金属层、结构层a、结构层b的顺序，逐层叠放、校位，然后放在静压机中进行热压；

第七步：将热压后的基板放入烧结炉中，在800-950℃下进行烧结；

第八步：划片形成独立单元，进行通断检测，开关芯片制作完成。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

(1)利用低温共烧陶瓷工艺，在170mm×170mm的生瓷片上，按阵列排布密闭式三电极开关单体版图后，将焊盘槽、电极空腔的对应位置依次对陶瓷生片做冲孔处理；采用丝网印刷技术按设计依次印刷相应厚度的金属图形；将处理完成后的陶瓷片进行叠压并在900℃低温下烧结制成基板，最后对基板划片封装，实现密闭式平面三电极开关芯片一体化烧结制造，最后对基板进行划片封装，实现产品的批量化，提高产品的一致性，并降低生产成本。

(2)利用ltcc工艺设计平面三电极开关的上盖，即可将开关电极封闭起来，该密闭式的平面三电极开关与常规的裸漏在空气中的三电极开关相比，由于其电极空腔内的气体压力稳定，不会受到外界空气湿度、温度的干扰，使得开关作用的稳定性增加，减小了开关的时间抖动，提高了开关的重复触发频率，延长了开关的使用寿命。

(3)平面三电极开关与其它平面式微加工开关(平面电爆炸开关和肖特基单触发开关)相比，具有多次导通和便于检测等优点，在爆炸箔起爆系统中发挥着重要的作用。

附图说明

图1密闭式平面三电极开关芯片轮廓图。

图2图1的a-a线剖视图。

图3金属层示意图。

图4结构层a的示意图。

图5结构层b的示意图。

图6密闭式平面三电极开关芯片爆炸视图。

附图标记说明：

1-基底层，2-金属层a，21-阴极，22-触发极，23-阳极，24-焊盘，3-结构层a，31-电极空腔，32-焊盘槽，4-结构层b，41-电极空腔上盖，42-焊盘槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1～图6，所述密闭式平面三电极开关芯片具体包括基底层1、金属层2、结构层a3、结构层b4。

所述基底层1由6-9层、每层厚度为110μm～114μm的生瓷片材料层层堆叠而成，该类型生瓷片的抗折强度为300mpa～320mpa，作为密闭式平面三电极开关部分的载体。

所述金属层2的电路图形通过丝网印刷工艺印制在基底层1之上，作为开关的阴极21、触发极22和阳极23，以及与三电极开关的阴极21、触发极22和阳极23相连的焊盘24，便于与外部电路连接；金属层2的结构如图3所示；金属层2的材料为高导电率材料au或ag浆料，并在开关电极和焊盘24上面，再次丝网印刷上pd-ag，目的是为了防止电极材料的烧蚀和便于与外电路焊接。

所述结构层a3置于金属层2之上，并用机械冲头冲出圆形的电极空腔和方形的焊盘槽，结构层a3材料由每层厚度为110μm～114μm、共6-8层生瓷片堆叠而成；所述结构层b4与结构层a3制作工艺相同，由每层厚度为110μm～114μm，共3-5层生瓷片堆叠而成，并置于结构层a3之上，作为密闭式开关的电极空腔的上盖41，以及焊盘槽42。

所述的密闭式平面三电极开关芯片通过低温共烧陶瓷技术而制备。低温共烧陶瓷技术，是以玻璃/陶瓷材料作为电路的介电层，应用au、ag、pd/ag等高电导率金属当做内外层电极，利用导体浆料以间隙丝网印刷技术印制电路，经过定位、热压，在低于900℃的温度下烧结而成陶瓷元件或基板。该芯片的制备过程如下：

第一步，将6-9层、每层厚度为110μm～114μm的生瓷片材料层层堆叠、对正，作为芯片的基底层1。

第二步，利用丝网印刷工艺，以au、ag等金属浆料作为电极材料，以pd/ag、pt/au等作为防烧蚀材料，将密闭式平面三电极开关的阴极21、触发极22和阳极23以及焊盘24，印制在基底层1的最上层生瓷片，作为开关芯片的金属层2；

第三步，将6-8层，每层厚度为110μm～114μm的生瓷片材料利用机械冲头冲出圆形电极空腔31和方形焊盘槽32，将该生瓷片与金属层2进行对正，作为开关芯片的结构层a3；

第四步，同步骤三，对3-5层、每层厚度为110μm～114μm的生瓷片进行冲孔处理，冲出方形焊盘槽42，然后将3-5层生瓷片层层堆叠，并与结构层a3对正，形成了结构层b4作为开关芯片的电极空腔的上盖；

第五步，按照基底层1、金属层2、结构层a3和结构层b4的顺序，逐层叠放、校位，然后放在静压机中进行热压；

第七步，将热压后的基板放入烧结炉中并在900℃进行烧结；

第八步，划片形成独立单元，并进行通断检测。

至此，基于低温共烧陶瓷技术的密闭式平面三电极开关芯片制作完成。

实施例

本实施案例设计了基于ltcc工艺的密闭式平面三电极开关芯片。根据ltcc工艺一体化烧结特性，结合其加工工艺步骤，可将该开关芯片分为基底层1、金属层2、结构层a3和结构层b4四个部分。

其中基底层1由6-9层、每层厚度为110μm～114μm的生瓷片组成，在整个芯片中作为开关的载体。金属层2是采用间隙丝网印刷的工艺，以au浆料作为导电材料，将图形均匀的印制在基底层最上层生瓷片上，au浆料的厚度通过丝网的厚度来控制，一般为8μm～12μm；金属层2可包括平面三电极开关的三个电极，阴极21、触发极22和阳极23以及用于连接外部电路装置的焊盘24。

此处，开关设计为单弧道，其阴极、阳极的半径r为1800-2200μm，阴极与阳极间隙设为600-1500μm，触发极宽度设为180-220μm，触发极与阴极的间隙设为150μm-250μm；au金属图形印刷完后，再将pd/ag采用丝网印刷的工艺印制在平面三电极开关和焊盘24的au上，目的是防止开关电极材料的烧蚀以及便于外部电路的焊接。结构层a3采用6-8层、每厚度为110μm～114μm的生瓷片作为开关芯片中的电极空腔31和焊盘槽32，并分别利用直径为0.2mm的圆形冲头和2.0mm矩形冲头冲出直径为3mm的圆形电极空腔31和4mm×3mm的矩形焊盘槽32。结构层b4由3-5层，每层厚度为110μm～114μm的生瓷片组成，并利用2.0mm矩形冲头冲出矩形焊盘槽42。

由此即可完成基于ltcc工艺的密闭式平面三电极开关芯片的制备。将开关芯片与外部脉冲功率电源相连接，即可对其进行自击穿电压ub、时间抖动、工作范围、开关的电阻和电感、重复频率性能等多个方面的试验测试。该密闭式平面三电极开关芯片结构，由于将开关的电极密封在一个固定体积的空腔内，腔内气体的主要成分是氮气，提高了其自击穿电压值，且空腔内的气体压力稳定，不会受到外界空气湿度、温度的干扰，使得开关作用的稳定性增加，减小了开关的时间抖动，提高了开关的重复触发频率，延长了开关的使用寿命。又由于开关的小型化、平面化，极大的缩小了爆炸箔起爆系统的体积，降低了生产成本，使其可取代传统的立体式火花隙开关，用于爆炸箔起爆回路中作为触发开关。