基于LTCC工艺的平面三电极开关和爆炸箔集成芯片的制作方法

本发明涉及炸药起爆技术领域，具体涉及一种基于低温共烧陶瓷工艺的平面三电极开关和爆炸箔集成芯片。

背景技术：

炸药起爆是爆炸力学的研究方向之一。爆炸箔起爆器(explodingfoilinitiator，efi)是一种典型的钝感起爆方式。主要包括基板、爆炸桥箔、飞片、加速膛和药剂。由于爆炸箔起爆器中不含敏感的起爆药，所用装药的感度与高密度猛炸药相当，因此整个起爆系统具有较高的安全性与可靠性。广泛的应用于核武器的引爆系统，以及反坦克导弹、空空导弹、鱼雷等武器装备。另外，爆炸箔起爆技术在灵巧弹药、火箭发动机点火系统、多点起爆(点火)控制系统中也逐渐起到越来越重要的作用。

传统结构形式的爆炸箔起爆器是将各分立器件经手工组合装配而成，效率低、体积大、能耗高。另外，常用的爆炸箔起爆器开关为传统的立体式真空火花开关，体积大、价格高，不利于爆炸箔起爆系统的小型化、集成化。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1000℃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：

本发明的目的在于提供一种基于ltcc工艺的平面三电极开关集成爆炸箔芯片。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于ltcc工艺的平面三电极开关和爆炸箔集成芯片，所述集成芯片分为平面三电极开关和爆炸箔起爆器两部分，具体包括：

基底层：所述基底层在平面三电极开关部分作为载体，在爆炸箔起爆器部分作为反射背板；

金属层：在开关部分作为阴极、阳极和触发极，在爆炸箔部分作为桥箔、过渡区，其中三电极开关的阳极与桥箔通过过渡区相连；过渡区是桥箔两端由窄变宽的区域，还包括与开关的阴极、触发极和爆炸箔的过渡区相连的焊盘；

结构层a：置于金属层之上，在开关部分作为电极槽，在爆炸箔部分作为飞片，以及暴露焊盘的焊盘槽；

结构层b：置于结构层a之上，在开关部分作为电极槽，在爆炸箔部分作为加速膛，和暴露焊盘的焊盘槽；

结构层c：置于结构层b之上，在开关部分作为电极槽，在爆炸箔部分作为装药槽，和暴露焊盘的焊盘槽。

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，金属层的材料为高导电率材料au或ag浆料，并在开关和焊盘上面，再次丝网印刷上pd-ag。

结构层a的材料为以下两种中的一种：一种为20μm-50μm厚的生瓷片材料；另一种为在10μm-15μm厚的釉料上，丝网印刷上一层8-12μm厚的au或ag金属材料，形成的釉料-金属复合材料。

所述开关的阴极、阳极的半径r为1800μm-2200μm，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；桥箔尺寸为0.3mm×0.3mm-0.4×0.4mm，过渡区呈135°-150°夹角，过渡区厚度为5-6μm。

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1000℃的温度下烧结，形成集成芯片。

采用低温共烧陶瓷技术的具体制备过程如下：

第一步：将10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、阳极和触发极，桥箔、过渡区以及焊盘，印制在第十层生瓷片，作为集成芯片的金属层；

第三步：将1层厚度为20μm～50μm生瓷片材料利用机械冲头冲出圆形电极槽和方形焊盘槽，该生瓷片材料作为飞片，将该生瓷片与金属层进行对正，作为集成芯片的结构层a；

第四步：对3层、每层厚度为110μm～114μm的生瓷片进行冲孔处理，冲出圆形电极槽、加速膛和方形焊盘槽，然后将3层生瓷片层层堆叠、对正，作为集成芯片的结构层b；

第五步：利用矩形冲头和圆形冲头，对5层、每层厚度为110μm～114μm的生瓷片进行冲孔，从而得到圆形电极槽、装药槽和方形焊盘槽，然后将5层生瓷片层层堆叠、对正，作为集成芯片的结构层c；

第六步：按照基底层、金属层、结构层a、结构层b、结构层c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，集成芯片制作完成。

所述第二步中桥箔的厚度比周围过渡区薄，桥箔单独印制，与过渡区采用搭接的方式进行连接。

本发明的有益效果在于：

(1)利用低温共烧陶瓷工艺使得平面三电极开关和爆炸箔集成芯片可以一体化烧结制造，实现批量生产，提高产品的一致性，并降低生产成本。

(2)同时，平面三电极开关与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。

(3)该集成芯片结构设计，将开关和爆炸箔起爆器连接在一起，缩短了回路的导线，甚至使回路的导线缩至为零，从而极大的降低了回路的电阻和电感，从而提高了回路的能量利用率。

附图说明

图1平面三电极开关和爆炸箔集成芯片轮廓图。

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结构层c的示意图。

图7平面三电极开关和爆炸箔集成芯片爆炸视图。

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-桥箔，25-过渡区，26-焊盘区，3-结构层a，31-电极槽，32-飞片，33-焊盘槽，4-结构层b，41-电极槽，42-加速膛，43-焊盘槽，5-结构层c，51-电极槽，52-装药槽，53-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7，所述平面三电极开关和爆炸箔集成芯片分为平面三电极开关和爆炸箔起爆器两部分，具体包括基底层(1)、金属层(2)、结构层a(3)、结构层b(4)和结构层c(5)。

所述基底层(1)具有抗折强度为300mpa～320mpa，在平面三电极开关部分作为载体，在爆炸箔起爆器部分作为反射背板。

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，其在开关部分作为阴极(21)、阳极(23)和触发极(22)，在爆炸箔部分作为桥箔(24)、过渡区(25)，其中三电极开关的阳极(23)与桥箔(24)通过过渡区(25)相连；过渡区是桥箔(24)两端由窄变宽的区域，另外还包括与开关的阴极(21)、触发极(22)和爆炸箔的过渡区(25)相连的焊盘(26)，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，并在开关和焊盘(26)上面，再次丝网印刷上pd-ag。

所述结构层a(3)置于金属层(2)之上，并用机械冲头冲出圆形的电极槽和方形的焊盘槽，在开关部分作为电极槽(31)和焊盘槽(33)，在爆炸箔部分作为飞片(32)，结构层a(3)材料可分为两种，一种为20μm～50μm厚的生瓷片材料；另一种为10μm～15μm厚的釉料上，再丝网印刷上一层10μm的au或ag等金属材料，形成的釉料-金属的复合材料；所述结构层b(4)与结构层a(3)制作工艺相同，并置于结构层a(3)之上，在开关部分作为电极槽(41)，在爆炸箔部分作为加速膛(42)，以及焊盘槽(43)；所述结构层c(5)与结构层b(4)的制作工艺相同，并置于结构层b(4)之上，其在开关部分作为电极槽(51)，在爆炸箔部分作为装药槽(52)，另外还包括焊盘槽(53)。

所述的平面三电极开关和爆炸箔集成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1000℃的温度下烧结而成陶瓷元件或基板。该集成芯片的制备过程如下：

第一步，将10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(1)。

第二步，利用丝网印刷工艺，将平面三电极开关的阴极(21)、阳极(23)和触发极(22)，桥箔(24)、过渡区(25)以及焊盘(26)，印制在第十层生瓷片，作为集成芯片的金属层(2)；其中桥箔(24)的厚度比周围过渡区(25)要薄，因此需要单独印制，并与过渡区(25)采用搭接的方式进行连接；

第三步，将1层厚度为20μm～50μm生瓷片材料利用机械冲头冲出圆形电极槽(31)和方形焊盘槽(33)，利用该生瓷片材料作为飞片(32)，将该生瓷片与金属层(2)进行对正，作为集成芯片的结构层a(3)；

第四步，同步骤三，对3层、每层厚度为110μm～114μm的生瓷片进行冲孔处理，冲出圆形电极槽(41)和加速膛(42)和方形焊盘槽(43)，然后将3层生瓷片层层堆叠、对正，作为集成芯片的结构层b(4)；

第五步，同样，将需要挖腔体的生瓷片依次放入打孔机，利用2.0mm的矩形冲头和0.2mm的圆形冲头，对5层、每层厚度为110μm～114μm的生瓷片进行冲孔，从而得到圆形电极槽(51)和装药槽(52)和方形焊盘槽(53)，然后将5层生瓷片层层堆叠、对正，作为集成芯片的结构层c(5)；

第六步，按照基底层(1)、金属层(2)、结构层a(3)、结构层b(4)、结构层c(5)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平面三电极开关和爆炸箔集成芯片制作完成。

实施案例

本实施案例在ltcc爆炸箔起爆器的基础上设计了基于ltcc工艺的平面三电极开关和爆炸箔集成芯片。根据ltcc工艺一体化烧结特性，结合其加工工艺步骤，可将该集成芯片分为基底层(1)、金属层(2)、结构层a(3)、结构层b(4)和结构层c(5)五个部分。其中基底层(1)由10层、每层厚度为110μm的生瓷片组成，在整个集成芯片中作为反射背板。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第十层生瓷片上，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)可分为三部分：平面三电极开关、爆炸箔以及用于连接外部电路装置的焊盘(26)。平面三电极开关包括阴极(21)、阳极(23)和触发极(22)，此处，开关的阴极、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；而爆炸箔部分包括桥箔(24)、过渡区(25)，其中桥箔部分为0.3-0.4×0.3-0.4mm，与过渡区呈135°-150°夹角，厚度为5～6μm；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(26)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a(3)采用一层厚度为50μm的生瓷片作为集成芯片中爆炸箔的飞片(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的圆形电极槽(31)和4mm×3mm的矩形槽(33)。结构层b(4)由3层，每层厚度为110μm的生瓷片组成，并利用直径0.2mm圆形冲头，在桥箔(24)的正上方冲出直径为0.56mm的通孔作为加速膛。结构层c(5)由5层，每层厚度为110μm的生瓷片堆叠组成，并用机械冲头在加速膛的正上方冲出直径为4mm的装药槽。

由此即可完成基于ltcc工艺的平面三电极开关和爆炸箔集成芯片的制备。将集成芯片与外部脉冲功率电源相连接，对其进行点火和起爆试验测试。初步研究表明，在主回路电容0.22μf、加压2430v的条件下，桥箔迅速汽化并形成等离子体，剪切50μm厚的陶瓷飞片，成功的冲击起爆φ4mm×4mm的hns-iv炸药柱。hns-iv药柱爆轰后，芯片已不复存在；另外，该集成芯片在主电容0.22μf、加压1400v情况下，成功点燃了φ5mm×4mm的bpn药柱。实现了点火和起爆功能。

该平面三电极开关和爆炸箔集成芯片结构，极大的缩小了爆炸箔起爆系统的体积，降低了生产成本，缩短了回路中的导线，从而降低了发火能量，提高了回路中的能量利用率。由于该集成芯片结构的小型化，低能化和低成本，使其可作为点火器和起爆器，用在固体火箭发动机的点火和钝感弹药武器系统中的直列式起爆。