基于非硅微制造工藝的爆炸箔起爆器研究

李可為， 褚恩義， 薛艷， 解瑞珍， 任小明， 任西， 劉蘭， 劉衛(wèi)

(陜西應(yīng)用物理化學研究所 應(yīng)用物理化學國家級重點實驗室, 陜西 西安 710061)

基于非硅微制造工藝的爆炸箔起爆器研究

李可為， 褚恩義， 薛艷， 解瑞珍， 任小明， 任西， 劉蘭， 劉衛(wèi)

(陜西應(yīng)用物理化學研究所 應(yīng)用物理化學國家級重點實驗室, 陜西 西安 710061)

為了實現(xiàn)爆炸箔起爆器的集成化和批量化制備，研究了爆炸箔起爆器非硅微制造工藝技術(shù)。采用磁控濺射和光刻技術(shù)制備了橋箔，通過紫外厚膠技術(shù)在橋箔上制備了聚甲基丙烯酸甲酯光刻膠飛片層，并利用SU-8光刻膠集成制造了加速膛，劃片后一個襯底上制備了268個爆炸箔起爆器組件，每個組件的體積為0.018 cm3. 集成后的爆炸箔起爆器50%發(fā)火感度為2 185 V. 試驗了爆炸箔起爆器組件的耐高溫性能，結(jié)果表明在160 ℃下經(jīng)歷50 h以后，爆炸箔起爆器組件依然可以正常起爆Ⅳ型六硝基菧炸藥柱。

兵器科學與技術(shù)； 爆炸箔起爆器； 非硅微制造工藝； 磁控濺射

0 引言

爆炸箔起爆器具有本質(zhì)安全性的優(yōu)點，是目前最為安全鈍感的火工品[1-2]。自從1965年Stroud提出爆炸箔起爆器的概念至今，發(fā)達國家一直沒有間斷地對此加以研究[3]。傳統(tǒng)爆炸箔起爆器主要基于機械加工和分立裝配工藝，成本過高且難以實現(xiàn)大規(guī)模制造。近年來隨著微制造(MEMS)技術(shù)工藝的發(fā)展，實現(xiàn)爆炸箔起爆器的集成化和規(guī)?；圃斐蔀榭赡堋?005年施志貴等[4]利用硅MEMS技術(shù)制作了一種集成化的爆炸箔起爆器，提高了爆炸箔起爆器的加工精度和可靠度，且便于大規(guī)模制造和集成加工。2009年Desal等[5]采用MEMS工藝制作了一種爆炸箔起爆器，該雷管加速膛采用SU-8膠，制造工藝簡單，但是文中并未提及飛片材料和制作工藝。2011年曾慶軒等[6]利用銅做橋箔，在上面黏貼聚酰亞胺飛片，并利用某環(huán)氧樹脂曝光顯影制得加速膛，實現(xiàn)了爆炸箔起爆器的集成化制造。2016年房曠等[7]利用化學氣相沉積技術(shù)制作聚氯代對二甲苯飛片，利用SU-82150光刻膠曝光顯影制作加速膛，實現(xiàn)了爆炸箔起爆器組件的“原位”集成，針對新型飛片和加速膛材料，測試了飛片速度，結(jié)果顯示新型飛片速度接近聚酰亞胺飛片速度。目前公開報道的能起爆Ⅳ型六硝基菧(HNS-Ⅳ)炸藥的MEMS爆炸箔起爆器是基于硅加工工藝，制備工藝復雜。近年來非硅MEMS技術(shù)得到很大發(fā)展，給爆炸箔起爆器的尺寸和材料選擇帶來機會。本文以磁控濺射技術(shù)制作橋箔，以紫外(UV)厚膠技術(shù)工藝制作飛片和加速膛，制備了基于非硅MEMS技術(shù)的爆炸箔起爆器，實現(xiàn)了爆炸箔起爆器的批量化和集成化制備。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝制備

1.1 結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計

爆炸箔起爆器采用準平面型結(jié)構(gòu)設(shè)計(見圖1)?；宓淖饔檬菍虿姳ê笮纬傻牡入x子體反射到飛片一側(cè)，對基板的要求是絕緣和表面光滑，并且要有一定的厚度和硬度。本文采用具有良好熱力學和機械性能的Pyrex7740玻璃作為基板。尺寸(長度×寬度)為5 mm×5 mm，厚度為500 μm. 橋箔材料為銅，橋區(qū)的尺寸(長度×寬度)選擇0.3 mm×0.3 mm，厚度為4.5 μm. 對飛片的要求主要是韌性好、強度高和絕緣性好。為了簡化工藝，同時與MEMS工藝相兼容，注意到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光刻膠可能符合對飛片的要求，且使用光刻膠可以更好地控制飛片的厚度，因此嘗試PMMA光刻膠作為飛片，厚度選擇25 μm. 加速膛在爆炸箔起爆器中主要有3個作用：一是在等離子體的作用下將飛片層沿加速膛內(nèi)徑剪切形成飛片；二是消除橋箔4個角上很高的電壓梯度；三是限制稀疏波對等離子體強度的削弱。常用的加速膛材料是藍寶石、紅寶石、有機玻璃、陶瓷等。為了便于與爆炸箔飛片組件集成加工，同時與MEMS技術(shù)相兼容，選擇具有良好硬度和熱力學性能的SU-8膠作為加速膛材料。加速膛的長度一般為橋箔厚度的50～100倍，選擇長度400 μm，加速膛直徑選擇為0.45 mm.

圖1 爆炸箔起爆器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of EFI

1.2 樣品制備

爆炸箔起爆器采用非硅MEMS工藝制造，主要工藝流程如圖2所示。

圖2 非硅MEMS爆炸箔起爆器工藝流程Fig.2 Process flow of non-silicon EFI

1.2.1 制備橋箔陣列

為了增強銅膜與襯底的黏附力，一般需要預(yù)濺射一層鎳做打底材料，然后在4 in玻璃片上濺射一層銅膜。然后進行勻膠、光刻、顯影、腐蝕、去膠等工藝，從而實現(xiàn)橋箔的批量化制造。制作好的橋箔陣列如圖3所示。

圖3 橋箔陣列Fig.3 Exploding foil array

1.2.2 制備飛片陣列

PMMA是一種應(yīng)用廣泛的光刻正膠，常用于制造高深寬比的模具。類似于一般的光刻工藝流程，首先進行勻膠，然后進行前烘和UV曝光，波長選擇220 nm. PMMA需要的曝光時間較長，根據(jù)曝光量和光刻機光強選擇時間為30 min. 最后再經(jīng)過后烘和顯影，就完成了飛片陣列的制作。

1.2.3 制備加速膛陣列

加速膛的工藝流程類似于飛片，只是將PMMA膠換成SU-8膠，光固化的SU-8膠具有良好的機械性能與熱力學性能，是一種很有應(yīng)用潛力的加速膛材料，本文采用美國MICROCHEM公司生產(chǎn)的SU-82150型光刻膠。首先進行勻膠，膠厚控制在400 μm左右。然后進行前烘，前烘的時間要足夠長，以保證SU-8膠中的水分能夠充分散失。SU-8膠的曝光時間很短，僅需要數(shù)十秒即可。最后再進行后烘顯影即可，由于采用“原位”集成的工藝，在完成加速膛陣列制備的同時也完成了爆炸箔起爆器組件陣列的制備。如圖4所示，整個4 in片子制作了268個爆炸箔起爆器組件。

圖4 集成化的爆炸箔起爆器組件陣列Fig.4 Integrated EFI chip array

1.2.4 劃片、炸藥裝配和焊線

將制作好的爆炸箔起爆器組件陣列進行劃片，采用砂輪劃片機，劃片線的寬度為120 μm. 劃片后的爆炸箔起爆器組件如圖5所示。再將炸藥柱黏貼在加速膛上面，膛孔對準炸藥柱的中心。最后將銅帶焊接在橋箔兩側(cè)的焊盤上即可。這就完成了爆炸箔起爆器的制作。

圖5 爆炸箔起爆器組件(放大100倍)Fig.5 EFI chip(100×)

2 性能試驗

2.1 橋箔電爆炸試驗

橋箔在爆炸箔起爆器中的作用是：在脈沖大電流的作用下迅速產(chǎn)生能量沉積，沉積的能量一部分用于自身的相變，其余的能量用于擊穿汽化后的橋箔，產(chǎn)生高溫高壓的等離子體。在整個過程中橋箔自身體積不斷膨脹，產(chǎn)生的高壓切割PMMA光刻膠層產(chǎn)生飛片?？梢姌虿诒ú鸨髦衅鹬芰砍练e與傳遞的關(guān)鍵作用。為了研究爆炸箔起爆器的起爆性能，必須對橋箔的電爆炸性能進行測試。

2.1.1 試驗裝置與原理

橋箔電爆炸性能試驗裝置主要包括高壓電源、數(shù)字高壓表、脈沖功率源、示波器、電流環(huán)(羅果夫斯基線圈)、分壓器等幾部分。脈沖功率源又包括薄膜電容、高壓開關(guān)、升壓器和電路等。其中高壓電源用來給脈沖功率源充電并提供觸發(fā)信號，數(shù)字高壓表用來顯示脈沖功率源的充電電壓，電流環(huán)用來檢測橋箔中的爆發(fā)電流信號，分壓器用來檢測橋箔兩端的爆發(fā)電壓信號，示波器用來記錄電流環(huán)檢測到的電流信號和分壓器檢測到的電壓信號。電流環(huán)的型號是5800C，靈敏度為0.01 V/A. 試驗電路如圖6所示。

圖6 橋箔電爆炸試驗裝置Fig.6 Electric exploding test device of exploding foil

2.1.2 試驗結(jié)果與分析

在不同的起爆電壓下測試得到的爆發(fā)電流和爆發(fā)電壓曲線如圖7～圖12所示，其中黃色曲線代表電流信號，藍色曲線代表電壓信號。根據(jù)電流電壓曲線圖可以直接讀出峰值電流、爆發(fā)電流、爆發(fā)電壓、峰值電流時間和爆發(fā)電壓時間等橋箔的電爆炸參數(shù)，對應(yīng)的數(shù)值見表1.

圖7 1.5 kV起爆電壓下爆發(fā)電流與爆發(fā)電壓測試波形圖Fig.7 Waveform graph of burst current and burst voltage at initiation voltage of 1.5 kV

圖8 1.8 kV起爆電壓下爆發(fā)電流與爆發(fā)電壓測試波形圖Fig.8 Waveform graph of burst current and burst voltage at initiation voltage of 1.8 kV

圖9 2.0 kV起爆電壓下爆發(fā)電流與爆發(fā)電壓測試波形圖Fig.9 Waveform graph of burst current and burst voltage at initiation voltage of 2.0 kV

圖10 2.2 kV起爆電壓下爆發(fā)電流與爆發(fā)電壓測試波形圖Fig.10 Waveform graph of burst current and burst voltage at initiation voltage of 2.2 kV

圖11 2.4 kV起爆電壓下爆發(fā)電流與爆發(fā)電壓測試波形圖Fig.11 Waveform graph of burst current and burst voltage at initiation voltage of 2.4 kV

從圖7和圖8可以看出，當充電電壓低于2 kV時，爆發(fā)電壓曲線上升前沿平緩，說明此時橋箔并未充分爆炸。如圖9～圖12所示，當起爆電壓超過2 kV時，觀察到爆發(fā)電壓曲線上升前沿陡峭，橋箔電爆炸

圖12 2.6 kV起爆電壓下爆發(fā)電流與爆發(fā)電壓測試波形圖Fig.12 Waveform graph of burst current and burst voltage at initiation voltage of 2.6 kV

充電電壓/kV峰值電流/A爆發(fā)電流/A爆發(fā)電壓/V峰值電流時間/ns爆發(fā)電壓時間/ns1.5164010605302403601.81860164010303284002.02160180010802402802.22360180013002403122.42520252013102242242.6282025201270208272

激烈。由表1可以看出，隨著充電電壓的增加，峰值電流、爆發(fā)電流和爆發(fā)電壓呈逐漸增加的趨勢，而峰值電流時間和爆發(fā)電壓時間呈逐漸減少的趨勢。在2.4 kV充電電壓下，峰值電流和爆發(fā)電流基本重合，峰值電流時間和爆發(fā)電壓時間基本重合，此時能量利用率最高，也就是說2.4 kV是該橋箔的最佳起爆電壓。這是因為在電阻、電感、電容放電回路中，當回路電流達到最大時，發(fā)火電容儲能最小，此時沉積在橋箔上的能量達到最大，爆炸時間超前或者滯后于峰值電流時間都會造成能量的浪費。對比韓志偉等[8]在相同起爆條件下測得的電爆炸參數(shù)值，可以看出本文的峰值電流和爆發(fā)電流數(shù)值都有明顯提高，因此認為本文制備的橋箔具有良好的電爆炸性能。

2.2 發(fā)火感度試驗

利用蘭利法測試非硅MEMS爆炸箔起爆器發(fā)火感度。蘭利法是一種在火工品行業(yè)廣泛使用的感度估計方法，克服了升降法步長固定的缺陷，并且可以很快地收斂到均值。但是蘭利法對總體參數(shù)估計的計算過程復雜，需要計算機輔助。試驗中對于數(shù)據(jù)的處理，本文采用了由陜西應(yīng)用物理化學研究所研制的一種火工品感度試驗用便攜式計算個人數(shù)碼助理(PDA)[9]。感度下限設(shè)置為1 200 V，感度上限設(shè)置為2 400 V. 將圖5所示的爆炸箔起爆器組件裝配藥柱，采用裝藥密度為90%的HNS-Ⅳ炸藥柱，直徑3 mm、高度3 mm. 測得數(shù)據(jù)見表2.

表2 爆炸箔起爆器感度測試數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果表明，利用非硅MEMS工藝制備的爆炸箔起爆器組件可以成功地起爆HNS-Ⅳ炸藥，采用PMMA光刻膠和SU-8光刻膠等新型材料制備爆炸箔起爆器是合理的。就感度測試結(jié)果來看，全發(fā)火電壓為2 452 V，這與2.1.2節(jié)中橋箔的最佳起爆電壓是基本一致的，可見橋箔是影響爆炸箔起爆器發(fā)火電壓的重要因素。同低電壓爆炸箔起爆器相比，該試驗結(jié)果全發(fā)火電壓明顯偏大，標準差過大。發(fā)火電壓過大的原因可能是橋箔電阻過小，造成橋箔沉積能量過低，也有可能是飛片厚度過大，造成在相同動能下飛片速度過低，這也會造成發(fā)火電壓的增大。而標準偏差過大的原因可能是飛片的厚度均勻性差，由于形成飛片的厚膠黏度過高，造成流動性差，進而影響飛片均勻性，可以通過將飛片層采用化學機械拋光的工藝來提高平整度。影響爆炸箔起爆器發(fā)火電壓和標準偏差的因素是多種多樣的，因此非硅MEMS爆炸箔起爆器還需優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，尤其是橋箔的尺寸和飛片厚度。

2.3 高溫性能試驗

由于使用PMMA光刻膠和SU-8光刻膠作結(jié)構(gòu)組件，考慮到爆炸箔起爆器在高溫下應(yīng)用的可能性，對該爆炸箔起爆器組件進行了高溫性能試驗。試驗條件為：溫度160 ℃，濕度15%，時間50 h. 分別從表觀、顯微視野和試驗上比較了試驗前后爆炸箔起爆器組件結(jié)構(gòu)和性能變化情況。

2.3.1 表觀

高溫試驗前后的照片如圖13所示。由此可以看出爆炸箔起爆器組件除了顏色略微變深以外，其他方面沒有明顯變化，沒有出現(xiàn)變形和流動。

圖13 爆炸箔起爆器組件試驗前后照片F(xiàn)ig.13 Photos of EFI chip before and after experiment

2.3.2 顯微視野

高溫試驗前后在光學顯微鏡下的的照片如圖14。由此可以看出，爆炸箔起爆器組件并沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形。飛片的表面粗糙度略有變化，加速膛形狀沒有發(fā)生變化。

圖14 爆炸箔起爆器組件試驗前后光學顯微鏡照片(放大100倍)Fig.14 Microscopic photos of EFI chip before and after experiment(100×)

2.3.3 發(fā)火試驗

為了進一步確認高溫試驗后爆炸箔起爆器組件的性能有無變化，對經(jīng)過高溫試驗的樣品進行起爆HNS-Ⅳ炸藥試驗。電壓選取全發(fā)火電壓2 452 V，其他試驗條件同2.2節(jié),數(shù)量3發(fā)。試驗結(jié)果見表3.

表3 高溫試驗后爆炸箔起爆器起爆測試數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果表明，160 ℃高溫下經(jīng)歷50 h連續(xù)高溫后非硅MEMS爆炸箔起爆器組件依然可以正常起爆標準HNS-Ⅳ炸藥柱。利用PMMA光刻膠和SU-8光刻膠制備爆炸箔起爆器組件結(jié)構(gòu)可以滿足耐高溫的需要。

3 結(jié)論

1)以銅作為橋箔材料，以PMMA光刻膠和SU-8光刻膠分別做飛片和加速膛材料，利用非硅MEMS技術(shù)可以成功實現(xiàn)爆炸箔起爆器的集成化和批量化制備，且制備工藝簡單。

2)利用非硅MEMS技術(shù)在4in襯底上可以同時制備268個爆炸箔起爆器單元，每個單元的體積為0.018 cm3，提高了爆炸箔起爆器的生產(chǎn)效率。

3)利用磁控濺射技術(shù)制備的橋箔具有良好的電爆炸性能，最佳起爆電壓為2.4 kV左右。

4)非硅MEMS爆炸箔起爆器可以成功起爆HNS-Ⅳ標準炸藥柱。蘭利法計算數(shù)據(jù)表明，該爆炸箔起爆器50%起爆電壓為2 185 V，標準差為76 V，全發(fā)火電壓2 452 V，不發(fā)火電壓為1 917 V. 起爆電壓偏高，標準差偏大。

5)非硅MEMS爆炸箔起爆器在160 ℃下至少可以耐高溫50 h.

References)

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Research on Exploding Foil Initiator Based on Non-silicon MEMS Technology

LI Ke-wei， CHU En-yi， XUE Yan， XIE Rui-zhen， REN Xiao-ming， REN Xi， LIU Lan， LIU Wei

(National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry， Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute， Xi’an 710061， Shaanxi， China)

The non-silicon MEMS manufacturing technology of exploding foil initiator (EFI) is studied to realize the integration and large-scale manufacture of EFI. The integrated bridge foils are fabricated by magnetron sputtering and lithography technology. The PMMA photoresist flyer layer is fabricated on the bridge foil by UV thick photoresist lithography process. SU-8 photoresist is used to fabricate the acceleration chamber. 268 EFI chips are prepared on a wafer substrate with 0.018 cm3for each chip. 50% ignition sensitivity of the integrated EFI is 2 185 V. The high temperature resistance of EFI chip is tested at 160 ℃ for 50 h. The results show that the EFI chips could reliably detonate HNS-Ⅳ.

ordnance science and technology； exploding foil initiator； non-silicon MEMS； magnetron sputtering

2016-07-21

總裝備部預(yù)先研究項目(2016年)

李可為(1992—), 男, 碩士研究生。E-mail: 994060346@qq.com

褚恩義(1965—), 男, 研究員。E-mail: enyichu@126.com

TJ450.2

A

1000-1093(2017)02-0261-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.008