薄膜橋點火電阻器的制備與仿真

朱雪婷,魏栩曼,溫占福,王利凱,張 鐸

(1.中國振華集團云科電子有限公司,貴州 貴陽 550018;2.貴州振華電子信息產業(yè)技術研究有限公司,貴州 貴陽 550018)

火工品是將控制信息(或能量)轉換為發(fā)火能量,激發(fā)火工藥劑化學反應,以特定的序列傳遞與放大燃燒或爆炸能量,實現(xiàn)發(fā)火、起爆、做功或產生特征效應的一次性使用的器件、裝置及系統(tǒng)的總稱。薄膜橋點火電阻器是火工品的一種,作為一次性使用的元件在民用爆破、國防軍事、航空等領域有廣泛的應用和需求[1]。傳統(tǒng)的薄膜橋點火電阻器主要采用的是磁控濺射法來制備薄膜橋,學者從薄膜橋的尺寸及結構方面對薄膜橋的發(fā)火性能進行了研究[2-5]。另外,對半導體橋點火電阻器的研究也較多,任煒等[6]制備了1 Ω及3 Ω半導體橋點火電阻器,其中3 Ω半導體橋點火電阻器的不發(fā)火條件為0.6 A、1 W、5 min,在28 μF、50 V作用下,發(fā)火時間為147 μs。楊貴麗等[7]以摻雜的多晶硅為材料,對含能材料半導體橋的發(fā)火特性進行了研究,并證明了半導體發(fā)火橋的發(fā)火存在電熱發(fā)火、電爆發(fā)火和等離子發(fā)火三種情況。但對NiCr合金箔材料作為發(fā)火橋的研究較為鮮見,將這種結構穩(wěn)定并具有已知特性的合金箔片采用先進的貼箔技術粘結在玻纖板上,并結合超精密光刻工藝形成電阻圖形,預計此種薄膜橋點火電阻器具有長期穩(wěn)定、無ESD感應的特點。本文采用NiCr合金箔材料,制備阻值為2 Ω±0.2 Ω的薄膜橋點火電阻器,通過試驗測試和Ansys模擬仿真相結合對其發(fā)火等特性進行了研究。

1 試驗

1.1 薄膜橋點火電阻器橋區(qū)的結構設計

結合國內外常用的薄膜橋點火電阻器的電阻圖形,設計了如圖1所示的電阻圖形。國內外采用的電阻圖形多是折線型或是多根電阻并聯(lián)形式[8-10],但由于這一類型的電阻圖形在加工過程中容易斷裂,致使發(fā)火失敗,因此本文設計的電阻圖形電極為蝶型,電阻橋區(qū)圖形為直線型,采用這種設計的優(yōu)點是電極采用蝶型,增加了散熱面積,使發(fā)火時能量更好地集中在電阻橋的中心區(qū)域,提高點火成功率。

圖1 薄膜橋點火電阻器電阻圖形示意圖Fig.1 Schematic illustration of the thin film bridge ignition resistor

1.2 薄膜橋點火電阻器的制備

制備的薄膜橋點火電阻器主要由三層構成,如圖2所示。第一層為基板,選用FR-5玻纖板作為支撐電阻體的材料,因其導熱系數(shù)較陶瓷基板低,可以使薄膜橋區(qū)在民用爆破點火過程中發(fā)火能量聚集,不易從基板流失;并且因基板具有良好的阻燃性能,可以保護電路不被破壞。第二層為粘結層,采用熱壓貼合工藝將NiCr合金箔牢固地貼于FR-5玻纖板上,可解決傳統(tǒng)的膠水在熱壓過程中的流淌對NiCr合金箔造成二次污染的問題。第三層為電阻體層,以NiCr合金箔作為薄膜橋點火電阻器的電阻材料,電阻圖形的制備采用光刻技術,通過勻膠、曝光、顯影、濕法腐蝕,將電阻體圖形成功地轉移到玻纖板上。

1.3 試驗測試

篩選出阻值為2 Ω±0.2 Ω的薄膜橋點火電阻器,分成兩組,每組各10只,將其安裝在利用電容放電并帶有電流通斷開關的測試板上,一個測試板可以安裝10只薄膜橋點火電阻器,一組用于對不發(fā)火條件進行測試,另一組用于發(fā)火條件測試。試驗過程為:(1)將直流電源與其中一組安裝好薄膜橋點火電阻器的測試板相連,對其施加0.3 A的不發(fā)火電流,按下點火電路板上的發(fā)火開關,測其每一只電阻的阻值的變化量,若阻值無變化,未出現(xiàn)發(fā)火情況,說明該薄膜橋點火電阻器滿足0.3 A不發(fā)火條件測試要求;(2)將直流電源與另一組安裝好薄膜橋點火電阻器的測試板相連,對其逐一施加1.5 A的發(fā)火電流,按下發(fā)火開關后,應能看見明亮的火光出現(xiàn),點火結束后,對每一只產品的絕緣電阻進行測量,若絕緣電阻值≥1 MΩ,說明該薄膜橋點火電阻器滿足1.5 A發(fā)火條件的測試要求。

圖2 薄膜橋點火電阻器結構示意圖Fig.2 The structure schematic illustration of the thin film bridgeignition resistor

1.4 仿真模型

利用Ansys軟件對薄膜橋點火電阻器進行電性能及熱分析,首先定義材料屬性,各材料的密度、導熱系數(shù)、比熱容、電阻率如表1所示。建立模型,FR-5玻纖板的模型是一個2 mm×1.2 mm×0.5 mm的長方體,薄膜橋點火電阻器的有限元模型如圖3所示。

表1 材料屬性表Tab.1 The table of material properties

2 結果與討論

2.1 不發(fā)火試驗

對其中一組樣品進行不發(fā)火試驗測試后,阻值變化率及發(fā)火情況測試結果如表2所示。從表2可看出,對全部樣品進行0.3 A、5 min不發(fā)火試驗后,阻值變化率均為0,均未出現(xiàn)發(fā)火情況,2 Ω±0.2 Ω的薄膜橋點火電阻器均通過了0.3 A、5 min的不發(fā)火試驗測試。

圖3 薄膜橋點火電阻器的有限元模型Fig.3 The finite element model of the thin film bridge ignition resistor

表2 不發(fā)火試驗結果Tab.2 The results of no fire test

2.2 發(fā)火試驗

對另一組樣品進行發(fā)火試驗后,絕緣電阻值測試結果及發(fā)火情況如表3所示。從表3可看出,對所有樣品在1.5 A條件下進行發(fā)火試驗后,所有樣品均發(fā)出明亮火光,發(fā)火后薄膜橋橋區(qū)熔斷,絕緣電阻值均≥1 MΩ,所有樣品在1.5 A發(fā)火條件下,均通過發(fā)火試驗測試。薄膜橋點火電阻器發(fā)火時的效果圖如圖4所示,從圖中可明顯看到發(fā)火時向四周飛濺的火光。發(fā)火后薄膜橋如圖5所示,從圖中可看出,薄膜橋點火電阻器橋區(qū)位置明顯熔斷,而薄膜橋的兩端卻依然保持完整,根據(jù)蝶形金屬薄膜橋不同截面處的阻值[2]:

式中:R為電阻值,單位Ω;ρ為材料的電阻率,單位Ω·m;L為長度,單位mm;W為寬度,單位mm;d為厚度,單位mm。經(jīng)分析可知薄膜橋的橋區(qū)位置的電阻值明顯比薄膜橋兩端的電阻值大,通電后橋區(qū)中心位置的電流密度最高,電能轉化成熱能也最高,NiCr合金箔膜層表面溫升最快,形成能量聚集區(qū),利于實現(xiàn)發(fā)火。

表3 發(fā)火試驗結果Tab.3 The results of fire test

圖4 薄膜橋點火電阻器發(fā)火效果圖Fig.4 The picture of the thin film bridge ignition resistor firing

圖5 點火后薄膜橋Fig.5 The thin film bridge after firing

3 Ansys仿真結果與分析

對薄膜橋點火電阻器有限元模型施以1.5 A、0.5 ms激勵的情況下,對其進行電性能分析及熱分析。其電壓分布圖如圖6所示。從圖中可以看出電壓最大值為2.836 8 V,根據(jù)歐姆定律,可計算出設計的電阻體阻值為1.89 Ω,這與實際做出的樣品阻值相近。薄膜橋點火電阻器的溫度場分布如圖7所示,從圖中可看出,薄膜橋橋區(qū)溫度最高,可達1 507.5℃,NiCr合金材料的熔點為1 400℃,通電時橋區(qū)中心位置的溫度足以將NiCr合金箔熔斷。這一結果也充分驗證了此種薄膜橋電阻圖形設計的優(yōu)勢:電極采用蝶形有效增加了散熱面積,使點火時能量更好的集中在薄膜橋的中心區(qū)域,提高點火成功率。

圖6 薄膜橋點火電阻器電壓分布圖Fig.6 Voltage distributions of the thin film bridge ignition resistor

圖7 薄膜橋點火電阻器溫度場分布圖Fig.7 Temperature distributions of the thin film bridge ignition resistor

4 結論

(1)采用NiCr合金箔制備的薄膜橋點火電阻器,滿足0.3 A、5 min的不發(fā)火條件及1.5 A的發(fā)火條件要求。

(2)薄膜橋點火電阻器橋區(qū)位置的電流密度最高,電能轉化成熱能也最高,NiCr合金箔膜層表面溫升最快,形成能量聚集區(qū),利于實現(xiàn)點火。

(3)仿真結果表明,施加1.5 A的電載荷后,薄膜橋點火電阻器橋區(qū)的溫度最高,可達1 507.5℃,保證了薄膜橋點火電阻器良好的發(fā)火能力,發(fā)火試驗結果與仿真結果相互驗證一致。