1 引言

随着弹药对安全性的要求越来越高, 火工品的钝感性能也备受关注, 钝感电火工品的技术指标为发火电流5A/50ms, 安全性1A1W5min, 脚-脚间防静电^[1]。钝感火工品的换能元主要包括传统的金属桥丝、桥带、半导体桥, 以及金属膜桥。金属桥膜是21世纪初期伴随微电子机械系统(MEMS)技术发展起来, 主要由基底、金属薄膜有效作用区和导电层三个部分构成。当薄膜横截面积较大时, 其发火与灼热桥丝式作用机理相近, 为热传导机理; 当薄膜横截面积较小时, 其发火与半导体桥作用机理相近, 为微对流作用机理^[2]。与桥丝、桥带等相比, 桥膜具有外形可调、一致性高、易于小型化等优点, 可满足多层复合式结构等特殊形状的设计需求; 同时, 因具有点火可靠性高、安全性能好、响应快等特点而受到广泛关注。

美国Vishay公司^[3]、微组装技术(MAT)公司^[4]、法国国家科学研究中心^[5]、新加坡国立大学机电学院^[6]和韩国科学技术研究院^[7]等机构已开展了金属膜桥的研究。其中, 美国对金属膜桥低能发火的研究较为突出^[8], 其他国家主要对其安全性开展了相关研究。我国在金属膜桥研究方面主要以提高安全性的火工元件钝感为主, 研制的金属膜桥所需的发火能量较高, 发火电压最低为34.5 V(恒压)^[9]。虽然我国用于加热元件的制膜工艺研究较为成熟, 如大连理工大学研究的Ni-Cr金属薄膜加热器^[10], 但火工器件研究与先进的MEMS制造工艺脱离, 不满足钝感电火工品的新要求。为此, 本研究采用磁控溅射、光刻、湿法腐蚀等技术制备了一种特定尺寸的Ni-Cr合金薄膜桥换能元, 测定了其电阻率, 并在此基础上, 设计加工了电阻为1Ω的薄膜换能元。与陶瓷电极塞集成后, 对发火件的安全性、点火性、作用时间等参数进行了测试, 并与半导体桥、钝感Ni-Cr桥带的安全电流、最小全发火电流和作用时间等进行了对比分析, 获得了一种适用于钝感火工品的新型膜桥换能元。

2 实验 2.1 Ni-Cr金属桥膜换能元的制备工艺与条件

金属桥膜的结构主要分四层:第一层选用绝缘性好、导热系数高, 能有效提高换能元钝感性能的95%Al₂O₃陶瓷为基底; 第二层为将电能转换成热能的Ni-Cr(80%Ni、20%Cr)金属桥膜; 第三层为提高Ni-Cr层与焊接层之间的薄膜结合力的过渡层; 第四层为电阻率低、导热性能与环境稳定性好, 起焊接、保护表面和导通作用的焊接层。制备好的Ni-Cr桥膜换能元与陶瓷电极塞进行集成, 集成结构见图 1。

Ni-Cr桥膜换能元制备工艺流程为:清洗→溅射Ni-Cr层→溅射过渡层→溅射焊接层→匀胶→光刻→显影→刻蚀→去胶→清洗→匀胶→套刻→显影→刻蚀→去胶→清洗→分离→集成。

本研究利用标准清洗法(丙酮、无水乙醇、去离子水), 在超声波中清洗陶瓷基板后, 将基板放入磁控溅射设备中, 采用三靶共溅, 在真空度为2×10^-3 Pa的条件下进行溅射, 选用的惰性气体为Ar气, 流量为80 mL, 溅射电压分别为150, 150, 200 W; 溅射一定时间后, 停止, 换上过渡层的金属靶和焊接层的金属靶, 采用单靶溅射法分别进行薄膜的溅射, 得样品薄膜。

对所得薄膜进行表征, 结果如图 2所示。由图 2可以看出, 溅射的薄膜晶粒颗粒较小, 薄膜的致密性较好。采用胶带剥离法^[11], 用3M胶带进行了金属薄膜的结合力试验, 同一区域连续试验5次, 薄膜无脱落。证明薄膜结合力良好。

光刻显影后, 采用湿法腐蚀的方法进行焊接层、过渡层和Ni-Cr层的腐蚀试验, 最终形成的金属薄膜桥如图 3所示。

2.2 性能测试

测试温度为(21±3) ℃。按照GJB5309.14-2004^[12]进行脚脚间抗静电试验、5 min安全电流试验, 条件:充电电压25000 V, 电容500 pF, 电阻5000 Ω; 按GJB377A/Z-1994感度升降试验方法^[13]进行金属桥膜发火感度试验, 测试最大不发火电流和最小全发火电流; 按GJB344-1989^[14]进行不同电流条件下的作用时间、开路电阻等测试, 采用光信号和示波器采集。

3 结果与讨论 3.1 Ni-Cr金属桥膜的电阻

由于磁控溅射的金属桥膜层以球形晶体沉积在基板上, 其电阻率较金属靶材要大, 在一定厚度、一定桥区条件下, 可通过测量实际电阻, 依据电阻计算公式得到Ni-Cr桥膜的平均电阻率。金属膜桥电阻率为:

$ \rho = Rs/L = R\left( {WH} \right)/L $

(1)

式中, ρ为电阻率, Ω·μm; R为电阻值, Ω; L为长度, μm; W为宽度, μm; H为厚度, μm。

溅射工艺参数一定的条件下, 桥膜电阻率为常量, 可溅射任意厚度的桥膜进行电阻率测试。在400 μm×380 μm的桥区溅射厚度为0.98 μm的桥膜, 测得多个桥膜的平均电阻为2.82 Ω。由式(1)可获得平均电阻率为2.63 Ω·μm。据此得到电阻率在400 μm×380 μm的桥区溅射电阻为1 Ω的Ni-Cr合金薄膜厚度为2.8 μm。

采用测量电流小于10 mA, 测量精度不低于1%的电阻测量仪, 常温下测试所得Ni-Cr合金薄膜的电阻, 测试样品60发, 结果如表 1所示。

由表 1可见, 60发设计电阻为1 Ω的Ni-Cr桥膜产品的实测电阻在(1±0.1) Ω范围内, 平均值为1.04 Ω, 标准偏差为0.09 Ω, 实测值与理论设计值相符, 电阻一致性较好, 满足钝感火工品规定的电阻值要求, 表明磁控溅射工艺稳定可靠, 优化磁控溅射工艺参数可使Ni-Cr薄膜的电阻值达到设计要求。

3.2 Ni-Cr金属桥膜的安全电流

选用电阻不同的Ni-Cr金属桥膜, 按GJB5309.14-2004^[12]进行了脚脚间抗静电试验、5 min安全电流试验, 试验结果见表 2。

从表 2可以看出, 该桥膜换能元脚脚间抗静电试验全部合格。金属桥膜的实测电阻以1 Ω为基准可分为两组, 为严格保证1A1W5min不发火的安全性要求, 当电阻小于1 Ω时, 保证输入功率不小于1 W, 当电阻大于1 Ω时, 保证输入电流不小于1 A。基于此, 选用表 2中两种输入状态, 安全性能测试结果全部为通过, 表明该桥膜换能元符合GJB344-1987规定1A1W5min不发火的安全性要求。

3.3 Ni-Cr金属桥膜的发火感度

根据GJB377A/Z-1994感度升降试验方法^[13]对Ni-Cr金属桥膜进行了发火感度试验, 样品23发。实验结果见表 3。

由表 3可以看出, 标准差σ为0.039, 50%发火电流、最小全发火电流、最大全不发火电流分别为2.32, 2.47, 2.17 A。其中, 样品的最小全发火电流为2.47 A, 满足GJB344规定的钝感火工品在持续时间不超过50 ms、幅度不超过5 A的直流电流脉冲作用下全发火的要求, 且发火裕度较大。

3.4 Ni-Cr金属桥膜的作用时间

按GJB344-1987对电阻不同的Ni-Cr金属桥膜的进行了不同输入电流条件下的作用时间、开路电阻等试验, 药量为10~12 mg, 试验结果见表 4。

从表 4可以看出, 在输入电流小于3 A时, 作用后的桥膜电阻与作用前变化不大, 在大于4 A时, 发火后电阻为开路状态。由于药量仅10~12 mg不足以瞬间毁坏桥区, 因此, 基本可以断定桥区为自身熔断。输入电流在大于4 A时, 其作用时间小于1 ms。图 4为桥膜作用(断桥)时间随输入电流变化曲线, 从图 4可以看出, 桥模式发火件随着激发电流的增大断桥时间、作用时间逐渐减小, 且断桥时间和发火时间差值逐渐减小, 并趋于一致。

3.5 钝感换能元性能对比

选用电阻值为(1±0.1) Ω的Ni-Cr金属桥膜、半导体桥、Ni-Cr桥带制成三种钝感发火件, 对其安全性、断桥时间、作用时间等进行性能测试。

将所制备的1 ΩNi-Cr金属桥膜与电极塞进行了集成, 桥区尺寸为400 μm×380 μm×2.8 μm, 集成后的发火件样品如图 5所示。

半导体桥发火件芯片尺寸为2 mm×2 mm, 基底为陶瓷, 通过金丝与电极进行焊接, 并与金属管壳通过玻璃封结而成; Ni-Cr桥带发火件采用精密线切割工艺而成, 基底材料为陶瓷, 采用贮能焊接的方法与电极进行焊接, 与金属管壳通过玻璃封结而成。所涂药剂为三硝基间苯二酚铅与聚醋酸乙烯酯配置而成的点火药, 药量20~30 mg。试验结果见表 5。

从表 5可以看出, Ni-Cr金属桥膜式发火件散热表面积为130 mm², 在3种发火件中虽最小, 但能够承受的安全电流最大, 达到1.4A, 满足1A1W5min不发火的要求; 最小全发火电流为2.47 A, 满足5 A全发火的要求并具有较大的裕度, 且5 A条件下的作用时间和断桥时间介于半导体桥式和桥带式之间, 作用后电阻为开路状态。在安全性、作用时间的快速性、断桥性能等方面明显优于桥带式发火件。

由于安全电流反映了桥区产生热量的速率与发火件散热速率的关系, 当产热速率在规定的时间内大于散热速率时, 桥区温度随时间的增加而升高, 当其温度高于药剂的爆发点时, 药剂发火。反之, 不发火。Ni-Cr金属桥膜式发火件的金属膜层与陶瓷基底为整体结构, 陶瓷基底具有良好的导热性, 在5 min之内桥区产生的热量通过陶瓷快速向外散热。而半导体桥的基底材料为Si, 且其桥区尺寸小(380 μm×100 μm×2 μm), 热量集中, 芯片底部用导热胶固定, 两者的导热性较陶瓷差。所以半导体桥上通过电流时, 桥区产生的热量通过Si基底向外扩散的速率较小, 导致其安全性裕度较小。虽然桥带式发火件的底部也为陶瓷基底, 但其与陶瓷基底的结合是通过贮能焊接在电极上, 桥带与陶瓷基底局部接触不紧密, 所以其散热性没有桥模式的好, 导致承受安全电流的能力较桥模式的差。

在作用时间方面, 由于半导体桥的发火机理为等离子体发火机理^[2], 通过微对流的方式实现热量和冲击波能量渗入火工药剂中, 其热交换方式具有更高的效率, 所以药剂发火时间最短。

对桥膜式和桥带式发火件而言, 其发火机理为热传导机理。由于桥带式发火件整个表面为Ni-Cr合金薄膜, 其电阻分布为串联式分布方式, 总电阻为正负极贮能焊点之间的总电阻, 发火桥区电阻只是整个电阻的一部分, 所以发火桥区的实际电阻小于1 Ω。由于该桥区宽且厚, 导致流过发火区的电流密度较小, 能量分布比较分散。所以, 需要较长的加热时间才能引爆点火药。而桥膜式发火件的中心桥区集中, 桥区窄而薄, 流过发火区的电流密度较桥带式大, 能量分布集中。所以, 其发火时间和断桥时间均比桥带式的时间短。

4 结论

(1) 通过有效控制磁控溅射等参数, 制备的桥膜电阻和设计值基本相符。制备了面积为400 μm×380 μm、厚度为0.98 μm的Ni-Cr薄膜, 电阻率为2.63 Ω·μm。

(2) 对比安全电流、静电感度、断桥时间和作用时间等结果可以看出, 金属桥膜火工品具有良好的安全性, 其安全性较半导体桥、桥带式的高; 作用时间和断桥时间介于半导体桥和桥带式之间。5 A发火时, 引爆三硝基间苯二酚铅的作用时间为微秒级别。

(3) 桥区尺寸为400 μm×380 μm×2.8 μm的Ni-Cr桥膜换能元满足钝感火工品5 A发火、1A1W5min不发火的要求, 且发火电流和安全电流裕度较大。