薄膜橋點火電阻器的制備與仿真

2018-07-17 09:02:10朱雪婷魏栩曼溫占福王利凱

電子元件與材料 2018年6期

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)轉換為發火能量,激發火工藥劑化學反應,以特定的序列傳遞與放大燃燒或爆炸能量,實現發火、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火條件為0.6 A、1 W、5 min,在28 μF、50 V作用下,發火時間為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火特性進行了研究,并證明了半導體發火橋的發火存在電熱發火、電爆發火和等離子發火三種情況。但對NiCr合金箔材料作為發火橋的研究較為鮮見,將這種結構穩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火等特性進行了研究。

1 試驗

1.1 薄膜橋點火電阻器橋區的結構設計

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,致使發火失敗,因此本文設計的電阻圖形電極為蝶型,電阻橋區圖形為直線型,采用這種設計的優點是電極采用蝶型,增加了散熱面積,使發火時能量更好地集中在電阻橋的中心區域,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,因其導熱系數較陶瓷基板低,可以使薄膜橋區在民用爆破點火過程中發火能量聚集,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,一組用于對不發火條件進行測試,另一組用于發火條件測試。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的不發火電流,按下點火電路板上的發火開關,測其每一只電阻的阻值的變化量,若阻值無變化,未出現發火情況,說明該薄膜橋點火電阻器滿足0.3 A不發火條件測試要求;(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的發火電流,按下發火開關后,應能看見明亮的火光出現,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、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 不發火試驗

對其中一組樣品進行不發火試驗測試后,阻值變化率及發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不發火試驗后,阻值變化率均為0,均未出現發火情況,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 不發火試驗結果Tab.2 The results of no fire test

2.2 發火試驗

對另一組樣品進行發火試驗后,絕緣電阻值測試結果及發火情況如表3所示。從表3可看出,對所有樣品在1.5 A條件下進行發火試驗后,所有樣品均發出明亮火光,發火后薄膜橋橋區熔斷,絕緣電阻值均≥1 MΩ,所有樣品在1.5 A發火條件下,均通過發火試驗測試。薄膜橋點火電阻器發火時的效果圖如圖4所示,從圖中可明顯看到發火時向四周飛濺的火光。發火后薄膜橋如圖5所示,從圖中可看出,薄膜橋點火電阻器橋區位置明顯熔斷,而薄膜橋的兩端卻依然保持完整,根據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。經分析可知薄膜橋的橋區位置的電阻值明顯比薄膜橋兩端的電阻值大,通電后橋區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,利于實現發火。

表3 發火試驗結果Tab.3 The results of fire test

圖4 薄膜橋點火電阻器發火效果圖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域,提高點火成功率。