[发明专利]低发火电压微型半导体桥发火组件

说明书

所属技术领域

本发明专利涉及一种半导体桥电火工品，尤其是能在低发火电压输入条件下可靠发火、体积微型化的半导体桥发火件。

背景技术

半导体桥发火件一般是由半导体桥换能元芯片、固定换能元芯片的基体或电极塞、脚线、键合金属线、含能材料和封装壳体组成。当输入发火电流或电压时，电流通过半导体桥换能元时产生热量，引燃含能材料。通过调整半导体桥材料、掺杂浓度、桥区面积、厚度、基体散热性能和结构、封装结构、静电泄放结构、含能材料点火性能、制作工艺等，可以改变发火件的性能参数。

自出现半导体桥电火工品技术以来，已经发展了许多相关先进发火控制技术。第一代半导体桥是Hollander于1968年的专利，他用掺杂的多晶硅片通过切割方式形成细长条形的“桥丝状”电桥，通过传统的焊接方法与两根电极焊接连接，形成一种电热点火装置。这种装置拥有半导体的一切特性。该点火装置的典型电桥电阻为50Ω，最小发火电压28V，作用时间小于20ms。这项发明当时并没有引起人们的广泛关注，直至1987年美国Sandia国家实验室开始研究这一现象。Sandia实验室Bickes等人1987年的专利对半导体桥制作工艺和焊接技术进行了改进，并发现半导体桥电热爆发时产生了高温等离子体现象，以微对流向药剂传热，被认为是最早实现烟火点火装置的应用实例。其制作工艺是把表面涂有多晶硅的薄片嵌在一个硅基片上，电桥长度是由两个铝焊盘的间距确定的。用超声焊接将一根金属丝焊接在两个铝焊盘上，允许电流脉冲通过电桥从一个铝焊盘流到另一个铝焊盘，构成发火回路。电桥形状为矩形，典型尺寸是长100μm×宽380μm×厚2μm。电桥电阻在常温下是1Ω，通过改变电桥的尺寸能够容易产生其他的电阻，改变电阻可以实现不同的电热转换效率。其典型发火能量为3mJ，最小发火电压为13V（33μF），不发火电流为1.2A，发火时间小于10μs。上述半导体桥尺寸和电阻参数方案主要是满足钝感半导体桥电起爆器的发火性能和安全电流的设计要求所实现的技术参数水平。

1995年刘西广《半导体桥火工品的发展》综述文章指出，半导体桥电雷管一般采用多晶硅桥作电热换能元件，材料为重掺杂多晶硅，形状为矩形，典型半导体桥尺寸为长100μm×宽380μm×厚2μm，具有很低激发能量（3mJ）、很短发火时间（3～12μs）等优良的发火性能，这些参数组合代表了当时的技术指标水平。

半导体桥芯片的封装主要有陶瓷基体和玻璃基体两种形式。作为钝感电起爆器、安全电流高的设计考虑，大多数设计者采用高强度陶瓷电极塞，如95或99Al2O3陶瓷塞，陶瓷塞具有机械强度高，承受燃烧压力和起爆冲击压力的耐压性能好，与脚线封装的抗拉强度高，耐电压绝缘强度高等优点；工业化生产的陶瓷塞直径一般为φ6mm（常规）和φ4.4mm（小型化设计）两种尺寸规格，它们的材料和形状相同，中间留有方形凹槽，可以调整陶瓷塞外径和凹形槽尺寸以适应不同尺寸的半导体桥芯片，如对于钝感型半导体桥芯片尺寸长1.5mm×宽2mm×厚1mm，需选择φ6mm陶瓷塞。玻璃塞上无法制造凹槽，只能将半导体桥芯片固定在玻璃塞的表面上，这会使装药耐压性变差，因此较少使用。