Способ изготовления пиротехнических резисторов
METHOD FOR MANUFACTURING PYROTECHNIC RESISTORS

Изобретение относится к средствам инициирования и может быть применено в средствах воспламенения пороховых и пиротехнических зарядов фейерверков и средств пожарной автоматики, в системах пассивной безопасности автомобилей, в качестве малогабаритного средства инициирования зарядов взрывчатого вещества ВВ промышленного назначения, используемым в горнорудной, угледобывающей и других отраслях промышленности, а также в военной отрасли.
Из описания к патенту на изобретение №RU 2263872 C1 «Электрический инициатор» известна конструкция инициатора на диэлектрической подложке из стеклотекстолита с проволочными выводами, где инициатором служит проволочная перемычка из нихрома (классическая реализация инициаторов). Конструкция интересна в части наличия диэлектрической подложки-основания, однако имеет ряд недостатков. Основные из них - это большие габариты, невозможность изготовления по групповой технологии из-за наличия выводов, а также невозможность автоматизированного поверхностного монтажа. Конструкция инициатора содержит заряд ВВ со связующим, настроенного на определенный вид взрывных работ.Рассматриваемые пиротехнические резисторы имеют широкий ряд параметров энергии поджига и могут быть использованы с различными инициирующими ВВ (праймерами).
В патенте на изобретение №RU 2563006 C2 «Электровоспламенитель» описан электровоспламенитель, в котором применен мостик накаливания, представляющий резистивный слой с поперечной прорезью, нанесенный на диэлектрическую пластинку и изготовленный по групповой технологии производства чип-резисторов. Изобретение направлено на достижение безопасных тока и мощности не менее 1 А и 1 Вт соответственно, что важно в условиях применения при наличии блуждающих токов. При этом описанный мостик обладает такими недостатками, как недостаточное быстродействие 300-900 мкс при подаче тока 4 А, что связано с использованием толстого резистивного слоя (30 мкм), требующего больших тепловых потерь на его прогрев, а также с рассредоточенностью теплового поля в области прорези резистивного слоя.
В патенте на изобретение №US 6324979 B1 «Electro-pyrotechnic initiator» описан электропиротехнический инициатор, особенностями которого являются преимущества перед инициаторами предыдущего уровня техники - возможность запускаться от заряда керамического конденсатора; независимость параметров воспламенения от подложки закрепления резистивного элемента; не требуется заряд праймера; требуется меньшая энергия на зажигание, либо при той же энергии достигается более высокая температура. Активная область инициатора выполнена в виде полоски резистивной фольги (по сравнению с мостиковыми инициаторами предыдущего уровня техники, выполненными из проволоки). За счет этого снижена энергия активации, повышена надежность (фольга приклеена к подложке, ее труднее сорвать при прессовании ВВ в сравнении с проволочными мостиками).
На данный момент предпочтительно использование пленочных резистивных элементов, нанесенных на подложку, например, методом вакуумного напыления.
2
В технической документации фирмы Vishay на тонкопленочный электропиротехнический инициатор EPIC [https://www.vishay.com/docs/53041/epic.pdf] описано техническое решение, реализованное на основе технологии тонклопленочных чип-резисторов. Материалом активной центральной суженной области является нитрид тантала TaN. Контакты выполнены из слоев никеля и золота (или оловянно-серебрянного припоя). Технология изготовления описанного электропиротехнического инициатора является наиболее близким аналогом и выбрана за прототип.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в создании малогабаритных пленочных резистивных мостиков накаливания повышенной надежности для поверхностного автоматизированного монтажа и изготавливаемых по групповой технологии для применения в электропиротехнических инициаторах.
Технический результат - оптимизация (унификация) технологии производства пиротехнических резисторов, улучшение повторяемости характеристик и повышение надежности пиротехнических резисторов.
Техническое решение, позволяющее достичь указанный технический результат, представляет собой пленочный аналог известных проволочных мостиков накаливания, выполненный посредством нанесения резистивного слоя на диэлектрическую пластинку и изготовленный по технологии тонкопленочных чип-резисторов.
Топология имеет существенные особенности в форме элементов с тупыми углами или в форме радиусных элементов в области переходов от планарных контактов к активной зоне. Преимущества элементов радиусной формы - исключение локальных перегревов из-за повышенной плотности тока, равномерное распределение энергии тепловыделения, улучшение повторяемости характеристик и увеличение надежности изделий.
Другой существенной особенностью является использование одного и того же материала в качестве материала как для формирования активной области, так и для формирования планарных контактных площадок пирорезистора. В качестве материала используют титан или алюмотитановый сплав, обладающие хорошими адгезионными свойствами к керамике и часто используемые в качестве адгезионных слоев для других металлов.
Применение титана в качестве резистивного слоя, являющегося активной областью пиротехнического резистора, функционирующей при повышенных локальных температурах перегрева, обусловлено стойкостью к окислению и взаимодействию с другими веществами при высокой температуре. В диапазоне температур поджига 200°С - 250°С многих вспомогательных инициирующих (праймеров) взрывчатых веществ (ВВ) - данный металл инертен. Материал обладает необходимым набором теплофизических свойств для обеспечения функционирования пироинициирующих устройств. Технологически формирование пленки титана - изготовление резистивного и контактного слоя - выполняют в едином цикле, что позволяет упростить и унифицировать технологию. Необходимую топологию активной области резистивного элемента и планарных контактов формируют единовременно, например, методом фотолитографии или безмасковой лазерной литографии. Монтажные охватывающие контакты так же формируют с использованием подслоя титана или алюмотитанового сплава с дополнительным слоем барьерного никеля 4 и слоем паяемого покрытия 5 (например, оловянно-свинцового или бессвинцового припоев, или золота).
Для сосредоточения (концентрации) тепловой энергии при пропускании тока через активную область 2 используют резистивную пленку с топологией специальной формы, как показано, например, на Фиг.4, а и Фиг.4, б. При этом расширенные планарные контактные области 3 обеспечивают на порядок меньшее электрическое сопротивление, чем в активной области и, соответственно, меньшее и недостаточное для активации взрывчатого вещества тепловыделение. Переходы с элементами радиусной формы 6 от планарных контактов 3 к активной области 2, в сравнении с переходными элементами в форме тупых углов 9, исключают локальные перегревы из-за повышенной плотности тока и позволяют равномерно распределить энергию по площади активной области.
Использование диэлектрической подложки с пониженной теплопроводностью и тонкой резистивной пленки (толщина порядка 0,5 - 2 мкм) при формировании резистивного слоя позволяет увеличить быстродействие пиротехнического резистора до 50 мкс. В зависимости от сочетания параметров - сопротивления, конфигурации и толщины пленки, материала диэлектрика - возможно получение необходимых параметров в широком диапазоне безопасных токов и токов активации.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показан общий вид изготавливаемого пиротехнического резистора.
На фиг.2 показаны вид сверху на пиротехнический резистор, полученный по способу-прототипу.
На фиг.3 показаны поперечное и продольное (вид сверху) сечения пиротехнического резистора.
На фиг.4 показаны частные случаи реализации активной области резистивных мостиков.
На фиг.5 показан пример установки пиротехнического резистора по месту.
На чертежах проставлены следующие позиции:
1 - Диэлектрическая подложка;
2 - Активная область резистивного элемента;
3 - Планарные контакты, образованные широкой зоной резистивного элемента;
4 - Подслой охватывающего монтажного контакта (титан, никель);
5 - Паяемое покрытие охватывающего монтажного контакта;
6 - Радиусные переходы от активной области к планарным контактам;
7 - Монтажное основание пиропатрона;
8 - Пиротехнический резистор.
9 - Переходы от активной области к планарным контактам в форме тупых углов 9 (прототип).
Планарные контакты 3 пиротехнического резистора 8 формируют в едином технологическом цикле с резистивным используя титан или алюмотитановый сплав.
Для сосредоточения (концентрации) тепловой энергии при пропускании тока через активную область 2 используют резистивную пленку с топологией специальной формы, как показано, например, на фиг.4а и фиг.4б. При этом расширенные планарные контактные области 3 обеспечивают на порядок меньшее электрическое сопротивление, чем в активной области и, соответственно, меньшее и недостаточное для активации взрывчатого вещества тепловыделение. Переходы с элементами радиусной формы 6 от планарных контактов 3, в сравнении с переходными элементами в форме тупых углов 9, к активной области 2 исключают локальные перегревы из-за повышенной плотности тока и позволяют равномерно распределить энергию по площади активной области.
Использование диэлектрической подложки с пониженной теплопроводностью и тонкой резистивной пленки (толщина порядка 0,5 - 2 мкм) при формировании резистивного слоя позволяет увеличить быстродействие пиротехнического резистора до 50 мкс.В зависимости от сочетания параметров - сопротивления, конфигурации и толщины пленки, материала диэлектрика - возможно получение необходимых параметров в широком диапазоне безопасных токов и токов активации.
Один из вариантов реализации пиротехнического резистора включает технологическую подготовку подложки из ситалла (диэлектрического основания 1), на которую наносят тонкую пленку титана (титанового сплава) методом магнетронного ионно-плазменного напыления. Затем, методом безмасковой литографии, формируют топологию (Фиг.4, а) активных областей 2 и планарных контактов 3. Далее выполняют резку подложки на ряды. Затем формируют слой 4 из титана и никеля на областях монтажных контактов и торцевой поверхности ряда, методом магнетронного ионно-плазменного напыления. Затем поверх слоя 4 наносят слой 5 припоя методом горячего лужения и завершают технологический процесс резкой рядов на отдельные элементы - пиротехнические чип резисторы.
При стандартных размерах элемента пиротехнического резистора 2×1,25 мм и топологии (Фиг.4, а) получены типовые параметры: сопротивление 2 - 10 Ом; ток активации более 0,8 А; время активации от 50 мкс; энергия активации от 50 мкДж.