一種原位集成沖擊片組件的制備及飛片驅(qū)動(dòng)性能

房 曠, 陳清疇, 賀思敏, 蔣小華

(中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽(yáng) 621999)

1 引 言

沖擊片雷管因其換能元與始發(fā)藥隔離,以及較高的起爆能量,被認(rèn)為是一種具有較高安全性、可靠性的雷管。但由于其采用了分離式的組件裝配方式,且對(duì)裝配精度要求較高,使得小尺寸的沖擊片組件裝配復(fù)雜,制造成本高,難以廣泛使用。

簡(jiǎn)化制備工藝,降低制造成本是沖擊片雷管制造技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。因而沖擊片組件的批量化集成制造技術(shù)近年來(lái)引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。施志貴[1]利用微機(jī)電(MEMS)技術(shù),制備出了一種硅基的集成式?jīng)_擊片組件。其采用了重?fù)诫s的多晶硅作為換能元,飛片材料為單晶硅。試驗(yàn)結(jié)果表明,該組件具備較低的發(fā)火能量。而在后續(xù)的研究中,施志貴[2]還利用金屬薄膜橋作為換能元,用絕緣體上硅(Silicon-On-Insulator, SOI)代替單晶硅作為飛片材料,進(jìn)一步縮短了橋箔的作用時(shí)間。但是其采用的多層鍵合工藝對(duì)組件的表面質(zhì)量,以及對(duì)位精度都要求極高。在美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的芯片式?jīng)_擊片雷管研究計(jì)劃中[3],研究人員利用物理沉積、光刻技術(shù)完成了爆炸箔陣列的批量化制備,采用飛秒激光進(jìn)行橋區(qū)的成型控制,有效解決了多層金屬?gòu)?fù)合膜的橋區(qū)對(duì)位問(wèn)題。Amish Desai[4]和曾慶軒[5]等對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂型加速膛的光刻集成方法進(jìn)行了研究,認(rèn)為該方法工藝簡(jiǎn)單,加工精度高,易于實(shí)現(xiàn)沖擊片組件的大規(guī)模批量化制造。

利用MEMS技術(shù)來(lái)進(jìn)行沖擊片組件的集成制備,是沖擊片組件批量化制造的重要實(shí)現(xiàn)方式。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化制造方法,本研究利用MEMS技術(shù)制備一種一體化的全集成沖擊片組件。采用自底向上原位集成的設(shè)計(jì)思想,以避免復(fù)雜的鍵合裝配工藝。以氧化鋁陶瓷為基底,利用磁控濺射技術(shù)鍍制金屬橋箔,采用化學(xué)氣相沉積(CVD)與光刻技術(shù),完成飛片層與加速膛的集成。并利用光子多普勒測(cè)速技術(shù)(PDV)測(cè)試了短脈沖大電流激發(fā)下,該集成組件的飛片驅(qū)動(dòng)特性,將其與常規(guī)方法制造的沖擊片組件的飛片PDV試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。目前,PDV測(cè)速技術(shù)已有效應(yīng)用于小飛片速度的測(cè)量中[6],從國(guó)外的研究結(jié)果來(lái)看[7],PDV的測(cè)試精度已能夠達(dá)到或超過(guò)激光干涉測(cè)速(VISAR)系統(tǒng),并有望在大多數(shù)場(chǎng)合代替VISAR系統(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)與制備

2.1 集成化沖擊片組件設(shè)計(jì)方法

沖擊片組件的制備方法采用自底向上原位集成的設(shè)計(jì)思路。以氧化鋁陶瓷電極塞為基底,利用磁控濺射與光刻方法制備銅爆炸箔,采用CVD的方法在爆炸箔上鍍制聚氯代對(duì)二甲苯(Parylene C,PC)飛片層,最后直接在飛片層上,以Su8-2150光刻膠為材料,利用光刻技術(shù)集成光刻膠加速膛,如圖1所示。

圖1 沖擊片組件集成制備工藝

Fig.1 Fabrication process of integrated Exploding Foil Initiator (EFI)

PC膜因其具備良好的電絕緣性、物理機(jī)械性能、水汽阻隔性能,常被用于集成電路或MEMS器件的封裝、器件阻蝕層制備,以及光學(xué)透鏡的鍍膜層制備[8-10]。集成組件采用PC作為飛片層材料,其不僅能夠滿足飛片層電絕緣性、物理機(jī)械性能的要求,同時(shí)易于通過(guò)CVD技術(shù)集成[11]。加速膛的制造采用了光刻的方法,選用的光刻膠為Su8-2150,該光刻膠為Su8光刻膠的改進(jìn)型,穩(wěn)定性更高,可制備膜厚達(dá)1000 μm的結(jié)構(gòu)圖形。而Su8光刻膠本身是一種近紫外線光刻膠,通常在集成電路工藝中作為刻蝕掩蔽層使用,但是其在近紫外光范圍內(nèi)光吸收度低,整個(gè)光刻膠層所獲得的曝光量均勻一致,便于獲得具有垂直側(cè)壁和高深寬比的厚膜圖形[12]。此外,Su8膠經(jīng)固化交聯(lián)后還會(huì)具備優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性[13],可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)件的制作[14]。

2.2 集成沖擊片組件制備方法

爆炸橋箔的制備采用磁控濺射在氧化鋁陶瓷基底上鍍制銅膜,然后利用光刻技術(shù)制備出橋箔的掩膜圖形,通過(guò)電化學(xué)方法去除其余部分得到所需的橋箔結(jié)構(gòu),如圖2所示,其中磁控濺射的工作氣壓為10-4～10-5Pa,靶材為99.99%銅。

采用CVD技術(shù)在爆炸箔基底上沉積PC飛片層。根據(jù)對(duì)飛片層的真空沉積工藝的研究[16],試件同一表面內(nèi)各部分的均勻性相當(dāng)好,且沉積層厚度的增加對(duì)均勻性幾乎沒(méi)有影響。而加速膛的制備直接在飛片層上進(jìn)行,選用Su8-2150光刻膠作為加速膛材料,通過(guò)接觸曝光顯影成形,最終所得集成沖擊片組件如圖3所示。

圖2 爆炸橋箔結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Schematic diagram ofexploding foil bridge structure[15]

圖3 沖擊片集成組件

Fig.3 EFI integrated assembly

3 測(cè)試與表征

3.1 PDV測(cè)試原理及裝置

飛片驅(qū)動(dòng)速度是沖擊片組件的重要性能特征之一。本研究采用PDV技術(shù)進(jìn)行沖擊片集成組件的飛片驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試。PDV技術(shù)是一種基于多普勒效應(yīng)的激光干涉測(cè)速技術(shù),其原理(圖4a)是將激光探頭的出射光作為參考光,將從飛片上反射回的光作為信號(hào)光,然后利用探測(cè)器將參考光與信號(hào)光的波形差通過(guò)光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)放大,根據(jù)多普勒效應(yīng)推算飛片速度。

PDV測(cè)速試驗(yàn)共分為兩組,一組(No.1)為采用常規(guī)方法制造的沖擊片組件,使用聚酰亞胺作為飛片材料,加速膛為不銹鋼; 另一組(No.2)為采用MEMS技術(shù)制造的集成沖擊片組件,集成組件采用PC飛片,Su8-2150光刻膠加速膛。

兩試驗(yàn)組的組件尺寸參數(shù)與文獻(xiàn)[15]中的試驗(yàn)組6相同,爆炸箔寬300 μm,厚度為3 μm,飛片厚25 μm,加速膛長(zhǎng)度400 μm,其電容充電電壓為2600 V, 放電電容0.2 μF。

a. Principle diagram of PDV system

b. Picture of EFI assembly on PDV platform

圖4 PDV測(cè)速系統(tǒng)

Fig.4 PDV diagnostic system

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用圖4b的裝置,測(cè)試了兩組沖擊片組件的電爆炸飛片驅(qū)動(dòng)速度,獲得的飛片速度歷程如圖5所示。

a. shot No.1

b. shot No.2

圖5 PDV系統(tǒng)輸出的飛片速度歷程圖像

Fig.5 PDV diagnostic result of flyer velocity profile

圖5中,顏色的深淺表征了激光干涉頻率信號(hào)的高低,兩組測(cè)試所得結(jié)果的有效時(shí)長(zhǎng)約為190 ns。而通過(guò)相應(yīng)的圖像處理軟件處理后可以獲得飛片加速歷程的速度細(xì)節(jié),如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理后的飛片速度歷程

Fig.6 Profiles of flyer velocity after data treatment

從圖6中可以發(fā)現(xiàn),兩發(fā)飛片測(cè)速結(jié)果較為一致。在兩發(fā)測(cè)試中,飛片的主要加速歷程基本重合,僅在飛片加速末段出現(xiàn)了較小差異,試驗(yàn)組1與試驗(yàn)組2的最大速度分別為4247 m·s-1和4023 m·s-1。在880 ns處,兩試驗(yàn)組飛片的速度時(shí)間歷程上出現(xiàn)拐點(diǎn),加速度明顯減小。在此之前飛片加速較快,在起始的80ns內(nèi),試驗(yàn)組1與試驗(yàn)組2的飛片分別加速到了3288 m·s-1與3203 m·s-1,約為最大速度的77%與80%。而在后續(xù)的加速歷程中,飛片速度上升較慢,在余下約110ns的時(shí)間內(nèi)成了剩余速度的增加。該測(cè)試結(jié)果反映了兩組不同沖擊片組件的飛片在電爆炸驅(qū)動(dòng)條件下相同的加速特征,該結(jié)果與文獻(xiàn)[6]中的小飛片PDV加速歷程較為吻合,同時(shí)也符合LLNL的飛片測(cè)速試驗(yàn)結(jié)果[17]與VISRA測(cè)速曲線[18]。

將圖6飛片的加速歷程曲線進(jìn)行積分,可以得到飛片的位移-速度曲線,如圖7所示。由圖7可以得到,與圖6中880 ns處的加速拐點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置出現(xiàn)在0.13 mm處,且兩者速度歷程基本重合,在0.2 mm處兩試驗(yàn)組的飛片速度分別達(dá)到了3562 m·s-1與3516 m·s-1,即為最大速度的83.9%與87.4%,這與文獻(xiàn)[7]中的加速歷程曲線較為吻合。且兩組試件加速膛出口處的飛片速度較為接近,分別為3970 m·s-1,3906 m·s-1。

雖然Su8加速膛( No.2)的硬度與不銹鋼(No.1)相比較低,但在金屬電爆炸的驅(qū)動(dòng)下,飛片在約80 ns的時(shí)間內(nèi),就加速到了數(shù)千米每秒,加速膛對(duì)飛片的剪切作用時(shí)間極短,該過(guò)程可以被視為是一種超高速切削過(guò)程。而在超高速切削中,切削力與被加工試件的表面溫升會(huì)大大降低[19],因此加速膛硬度的變化對(duì)飛片加速歷程的影響也會(huì)相應(yīng)減小,同時(shí)PC與聚酰亞胺性能接近,都是作為飛片層的良好材料。基于以上原因,研究認(rèn)為在沖擊片組件的加速膛與飛片材料發(fā)生變化的情況下,得到了相近的加速歷程測(cè)試結(jié)果是合理的。

圖7 飛片的位移-速度曲線

Fig.7 Relationship between the displacement and velocity of flyer

4 結(jié) 論

利用薄膜沉積技術(shù)與光刻技術(shù)制備了一種新型的全集成沖擊片組件。通過(guò)直接在爆炸箔基底上沉積PC薄膜飛片,以及加速膛的光刻集成實(shí)現(xiàn)了沖擊片的一體化制造,避免了復(fù)雜的裝配工藝。并將該集成沖擊片組件與相同尺寸采用不銹鋼加速膛、聚酰亞胺飛片的常規(guī)沖擊片組件進(jìn)行了PDV的對(duì)比測(cè)速試驗(yàn),獲得了兩種不同飛片在金屬電爆炸驅(qū)動(dòng)下的加速歷程,所測(cè)得的速度歷程有效時(shí)長(zhǎng)約為190 ns,且兩試驗(yàn)組的速度歷程較為相近,在加速膛出口位置的飛片速度分別為3970,390 m·s-1。兩組試驗(yàn)中,飛片在起始的80 ns內(nèi),即0.13 mm之前,加速較快,分別達(dá)到了最大速度的77%與80%,而在后110 ns內(nèi)完成了剩余部分的加速。兩試驗(yàn)組速度歷程基本重合,在金屬電爆炸等離子體的驅(qū)動(dòng)下,加速膛材料與飛片材料變化所帶來(lái)的影響并未在飛片的速度歷程中得到明顯體現(xiàn),而這種利用薄膜沉積與厚膠光刻進(jìn)行沖擊片組件制造的技術(shù),具備由下至上原位集成的特點(diǎn),為沖擊片組件的集成化發(fā)展提供了新思路。

致謝: PDV測(cè)試工作得到了南京理工大學(xué)吳立志博士的大力幫助,在此表示感謝！

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