Page 67 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019

168 杨智，朱朋，徐聪，张秋，覃新，沈瑞琪

［8］
国内，施志贵 、郭菲 等也利用硅 MEMS 工艺制
［9］
2 微芯片爆炸箔起爆器 作了 McEFI（图 2），该制备方法在刻蚀单晶硅基板制备
加速膛时预留了单晶硅作为飞片层，因此飞片层的材
2.1 基于 MEMS 工艺的 McEFI
［6］
料与基板的材料相同。而专利 中所说的飞片层材料
在火工品领域，MEMS 技术一般是指利用微机电
为 N 型单晶硅，与作基板的 P 型单晶硅不同。施志贵
系统的先进制造和集成思想，采用微机电系统制造技
等在文章中对制备工艺的描述较为详细，并且预测在
术，如沉积镀膜和光刻的细微加工技术、微烟火技术和
一定起爆条件下可以起爆六硝基芪⁃四型（HNS⁃Ⅳ）。
微型装药技术等，将机械系统、微电子系统和化学能源
郭菲等针对具体结构，研究了飞片厚度（40~55 μm）
系 统 集 成 为 具 有 功 能 化 火 工 模 块 的 技 术 。 采 用 硅
对起爆 HNS⁃Ⅳ药柱的影响规律。
MEMS 工艺与非硅 MEMS 工艺集成批量化制备 McEFI
的国内外研究进展总结如下。
最先出现以硅片作为基板，通过镀膜、光刻、键合
及刻蚀等 MEMS 工艺制备 McEFI。1989 年，Nerheim
E 和 Hoff D 在其专利中提出采用集成电路（Integrat⁃
［6］
ed Circuit，IC）技术制备 McEFI：1）在 P 型单晶硅作的
基板上外延生长 25 μm 厚的 N 型硅膜作为飞片层，在
外延硅膜上氧化出 0.3~0.7 μm 厚二氧化硅作为绝缘 图 2 硅 MEMS 工艺微芯片爆炸箔起爆器实物图 ［9］
Fig.2 Physical map of McEFI with silicon MEMS technology ［9］
层；2）在绝缘层上采用光刻掩膜技术，沉积图形化有
规则的两个约 2 μm 厚的金属焊盘；3）制备两个金属 2010 年 ，施 志 贵 等 ［10］ 针 对 硅 MEMS 工 艺 制 备
焊盘间的过渡区和桥区，材料可采用发火能量较低的 McEFI 做了改进，主要有以下三点：（1）在玻璃基板而
重掺杂多晶硅（也可采用与焊盘一样的金属材料，从而 不是硅基板上制备金属爆炸桥箔；（2）采用金属桥箔
一体化制备金属爆炸桥箔，简化制备步骤）；4）采用深 代替多晶硅桥箔；（3）采用硅⁃氧化硅⁃硅结构（SOI）材
反应离子刻蚀工艺，在桥箔桥区下方反向刻蚀硅基板 料代替单晶硅。改进缩短了 McEFI 的发火作用时间，
至外延硅膜飞片层制备加速膛；5）将硅片划片形成单 由 原 来 的 数 十 微 秒 缩 短 至 2 μs，在 刻 蚀 加 速 膛 过 程
元 ，使 用 环 氧 树 脂 将 单 元 与 Pyrex 玻 璃 背 板（厚 度 为 中，绝缘埋层能保证预留的飞片层厚度，飞片层误差可
0.635~2.54 mm）键 合 即 得 McEFI。 具 体 结 构 如 图 1 控制在±3 μm 内，同时起爆试验结果表明该 McEFI 在
所示。 3.14 kA 电流下能够成功起爆 HNS⁃Ⅳ。
这些研究表明采用硅 MEMS 工艺集成批量化制
备 McEFI 是可行的，然而该工艺采用到的阳极键合工
艺对组件（硅基板和玻璃基板）的表面平整性和对位精
度都有非常高的要求。基于此，一方面需要解决如何
对准的问题以沿用硅 MEMS 工艺制备 McEFI，另一方
面需要开发新的制备工艺。
2009 年，Desai A ［11］ 在专利中首次提出采用非硅

MEMS 技术自底向顶原位制备 McEFI 的工艺。该工艺
图 1 硅 MEMS 工艺微芯片爆炸箔起爆器结构示意图 ［6］ 最大的改进是加速膛不再需要反向刻蚀硅基板而得，
Fig. 1 Schematic diagram of McEFI structure with silicon 也不需要精密的键合工艺，取而代之的是采用沉积镀
MEMS technology ［6］
膜、光刻及显影等技术将爆炸桥箔、飞片层、加速膛在
［7］
1993 年，Hebderson J H 和 Baginski T A 提出采 基板上依次沉积，逐步实现桥箔、飞片层及加速膛的图
用键合两块硅基板的方法制备 McEFI：在其中一块硅 形化。此种工艺简单、加工精度高，极大地提高了制备
基 板 上 依 次 沉 积 金 属 爆 炸 桥 箔 和 聚 酰 亚 胺（Poly⁃ 效率。2016 年，房旷等 ［12］ 在 Al O 陶瓷基板上制备了
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imide，PI）飞片层，在另一块硅基板上刻蚀出加速膛 一 种 基 于 聚 氯 代 对 二 甲 苯（Parylene C，PC）飞 片 与
及焊盘通孔，通过将两硅基板键合即制得 McEFI。 SU⁃8 光刻胶加速膛的 McEFI，制备工艺如图 3 所示。

Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.27, No.2, 2019（167-176） 含能材料 www.energetic-materials.org.cn