RU2780035C1 - Method for manufacturing pyrotechnic resistors - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, namely, to a method for manufacturing a pyrotechnic resistor usable in ignition tools. The technical result of the invention is achieved by the method including the formation of a resistive active area and planar contacts in a single process cycle using one material – titanium or an alumotitanium alloy according to the production technology for thin-film chip resistors by vacuum application of resistive and contact materials on a dielectric substrate. Mounting female contacts are also formed in an additional cycle using a sublayer of titanium or an alumotitanium alloy with an additional barrier layer of nickel and a final layer of soldered coating, wherein the topology in the transitional area from the planar contacts to the active zone is made in the form of radial elements.

EFFECT: optimised production technology, improved reproducibility of characteristics, and increase in the reliability of pyrotechnic resistors.

3 cl, 5 dwg

Description

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.The invention relates to means of initiation and can be used in means of igniting gunpowder and pyrotechnic charges of fireworks and fire automatics, in passive safety systems of cars, as a small-sized means of initiating explosive charges of industrial explosives used in mining, coal mining and other industries, as well as in the military industry.

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).From the description of the patent for invention No. RU 2263872 C1 "Electrical initiator", the design of the initiator on a dielectric substrate made of fiberglass with wire leads is known, where the initiator is a nichrome wire jumper (classical implementation of initiators). The design is interesting in terms of the presence of a dielectric substrate-base, but it has a number of disadvantages. The main ones are large dimensions, the impossibility of manufacturing by group technology due to the presence of leads, as well as the impossibility of automated surface mounting. The design of the initiator contains an explosive charge with a binder tuned for a certain type of blasting. The pyrotechnic resistors under consideration have a wide range of ignition energy parameters and can be used with various initiating explosives (primers).

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.In the patent for invention No. RU 2563006 C2 "Electric igniter", an electric igniter is described, in which an incandescent bridge is used, which is a resistive layer with a transverse slot deposited on a dielectric plate and manufactured using a group technology for the production of chip resistors. The invention is aimed at achieving a safe current and power of at least 1 A and 1 W, respectively, which is important in terms of application in the presence of stray currents. At the same time, the described bridge has such disadvantages as insufficient speed of 300-900 μs when a current of 4 A is applied, which is associated with the use of a thick resistive layer (30 μm), which requires large heat losses for its heating, as well as with the dispersion of the thermal field in the region of the slot resistive layer.

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).In the patent for invention No. US 6324979 B1 "Electro-pyrotechnic initiator" describes an electro-pyrotechnic initiator, the features of which are the advantages over the initiators of the prior art - the ability to start from the charge of a ceramic capacitor; independence of the ignition parameters from the substrate of the fastening of the resistive element; no primer charge required; less ignition energy is required, or a higher temperature is reached with the same energy. The active region of the initiator is made in the form of a strip of resistive foil (compared to prior art bridging initiators made of wire). Due to this, the activation energy is reduced, the reliability is increased (the foil is glued to the substrate, it is more difficult to tear it off when pressing the explosive in comparison with wire bridges).

На данный момент предпочтительно использование пленочных резистивных элементов, нанесенных на подложку, например, методом вакуумного напыления.At the moment, it is preferable to use film resistive elements deposited on the substrate, for example, by vacuum deposition.

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 Ta₂N. Контакты выполнены из слоев никеля и золота (или оловянно-серебрянного припоя). Технология изготовления описанного электропиротехнического инициатора является наиболее близким аналогом и выбрана за прототип.The Vishay technical documentation for the EPIC thin-film electropyrotechnical initiator [https://www.vishay.com/docs/53041/epic.pdf] describes a technical solution based on thin-film chip resistor technology. The material of the active central narrowed region is tantalum nitride Ta ₂ N. The contacts are made of layers of nickel and gold (or tin-silver solder). The manufacturing technology of the described electropyrotechnical initiator is the closest analogue and is chosen as a prototype.

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.The task to be solved by the proposed technical solution is to create small-sized film resistive incandescent bridges of increased reliability for surface automated mounting and manufactured using batch technology for use in electropyrotechnical initiators.

Технический результат - оптимизация (унификация) технологии производства пиротехнических резисторов, улучшение повторяемости характеристик и повышение надежности пиротехнических резисторов.EFFECT: optimization (unification) of the production technology of pyrotechnic resistors, improvement of the repeatability of characteristics and increase in the reliability of pyrotechnic resistors.

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.The technical solution that makes it possible to achieve the specified technical result is a film analogue of the known filament wire bridges, made by applying a resistive layer to a dielectric plate and manufactured using the technology of thin-film chip resistors.

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.The topology has significant features in the form of elements with obtuse angles or in the form of radius elements in the region of transitions from planar contacts to the core. The advantages of radius-shaped elements are the exclusion of local overheating due to increased current density, uniform distribution of heat release energy, improved repeatability of characteristics and increased reliability of products.

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.Another significant feature is the use of the same material as the material for both the formation of the active region and the formation of planar contact pads of the pyroresistor. The material used is titanium or alumino-titanium alloy, which has good adhesive properties to ceramics and is often used as adhesive layers for other metals.

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).The use of titanium as a resistive layer, which is the active area of a pyrotechnic resistor operating at elevated local overheating temperatures, is due to its resistance to oxidation and interaction with other substances at high temperatures. In the ignition temperature range of 200°C - 250°C of many auxiliary initiating (primers) explosives (BB) - this metal is inert. The material has the necessary set of thermophysical properties to ensure the functioning of pyroinitiating devices. Technologically, the formation of a titanium film - the production of a resistive and contact layer - is performed in a single cycle, which makes it possible to simplify and unify the technology. The required topology of the active region of the resistive element and planar contacts is formed simultaneously, for example, by photolithography or maskless laser lithography. Mounting female contacts are also formed using a sublayer of titanium or aluminum-titanium alloy with an additional layer of barrier nickel 4 and a solder coating layer 5 (for example, tin-lead or lead-free solders, or gold).

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.To concentrate (concentrate) thermal energy when current is passed through the active region 2, a resistive film with a topology of a special shape is used, as shown, for example, in Fig.4, a and Fig.4, b. In this case, the expanded planar contact regions 3 provide an order of magnitude lower electrical resistance than in the active region and, accordingly, less and insufficient heat release to activate the explosive. Transitions with elements of radius shape 6 from planar contacts 3 to active region 2, in comparison with transition elements in the form of obtuse corners 9, exclude local overheating due to increased current density and allow you to evenly distribute energy over the area of the active region.

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.The use of a dielectric substrate with reduced thermal conductivity and a thin resistive film (thickness of the order of 0.5 - 2 μm) in the formation of the resistive layer makes it possible to increase the speed of the pyrotechnic resistor up to 50 μs. Depending on the combination of parameters - resistance, film configuration and thickness, dielectric material - it is possible to obtain the required parameters in a wide range of safe currents and activation currents.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 показан общий вид изготавливаемого пиротехнического резистора.Figure 1 shows a General view of the manufactured pyrotechnic resistor.

На фиг.2 показаны вид сверху на пиротехнический резистор, полученный по способу-прототипу.Figure 2 shows a top view of the pyrotechnic resistor obtained by the prototype method.

На фиг.3 показаны поперечное и продольное (вид сверху) сечения пиротехнического резистора.Figure 3 shows the transverse and longitudinal (top view) sections of the pyrotechnic resistor.

На фиг.4 показаны частные случаи реализации активной области резистивных мостиков.Figure 4 shows particular cases of the implementation of the active region of the resistive bridges.

На фиг.5 показан пример установки пиротехнического резистора по месту.Figure 5 shows an example of installing a pyrotechnic resistor in place.

На чертежах проставлены следующие позиции:The following positions are indicated on the drawings:

1 - Диэлектрическая подложка;1 - Dielectric substrate;

2 - Активная область резистивного элемента;2 - Active area of the resistive element;

3 - Планарные контакты, образованные широкой зоной резистивного элемента;3 - Planar contacts formed by a wide area of the resistive element;

4 - Подслой охватывающего монтажного контакта (титан, никель);4 - Sublayer of female mounting contact (titanium, nickel);

5 - Паяемое покрытие охватывающего монтажного контакта;5 - Soldered coating of the female mounting contact;

6 - Радиусные переходы от активной области к планарным контактам;6 - Radial transitions from the active region to planar contacts;

7 - Монтажное основание пиропатрона;7 - Mounting base of the squib;

8 - Пиротехнический резистор.8 - Pyrotechnic resistor.

9 - Переходы от активной области к планарным контактам в форме тупых углов 9 (прототип).9 - Transitions from the active area to planar contacts in the form of obtuse corners 9 (prototype).

Планарные контакты 3 пиротехнического резистора 8 формируют в едином технологическом цикле с резистивным используя титан или алюмотитановый сплав.Planar contacts 3 of the pyrotechnic resistor 8 are formed in a single technological cycle with a resistive one using titanium or alumino-titanium alloy.

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.To concentrate (concentrate) thermal energy when current is passed through the active region 2, a resistive film with a topology of a special shape is used, as shown, for example, in Fig. 4a and Fig. 4b. In this case, the expanded planar contact regions 3 provide an order of magnitude lower electrical resistance than in the active region and, accordingly, less and insufficient heat release to activate the explosive. Transitions with elements of a radius shape 6 from planar contacts 3, in comparison with transition elements in the form of obtuse angles 9, to the active region 2 eliminate local overheating due to increased current density and allow you to evenly distribute energy over the area of the active region.

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.The use of a dielectric substrate with reduced thermal conductivity and a thin resistive film (thickness of the order of 0.5 - 2 μm) when forming a resistive layer makes it possible to increase the speed of the pyrotechnic resistor up to 50 μs. Depending on the combination of parameters - resistance, configuration and thickness of the film, dielectric material - it is possible obtaining the necessary parameters in a wide range of safe currents and activation currents.

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.One of the options for implementing a pyrotechnic resistor includes the technological preparation of a glass-ceramic substrate (dielectric base 1), on which a thin film of titanium (titanium alloy) is applied by magnetron ion-plasma sputtering. Then, by the method of maskless lithography, the topology is formed (Figure 4, a) of active regions 2 and planar contacts 3. Next, the substrate is cut into rows. Then layer 4 is formed from titanium and nickel on the areas of mounting contacts and the end surface of the row, by the method of magnetron ion-plasma sputtering. Then, a layer 5 of solder is applied over layer 4 by hot tinning and the technological process is completed by cutting rows into individual elements - pyrotechnic chip resistors.

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.With standard dimensions of the pyrotechnic resistor element 2×1.25 mm and topology (Figure 4, a), typical parameters were obtained: resistance 2 - 10 Ohm; activation current more than 0.8 A; activation time from 50 µs; activation energy from 50 mJ.

Claims (3)

1. Способ изготовления пиротехнических резисторов по технологии производства тонкопленочных чип-резисторов методом нанесения в вакууме на диэлектрическую подложку резистивных и контактных материалов, отличающийся тем, что формирование резистивной активной области и планарных контактов выполняют в едином технологическом цикле и с использованием одного материала – титана или алюмотитанового сплава.1. A method of manufacturing pyrotechnic resistors according to the technology for the production of thin-film chip resistors by vacuum deposition of resistive and contact materials on a dielectric substrate, characterized in that the formation of a resistive active region and planar contacts is performed in a single technological cycle and using one material - titanium or aluminum-titanium alloy. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что монтажные охватывающие контакты формируют в дополнительном цикле, используя подслой титана или алюмотитанового сплава с дополнительным барьерным слоем никеля и финишным слоем паяемого покрытия.2. The method according to claim 1, characterized in that the mounting female contacts are formed in an additional cycle using a titanium or aluminum-titanium alloy sublayer with an additional nickel barrier layer and a soldered coating finish layer. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что топология в области переходов от планарных контактов к активной зоне выполнена в форме радиусных элементов.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the topology in the region of transitions from planar contacts to the active zone is made in the form of radius elements.

Images