專利名稱:一種安全、解保與發(fā)火一體化微組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是ー種核心微組件，具體地說是ー種基于微系統(tǒng)集成技術(shù)設(shè)計的安全、解保與發(fā)火(Safe, Arm and Fire) 一體化微組件。
背景技術(shù)安全、解保(Safe & Arm)組件是中保證正常作用發(fā)火和平時勤務(wù)處理安全的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，近年來隨著微系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，將微系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用于SM系統(tǒng)的設(shè)計與制造中是當(dāng)前及未來SM技術(shù)研究的熱點。微系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用為減小SM系統(tǒng)的體積、提高可靠性及増加新的智能化功能帶來了可能。目前的大多數(shù)微型SM系統(tǒng)采用MEMSエ藝加工而成，實現(xiàn)了系統(tǒng)中的隔爆及利用環(huán)境カ解保功能，少數(shù)集成度較高的產(chǎn)品在上述產(chǎn)品基礎(chǔ)上加入了 MEMS電作動器或煙火作動器等微型可動裝置，形成帶有遠(yuǎn)解、兩道環(huán)境力解除保險及隔爆功能的微型SM系統(tǒng)，但初級的發(fā)火裝置還是以傳統(tǒng)的針刺雷管與電雷管為主，并未將發(fā)火裝置與MEMS SM系統(tǒng)進(jìn)行集成。同時由于發(fā)火電路是由分立元件及導(dǎo)線進(jìn)行板級電路連接后與MEMS SM系統(tǒng)共同封裝的，造成電火エ品的可靠作用率依然難以保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種體積小巧、可靠性高、易于批量生產(chǎn)，并且實現(xiàn)了電安全、解保與發(fā)火(Safe,Arm and Fire)系統(tǒng)全部功能的基于微系統(tǒng)技術(shù)的安全、解保與發(fā)火一體化微組件。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的安全、解保與發(fā)火一體化微組件的組成包括MEMS-CM0S安全、解保與發(fā)火一體化芯片、分立起爆電容、起爆控制晶閘管、防泄流ニ極管、擊發(fā)藥、起爆藥柱、飛片、電連接線/插針、連接芯片的PCB電路板、殼體、機(jī)械連接螺釘和支柱。MEMS-CM0S安全、解保與發(fā)火一體化芯片的組成包括硅基片〈100〉、硅化物絕緣層、表面電路層。硅化物絕緣層用于硅基片與表面電路、控制開關(guān)、微發(fā)火件層的電絕緣。表面電路、控制開關(guān)、微發(fā)火件層設(shè)置有用于引燃擊發(fā)藥的半導(dǎo)體橋/金屬橋微發(fā)火件，用于微發(fā)火件短路保險的保險開關(guān)，用于在起爆失敗或取消任務(wù)情況下切斷微發(fā)火件供能通道的失效開關(guān)，用于控制保險開關(guān)、失效開關(guān)作用，完成電子系統(tǒng)初始裝定、啟動、計時與邏輯控制功能的CMOS數(shù)模混合集成電路部分。MEMS-CMOS SAF—體化芯片表面有外接引腳，芯片通過BGA焊球倒裝的連接方式固定在PCB板上，使芯片與外界形成電連接，電源、分立起爆電容、起爆控制晶閘管、防泄流ニ極管等分立元件貼裝在另ー塊PCB板上，兩塊PCB板通過接線柱貫通焊裝連接。為保證兩塊PCB板之間的機(jī)械連接強(qiáng)度與間隙充分，在兩塊PCB板之間加入支柱以保證兩塊PCB板的間隙符合エ藝需要，同時通過螺釘連接兩塊PCB板，這樣做的目的是保證芯片不受擠壓損壞。同時留有足夠的灌封空間使得SAF —體化微組件可以承受惡劣的使用環(huán)境。MEMS-CM0S安全、解保與發(fā)火一體化芯片上加工有半導(dǎo)體橋/金屬橋微發(fā)火件，在微發(fā)火件正下方的PCB板上有定位孔，通過定位孔安裝帶凸臺并且凸臺中央帶有有起爆藥柱限位孔的金屬基板。發(fā)火件表面通過滴膠方式在發(fā)火件表面涂覆擊發(fā)藥，起爆藥柱安裝在起爆藥柱限位孔內(nèi)，并使起爆藥柱上表面緊貼擊發(fā)藥，使擊發(fā)藥在發(fā)火件作用后產(chǎn)生的爆燃效應(yīng)可以可靠引燃起爆藥。在金屬底板和外殼之間正對傳爆孔的位置上夾有飛片。本發(fā)明的裝配特征是貼裝了分立元件的上電路板(PCB)位于一體化微組件的最上層，該電路板通過連接線、插針同安全、解保與發(fā)火一體化芯片所在的下PCB板相連接；SAF —體化芯片上有引線PAD點，采用BGA球倒裝焊的方式與其下方PCB板上表面對應(yīng)的焊點連接；帶有凸臺的金屬基板通過下方PCB板上的定位孔與SAF芯片實現(xiàn)定位；采用滴注的方法通過金屬基板上的通孔對SAF芯片上微發(fā)火件表面覆蓋擊發(fā)藥，微發(fā)火件對正金屬基板上的中心位置；將裝有起爆藥的金屬圓管通過金屬基板上的通孔嵌入裝入金屬基板中，起爆藥凸出金屬圓管表面，壓緊起爆藥管，使起爆藥的凸出面與SAF芯片表面的擊發(fā)藥無縫隙接觸；金屬基板上表面與下PCB板下表面采用粘接方式連接；為保證上、下PCB板間的間距與抗壓強(qiáng)度，在上、下PCB板間加入空心支柱在四角處進(jìn)行支撐；一體化微組件所有零件均放于ー個金屬外殼中，在金屬外殼內(nèi)表面底部傳爆孔位置上安裝飛片，同時外殼上的傳爆孔起到飛片加速膛的作用，金屬外売上的傳爆孔與裝配后金屬基板上的起爆藥管對正；整體裝配首先將SAF芯片倒裝于下PCB板上，安裝金屬基板，起爆藥柱，在下PCB板 上焊接引線柱，在四角螺釘孔處安裝支柱，之后按對應(yīng)位置安裝上PCB板，并將引線柱與上PCB板焊裝，將螺釘穿過上、下PCB板四角處的螺釘孔與支柱，連接到金屬基板上的螺孔中，將飛片通過膠結(jié)的方式與外殼連接，之后將前述模塊整體放入外売，并繼續(xù)旋轉(zhuǎn)螺釘使模塊與外殼連接。
本發(fā)明還可以包括這樣ー些特征
I、所述啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制微組件，保險與失效控制微組件與微發(fā)火件可以各自加工芯片，通過PCB集成方式連接。
2、所述MEMS-CM0S安全、解保與發(fā)火一體化芯片與PCB板的連接方式可以采用引線鍵合方式連接。
3、所述MEMS-CM0S安全、解保與發(fā)火一體化芯片與起爆藥管采用粘接的方式相連，起爆藥通過滴注的方法裝入與芯片粘接好的藥管中。
4、所述MEMS-CM0S安全、解保與發(fā)火一體化芯片還可以按照功能與エ藝兼容性劃分為安全、解保控制與發(fā)火等幾片獨立芯片應(yīng)用于本一體化微組件中。
微系統(tǒng)集成技術(shù)將采用MEMS-CM0S加工エ藝制造的核心元件與傳統(tǒng)的分立元件、機(jī)械結(jié)構(gòu)與PCB電路進(jìn)行集成使得系統(tǒng)的整體尺寸減小，可靠性提高。又由于系統(tǒng)的核心功能元件采用MEMS-CM0S技術(shù)加工，其加工一致性好，成本低。以這類核心元件構(gòu)建的系統(tǒng)，減少了裝配零件，増加了勞動效率，在這樣需要批量制造的領(lǐng)域上有明顯優(yōu)勢。微組件采用高能量紐扣電池供電，并且該模塊作為ー個整體可以用作中機(jī)械安全系統(tǒng)中的一部分易于在中應(yīng)用。本發(fā)明通過對安全、解保與發(fā)火原理的設(shè)計，使用安全、解保與發(fā)火單元的核心結(jié)構(gòu)可以用MEMS-CM0S加工エ藝加工成為SAF —體化芯片結(jié)構(gòu)，通過對SAF —體化芯片的電連接方式設(shè)計，SAF—體化芯片與擊發(fā)藥、起爆藥及飛片的起爆藥序列設(shè)計，此一體化微組件可以在實現(xiàn)傳統(tǒng)的用安全、保險與發(fā)火基本功能的同時使體積大大縮小，不含電池的整體厚度小于Icm,體積小于Icm3,并可實現(xiàn)定時起瀑、碰擊起瀑與自失效等多種功能。本安全、解保與發(fā)火一體化微組件的主要優(yōu)點可以歸結(jié)為[0011]I、便于批量加工，可降低生產(chǎn)成本；
2、體積小，可用于小口徑彈藥
3、可靠性高、耐受力強(qiáng)，可以提高在惡劣發(fā)射條件下的生存能力；
4、模塊化封裝，通用性強(qiáng)，易于勤務(wù)處理。
本發(fā)明產(chǎn)品適用于帶有后座力發(fā)射環(huán)境的各型中大口徑彈藥及30mm以上小口徑彈藥。


圖I、本發(fā)明結(jié)構(gòu)剖面示意圖
圖2、本發(fā)明的起爆芯片表面圖
圖3a、起爆芯片處于安全狀態(tài)時的電路原理圖
圖3b、起爆芯片處于解保狀態(tài)下的電路原理圖
圖3c、起揚芯片處于起揚狀態(tài)下的電路原通圖
圖3d、起揚芯片處于失效狀態(tài)時的電路原通圖
圖4、本發(fā)明的另ー種實施方式剖面示意圖
具體實施方案
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述結(jié)合圖1，本發(fā)明的實施方案的組成包括殼體(I)、金屬基板(2)、下層PCB板(3)、BGA焊球(4)、安全、解保與發(fā)火一體化芯片(5)、支柱(6)、接線柱(7)、上層PCB板(8)、儲能電容(9)、晶閘管(10)、沉頭螺釘(11)、起爆藥管(12)、起爆藥(13)、與飛片(14)。MEMS-CMOS SAF—體化芯片(5)表面有外接引腳，芯片通過BGA焊球(4)倒裝的連接方式固定在下層PCB板(3)上，儲能電容(9)、晶閘管(10)貼裝在上層PCB板(8)上，兩塊PCB板通過接線柱(7)貫通焊裝連接。在兩塊PCB板之間加入支柱出)以保證兩塊PCB板的間隙符合エ藝需要，同時通過沉頭螺釘(11)連接兩塊PCB板。金屬基板(2)通過下層PCB板(3)上的定位孔安裝。通過滴膠方式在SAF —體化芯片上(5)的發(fā)火件表面涂覆擊發(fā)藥，起爆藥柱(13)安裝在起爆藥管(12)內(nèi)，裝好起爆藥柱(13)的起爆藥管(12)通過金屬基板(2)上的起爆藥管限位孔裝入，并使起爆藥柱
(13)上表面緊貼擊發(fā)藥。在金屬基板(2)和殼體(I)之間正對起爆藥柱的位置上夾有飛片
(14)。
結(jié)合圖2，本發(fā)明實施方案中的安全、解保與發(fā)火一體化芯片(5)的組成包括電微發(fā)火件(51)、保險開關(guān)(52)、失效開關(guān)(53)。啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制電路(54)、焊盤(55)，導(dǎo)線(56)和硅基板(57)。保險開關(guān)(52)、失效開關(guān)(53)組成保險與失效控制微組件。
結(jié)合圖3a_3d，本發(fā)明中的安全、解保與發(fā)火一體化微組件實現(xiàn)安全、解保、發(fā)火與失效功能的方式是，本發(fā)明實施方案中的起爆信號、失效信號的提供及起爆方式、起爆時間的提供由啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制電路(54)提供。時鐘(401)、數(shù)字計時器(402)、控制邏輯電路(403)、模擬計時電路(404)、晶閘管(405)、(406)、ニ極管(407)(408) (409)、儲能電容(410) (411) (412)和電源(413)是啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制電路⑷的片上電路與外圍元件。電源(413)通過ニ極管(407) (408) (409)對儲能電容(410) (411) (412)充電，分別為時鐘(401)、數(shù)字計時器(402)、控制邏輯電路(403)、模擬計時電路(404)、微發(fā)火件(51)、保險開關(guān)(52)和失效開關(guān)(53)提供能源，芯片上電后保險開關(guān)(52)熔斷，芯片解保。根據(jù)預(yù)設(shè)的起爆方式，時鐘(401)、數(shù)字計時器(402)和模擬計時電路(404)開始工作，直到預(yù)定的時間窗ロ到來，控制邏輯電路(403)的輸出狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，控制晶閘管(405)導(dǎo)通，儲能電容(412)上的能量傳遞給微發(fā)火件(51)，芯片發(fā)火。若發(fā)火失敗或任務(wù)取消，計時電路(402)計時至失效時間窗ロ時，向晶閘管(406)發(fā)出失效控制信號，失效開關(guān)(53)接入回路，在儲能電容(411)的作用下熔斷，微發(fā)火件(51)與發(fā)火儲能電容(412)斷開，不再發(fā)生作用。
結(jié)合圖4，本發(fā)明的另ー種實施方案的組成包括殼體(I)、金屬基板(2)、安全、解保與發(fā)火一體化芯片(3)、焊球(4)、引線(5)、下層PCB板(6)、上層支柱(7)、上層PCB板(8)、儲能電容(9)、晶閘管(10)、下層支柱(11)、起爆藥管(12)、起爆藥(13)、與飛片(14)。MEMS-CMOS SAF—體化芯片(3)表面有外接引腳，芯片通過焊球⑷與引線(5)通過引線鍵合的方式與下層PCB板(6)形成電連接。儲能電容(9)、晶閘管(10)貼裝在上層PCB板 (8)上，兩塊PCB板通過接線柱貫通焊裝連接。在兩塊PCB板之間加入支柱(7)以保證兩塊PCB板的間隙符合エ藝需要，同時通過沉頭螺釘連接兩塊PCB板。金屬基板(2)在對應(yīng)發(fā)火件的位置處有起爆藥管限位孔。通過滴膠方式在SAF—體化芯片上(3)的發(fā)火件表面涂覆擊發(fā)藥，起爆藥柱(13)安裝在起爆藥管(12)內(nèi)，裝好起爆藥柱(13)的起爆藥管(12)通過金屬基板(2)上的起爆藥管限位孔裝入，并使起爆藥柱(13)上表面緊貼擊發(fā)藥。在金屬基板(2)和殼體(I)之間正對起爆藥柱的位置上夾有飛片(14)。
權(quán)利要求
1.安全、解保與發(fā)火(Safe，Armand Fire) 一體化微組件，其組成是:MEMS_CMOS安全、解保與發(fā)火一體化芯片、分立起爆電容、起爆控制晶閘管、防泄流ニ極管、擊發(fā)藥、起爆藥柱、飛片、電連接線/插針、連接芯片的PCB電路板、殼體、機(jī)械連接螺釘和支柱。其特征是:MEMS-CMOS安全、解保與發(fā)火一體化芯片與分立元件連接，用于微發(fā)火件短路保險、弓丨燃擊發(fā)藥、在起爆失敗或取消任務(wù)情況下切斷微發(fā)火件供能通道并按預(yù)定起爆方式控制起爆。SAF —體化芯片與擊發(fā)藥、起爆藥連接實現(xiàn)電能向爆燃能量的轉(zhuǎn)換用于引爆后級傳爆藥。SAF —體化微組件整體可以作為機(jī)械安全系統(tǒng)中的一部分起到傳爆序列分離或隔爆的作用。其裝配特征是:MEMS-CMOS SAF—體化芯片通過BGA焊球倒裝的連接方式固定在PCB板上。芯片表面發(fā)火件位置處通過滴膠方式涂覆擊發(fā)藥，起爆藥柱安裝在起爆藥柱限位孔內(nèi)，并使起爆藥柱上表面緊貼擊發(fā)藥。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的集成了發(fā)火控制開關(guān)的起爆芯片，其組成是保險與失效控制微組件，啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制微組件與微發(fā)火件。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的金屬基板，其組成是帶凸臺并且凸臺中央帶有有起爆藥柱限位孔，凸臺與發(fā)火件位置對正。
專利摘要
本發(fā)明是一種基于微系統(tǒng)集成技術(shù)設(shè)計的安全、解保與發(fā)火(Safe，Arm and Fire)一體化微組件。本發(fā)明通過對安全、解保與發(fā)火原理的設(shè)計，使安全、解保與發(fā)火單元的核心結(jié)構(gòu)可以用MEMS-CMOS加工工藝加工成為SAF一體化芯片結(jié)構(gòu)，通過對SAF一體化芯片的電連接方式設(shè)計，SAF一體化芯片與擊發(fā)藥、起爆藥及飛片的起爆藥序列設(shè)計，此一體化微組件可以在實現(xiàn)傳統(tǒng)的安全、保險與發(fā)火基本功能的同時使體積大大縮小，不含電池的整體厚度小于1cm，體積小于1cm3，并可實現(xiàn)定時起爆、碰擊起爆與自失效等多種功能。
文檔編號F42C15/00GKCN102645139SQ201110041282
公開日2012年8月22日 申請日期2011年2月21日
發(fā)明者婁文忠, 宋榮昌, 趙越 申請人:婁文忠, 宋榮昌, 趙越導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan