阅读说明：本技术 一种封闭型平面三电极火花开关及制备方法 (Closed type plane three-electrode spark switch and preparation method thereof ) 是由 朱朋 汪柯 胡艳 张伟 吴立志 叶迎华 沈瑞琪 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明属于高功率脉冲领域,具体涉及一种封闭型平面三电极火花开关及制备方法。依次包括底层PCB板、线路层、PP层和顶层PCB板,底层PCB板为开关线路层的基板；线路层包括阳极、阴极和触发极以及与之相连的焊盘；PP层对应焊盘的位置开有焊盘开窗,对应电极的位置设有电极开窗；顶层PCB与焊盘相对应位置设有焊盘槽,与电极相对应的位置设有盲槽；PP层作为顶层PCB板和底层PCB板粘合的介质层,利用PP层将底层PCB与底层PCB板进行压合,在整个开关内部形成空腔。本发明利用印制电路板技术将平面三电极火花开关做成封闭型,稳定了开关的工作环境,提高了开关耐高过载的能力,并且大大降低了成本,可广泛应用于爆炸箔起爆器、电炮等脉冲功率系统。(The invention belongs to the field of high-power pulse, and particularly relates to an enclosed planar three-electrode spark switch and a preparation method thereof. The PCB comprises a bottom PCB, a circuit layer, a PP layer and a top PCB in sequence, wherein the bottom PCB is a substrate of the switch circuit layer; the circuit layer comprises an anode, a cathode, a trigger electrode and a bonding pad connected with the anode, the cathode and the trigger electrode; a pad window is arranged at the position of the PP layer corresponding to the pad, and an electrode window is arranged at the position corresponding to the electrode; a welding disc groove is arranged at the position of the top layer PCB corresponding to the welding disc, and a blind groove is arranged at the position corresponding to the electrode; the PP layer is used as a medium layer for bonding the top layer PCB and the bottom layer PCB, the bottom layer PCB and the bottom layer PCB are pressed by the PP layer, and a cavity is formed inside the whole switch. The invention uses the printed circuit board technology to make the plane three-electrode spark switch into a closed type, stabilizes the working environment of the switch, improves the high overload resistance of the switch, greatly reduces the cost, and can be widely applied to pulse power systems such as exploding foil detonators, electric guns and the like.)

一种封闭型平面三电极火花开关及制备方法

技术领域

本发明属于高功率脉冲领域，具体涉及一种封闭型平面三电极火花开关及制备方法。

背景技术

开关技术是脉冲功率系统的核心技术之一，决定着脉冲功率的输出特性。高压开关的基本要求包括耐电压高、感抗和阻抗小、导通延迟时间和上升时间短、允许通过大电流、一致性好、寿命长等等。基于以上特点，高压开关在***箔起爆系统等脉冲功率系统中具有重要作用。

高压开关的性能对整个放电回路中电流的上升时间、电流大小具有很大影响。常用的高压开关有冷阴极触发管(气体开关)、真空开关、电***等离子体开关、半导体开关等。其中基于气体放电击穿特性的立半球形电极火花隙开关最具代表性，由于其具有结构相对简单、触发较为准确、耐冲击性强、输出脉冲电流大和触发时间短等优点，因而得到了深入研究和广泛应用。

随着***箔起爆技术向微型化和平面化的方向发展，传统的火花隙开关由于体积大、不易集成、价格昂贵等方面的缺点，出现了平面三电极火花开关，但是平面三电极火花开关由于其电极裸露在大气环境中，其性能受大气温湿度、颗粒、污染物、电极氧化等多方面的影响，开关的自击穿性能和导通性能不稳定。其次，平面三电极火花开关在导通过程中产生的电火花可能会对周围线路造成影响。此外，常见的平面三电极火花开关都是基于MEMS技术和LTCC技术，通常采用陶瓷等材料作为基底，耐高过载的性能不佳，且价格偏贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种封闭型平面三电极火花开关及制备方法。。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种封闭型平面三电极火花开关，依次包括底层PCB板、线路层、PP层和顶层PCB板，

所述底层PCB板为开关线路层的基板；线路层包括阳极、阴极和触发极以及与之相连的焊盘；所述PP层对应焊盘的位置开有焊盘开窗，对应电极的位置设有电极开窗；所述顶层PCB与焊盘相对应位置设有焊盘槽，与电极相对应的位置设有盲槽；所述PP层作为顶层PCB板和底层PCB板粘合的介质层，利用PP层将底层PCB与底层PCB板进行压合，在整个开关内部形成空腔。

进一步的，所述线路层为Cu，厚度为12-35μm。

进一步的，所述PP层的厚度为70μm-150μm。

进一步的，所述底层PCB板的厚度为1mm-2mm，所述顶层PCB板的厚度为1mm-2mm，所述底层PCB板和顶层PCB板的材质为FR-4、FR-1或FR-2。

进一步的，所述阳极和阴极为半圆型电极，电极的半径为1-3mm，所述触发极为长方形电极，电极的宽度为0.1-0.2mm。

进一步的，所述盲槽的深度为0.2-0.8mm。

一种制备上述开关的方法，包括如下步骤：

步骤(1)：对底层PCB板板进行清洁，利用曝光、显影、刻蚀的方法对底层PCB板上表面的敷铜处理，得到开关所对应的线路图形，即线路层；

步骤(2)：对所述线路层上的焊盘进行化学镍金或喷锡处理，对线路层上的阳极、阴极和触发极进行沉金或镀金处理；

步骤(3)：利用激光或机械切割手段对PP层上对应焊盘和电极的区域进行开窗；

步骤(4)：利用激光或机械切割手段对顶层PCB板进行切割，将对应焊盘区域的部分进行开通槽，将对应电极区域的部分从板的下表面向上表面挖盲槽；

步骤(5)：将底层PCB板、PP层和顶层PCB板依次叠放并对齐，以PP层作为中间媒介，利用压力机将底层PCB板和顶层PCB板压合在一起；

步骤(6)：利用微刻刀对包含多个开关单元的PCB板进行划片，从而形成独立的封闭性平面三电极开关单元。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明利用印制电路板技术将平面三电极开关封装起来，稳定了开关的工作环境，提升了开关性能的稳定性；且印制电路板工艺成熟可靠，价格低廉，适合批量加工。因此可以降低加工成本，缩短加工周期；(2)印制电路板工艺的基材为聚合物材料，聚合物材料强度高，韧性好，因此耐高过载的能力高。(3)印制电路板工艺的图形可通过丝网印刷或者光刻等工艺精确控制，因此可以对开关电极的间隙进行调整，以满足不同脉冲功率系统的需求。(4)印制电路板工艺属于厚膜工艺，金属电极的厚度较厚，因此电极的耐烧蚀能力强。

附图说明

图1为封闭型平面三电极火花开关***视图。

图2为线路层结构示意图。

图3为PP层结构示意图。

图4为顶层PCB板结构示意图。

附图标记说明：

1-底层PCB板，2-线路层，3-PP层，4-顶层PCB板，2-1-阳极，2-2-阴极，2-3-触发极，2-4-焊盘，3-1-焊盘开窗，3-2-电极开窗，4-1-焊盘槽，4-2-盲槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

结合图1到图4，所述封闭型平面三电极火花开关具体包括底层PCB板1、线路层2、PP层3、顶层PCB板4。

所述底层PCB板1的材质为FR-4、FR-1、FR-2等板材，厚度为1mm-2mm，底层PCB板1作为开关线路层的基板,其厚度要保证开关导通过程中不被损坏。

所述线路层2的线路图形通过印油、曝光、显影、刻蚀和退膜工艺处理底层PCB板1上原有的敷铜，得到开关的阳极2-1、阴极2-2、触发极2-3以及与阳极2-1、阴极2-2、触发极2-3相连的焊盘2-4；焊盘2-4经沉金或喷锡等工艺处理，提高焊盘的可焊性；开关的阳极2-1、阴极2-2和触发极2-3经沉金或镀金等工艺进行保护，防止电极被氧化。

所述PP层3是树脂和载体合成的片状粘结材料，具有一定流动性和粘结性，其厚度在70-100μm左右。置于线路层2之上，利用机械钻孔或激光钻孔的方式将对应焊盘2-4和电极的区域进行开窗，防止线路层2上的焊盘(2-4)和电极被PP层3覆盖，PP层3的作用是为了粘合底层PCB板1和顶层PCB板4，保证整个板子结构的稳固性。

所述顶层PCB板4，厚度1mm-2mm。利用机械钻孔方式将焊盘对应位置进行开槽4-1，并且从顶层PCB板4的下表面向上表面开一个深度的盲槽4-2，盲槽的高度以及长宽尺寸可以根据开关的工作电压范围进行调整。开关的阳极2-1和阴极2-2的间隙越大，开关的耐压越高，开关导通时刻的冲击压力越大，所需的盲槽4-2的高度和尺寸越大。

该封闭型平面三电极开关的制备过程如下：

该工艺包括具体步骤如下：

第一步，对底层PCB(1)板进行清洁，利用曝光、显影、刻蚀的方法对底层PCB板1上表面的敷铜处理，得到开关所对应的线路图形，包括开关的阳极2-1、阴极2-2、触发极2-3以及与之相连的焊盘2-4。

第二步，对线路层上的焊盘2-4进行化学镍金或喷锡等工艺处理，保证焊盘的可焊性和平整性；对线路层上的阳极2-1、阴极2-2和触发极2-3进行沉金或镀金等工艺处理，防止电极被氧化。

第四步，利用激光或机械切割等手段对PP层3上对应焊盘和电极的区域进行开窗，PP层3的厚度在70μm-150μm之间，PP层3的厚度要满足板子结构稳定的要求，PP层3越厚,其上下两侧的PCB板粘结性越牢固，板子强度越高。

第四步，利用激光或机械切割等手段对顶层PCB板4进行切割，将对应焊盘2-4区域的部分进行开通槽4-1，将对应电极区域的部分从板的下表面向上表面挖一一定深度的盲槽4-2，盲槽4-2的高度以及长宽尺寸可以根据开关的工作电压范围进行调整。开关的阳极2-1和阴极2-2的间隙越大，开关的耐压越高，开关导通时刻的冲击压力越大，所需的盲槽4-2的高度和尺寸越大。

第五步，将底层PCB板1、PP层3和底层PCB板4依次叠放并对齐，以PP层3作为中间媒介，利用压力机将底层PCB板1和顶层PCB板4压合在一起，保证结构的稳定性和密封性。

第六步，利用V-Cut划片，形成独立的封闭型平面三电极开关单元。至此，基于印制电路板技术的封闭型平面三电极高压开关制作完成。

实施例1

本实施案例设计了基于印制电路板工艺的封闭式平面三电极火花开关。根据印制电路板工艺，结合其加工步骤，可将该开关分为底层PCB板1、线路层2、PP层3和顶层PCB板4四个部分。底层PCB板1厚度为1mm，材料为FR-4,在整个开关中作为线路层的载体。线路层2采用印油、显影、刻蚀、退膜等工艺直接对底层PCB板1上表面的铜刻蚀，得到开关所对应的图形，线路层的厚度为35μm。线路层包括平面三电极开关的三个电极，即阳极2-1、阴极2-2和触发极2-3以及与之相连的三个焊盘2-4；阳极和阴极为半圆型电极，电极的半径为2mm，触发极为长方形电极，电极的宽度为0.15mm，阳极和阴极的间距可以根据实际需要进行调整；利用化学镍金或喷锡等工艺处理焊盘2-4，保证焊盘2-4的可焊性。利用沉金或镀金等工艺处理电极阳极2-1、阴极2-2和触发极2-4，防止电极被氧化；PP层3为粘结材料，利用激光或机械切割等手段对PP层3上对应焊盘2-4和电极的区域进行开窗，避免PP层2将电极和焊盘2-4覆盖，得到焊盘开窗3-1和电极开窗3-2。顶层PCB板4作为结构层，其材料为FR-4，厚度为1mm，利用激光等手段处理得到焊盘槽4-1和盲槽4-2，盲槽的深度为0.5mm，焊盘槽的作用是将焊盘2-4露出来，方便和外电路连接。盲槽4-2的作用时在板子压合之后形成空腔，作为电极的工作环境。

在高温、高压条件下，利用PP层3将底层PCB板1和顶层PCB板4压合在一起，由于盲槽4-2的存在，从而在板子内部形成开关工作的空腔。由此完成基于印制电路板工艺的封闭型平面三电极开关的制备。该封闭型平面三电极开关通过将开关封闭在一个稳定气体环境的空腔内，腔内的气体组分稳定，湿度稳定，不受外界湿度、水汽、空气颗粒及污染物的影响，提高了开关工作性能的稳定性和一致性，增加了开关的使用寿命。第二，由于开关的微型化和平面化，适宜与***箔起爆系统等脉冲功率系统进行集成，相比其他工艺大大降低了成本。第三，基于印制电路板工艺的封闭型平面三电极开关，由于印制电路板自身采用的材料原因，制作的三电极开关耐高过载的能力强，适宜用于弹药在高过载情况下***箔起爆系统的可靠工作。