基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥及其制备方法
阅读说明：本技术 基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥及其制备方法 (Energy-containing semiconductor bridge based on Al/PVDF (aluminum/polyvinylidene fluoride) ink and preparation method thereof ) 是由 张文超 顾伯南 徐建勇 陈亚杰 郑子龙 陈俊宏 俞春培 王嘉鑫 于 2020-11-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥及其制备方法。所述方法通过将纳米铝粉分散在PVDF的N-甲基吡咯烷酮溶液中得到Al/PVDF油墨,采用微笔直写的方式在半导体桥芯片表面滴加Al/PVDF油墨,经烘干后在半导体桥芯片上得到Al/PVDF含能薄膜。本发明的Al/PVDF油墨具有反应高放热量、高燃烧火焰传播速度等优点,基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥点火输出能力高、安全性好,能够实现间隙点火。(The invention discloses an energy-containing semiconductor bridge based on Al/PVDF printing ink and a preparation method thereof. The method comprises the steps of dispersing nano aluminum powder in N-methyl pyrrolidone solution of PVDF to obtain Al/PVDF ink, dripping the Al/PVDF ink on the surface of a semiconductor bridge chip in a micro-pen direct writing mode, drying and then obtaining the Al/PVDF energetic film on the semiconductor bridge chip. The Al/PVDF ink has the advantages of high reaction heat release, high combustion flame propagation speed and the like, and the energetic semiconductor bridge based on the Al/PVDF ink has high ignition output capability and good safety and can realize gap ignition.)
技术领域
本发明属于半导体桥技术领域，涉及一种基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥及其制备方法。
背景技术
半导体桥是一种基于半导体膜或者金属-半导体膜在外加电能刺激下产生热或等离子体能量的桥膜式换能元件，是近年来通过半导体器件领域的微电子集成技术研制的最重要的火工品换能元件之一。它具有触发能量低、瞬发性高、安全性高、可靠性高以及能与数字逻辑电路组合等优点。半导体桥虽然兼顾安全性和可靠性的要求，但是由于其桥区面积小，存在点火输出能力不高的情况，目前只能点燃斯蒂酚酸铅等较敏感的火工药剂，不能满足钝感点火要求。
如何在保证半导体桥安全性的条件下，有效提高半导体桥点火输出能力是半导体桥火工品亟待解决的难题。为此研究人员开展了含能半导体桥的研究，通过各种薄膜制备技术在半导体桥表面集成一定厚度的含能薄膜，当有热能、电能或者激光辐射等外在能量激励时，这些含能薄膜能够发生自持的燃烧反应，放出大量的热量，同时还生成了灼热的固体产物随着半导体桥发火时的火花喷溅而出，从而有效提高半导体桥的点火输出能力。常见的含能薄膜主要有金属合金化薄膜和金属/氧化物薄膜，主要的薄膜成分有Al/Ni、Al/Ru和Al/CuO、Al/MoO3等。
在上述含能薄膜的制备过程中，纳米铝粉是一种非常重要的原料，但是其颗粒表面会氧化形成一层致密的Al2O3钝化层。这一钝化层的存在明显降低了铝粉中活性铝的含量从而使得纳米铝粉能量密度下降，同时由于该钝化层(主要是Al2O3)的融解温度高，将导致纳米铝粉的点火温度升高、燃速降低，导致其反应时能量释放不完全，反应进程受到一定影响，使得最终所制备的含能薄膜的反应性能无法满足实际需求，进而使得集成含能薄膜的半导体桥点火输出性能受到影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于铝/聚偏氟乙烯(Al/PVDF)油墨的含能半导体桥及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥的制备方法，采用微笔直写技术将Al/PVDF油墨集成到半导体桥芯片表面形成Al/PVDF薄膜，包括如下步骤：
步骤1，在70～80℃下将PVDF溶于N-甲基吡咯烷酮中，配置成浓度为0.1～2.0mol/L的PVDF溶液；
步骤2，按纳米铝粉与PVDF的质量比为1:1～1.5:1，先采用超声混合，再采用磁力机械搅拌的方式将纳米铝粉均匀分散到PVDF溶液中，获得Al/PVDF油墨；
步骤3，采用微笔直写的方式，将Al/PVDF油墨集成到半导体桥芯片上，然后将半导体桥烘干，依次循环集成和烘干步骤，待油墨全部集成完毕后再将半导体桥烘干，最终在半导体桥芯片表面集成Al/PVDF薄膜，得到基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥。
优选地，步骤2中，所述的纳米铝粉活性为60％～75％。
优选地，步骤2中，所述的超声混合时间为1～3h，磁力机械搅拌时间为12～36h。
优选地，步骤3中，微笔直写次数为2～5次，每次集成后的烘干温度为50℃，烘干时间为20～40min；油墨全部集成完毕后的烘干温度为50℃，烘干时间为2～6h。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)PVDF能够和纳米铝粉表面的钝化层(主要是Al2O3)发生固-固相预点火反应生成AlF3，克服了表面钝化层对纳米铝粉反应性能的影响。同时铝粉颗粒氟化生成AlF3时所释放的能量为55.7KJ/g，远高于铝粉颗粒氧化时所释放的能量(31KJ/g)，使得Al/PVDF薄膜具有高反应放热量、高燃烧火焰传播速度等优点，因此集成的Al/PVDF薄膜会极大地提高半导体桥的点火输出能力。
(2)PVDF较差的导热性使得Al/PVDF薄膜较钝感，能够在有效提高半导体桥点火输出能力的同时，保证半导体桥安全性。根据GJB5309.14-2004《火工品实验方法:1A1W5min不发火实验》要求进行实验，证明基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥均通过安全电流实验。
附图说明
图1为本发明的基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥的制备流程图。
图2为实施例1中Al/PVDF薄膜的SEM表征图。
图3为实施例1中40V脉冲电压激励条件下基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥的点火瞬间图像。
图4为实施例1中40V脉冲电压激励条件下基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥点燃B/KNO3的点火瞬间图像。
图5为实施例2中40V脉冲电压激励条件下基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥的点火瞬间图像。
图6为实施例2中40V脉冲电压激励条件下基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥点燃B/KNO3的点火瞬间图像。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明，本发明的实施方式仅用于解释本说明，不会对本发明构成任何限定。
实施例1
基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥的制备，具体步骤如下：
步骤1，称取0.24g PVDF，在70℃下溶于3ml N-甲基吡咯烷酮中配置成PVDF溶液；
步骤2，称取0.24g纳米铝粉(活性测定为65％)加入到PVDF溶液中，超声混合1h，再磁力机械搅拌24h，获得Al/PVDF油墨；
步骤3，采用微笔直写的方式，将Al/PVDF油墨集成到半导体桥芯片上，再置于烘箱中在50℃下烘干30min。按照上述步骤循环直写3次，待油墨全部集成完毕后，再置于烘箱中在50℃下烘干4h，即可得到在半导体桥芯片表面附有Al/PVDF薄膜的含能半导体桥。
利用扫描电镜对制得的Al/PVDF薄膜的微观形貌进行表征，结果如图2所示，表明Al/PVDF薄膜中，Al和PVDF均匀地分布在溶剂载体网状结构上，说明本发明中制得的Al和PVDF分散均匀，接触良好。
借助储能放电起爆仪，在40V脉冲电压激励点火条件下对基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥进行点火实验，利用相机采集发火瞬间图像，结果如图3所示，表明在40V脉冲电压激励下，基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥可靠发火，火焰燃烧剧烈，火光明亮。
借助间隙点火装置，将B/KNO3点火药与制得的含能半导体桥之间间隔设置为3mm，在40V脉冲电压激励点火条件下对基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥进行间隙点火实验，利用相机采集发火瞬间图像，结果如图4所示，表明在40V脉冲电压激励下，基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥能可靠点燃3mm间隙处的B/KNO3点火药，点火能力较强，具备间隙点火能力。
借助智能雷管电参数测试仪，对基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥进行安全电流测试，结果表明，基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥通过了GJB5309.14-2004《火工品实验方法:1A1W5min不发火实验》要求。
实施例2
基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥的制备，具体步骤如下：
步骤1，称取0.24g PVDF，在70℃下溶于3ml N-甲基吡咯烷酮中配置成PVDF溶液；
步骤2，称取0.36g纳米铝粉(活性测定为65％)加入到PVDF溶液中，超声混合1h，再磁力机械搅拌24h，获得Al/PVDF油墨；
步骤3，采用微笔直写的方式，将Al/PVDF油墨集成到半导体桥芯片上，再置于烘箱中在50℃下烘干30min。按照上述步骤循环直写3次，待油墨全部集成完毕后，再置于烘箱中在50℃下烘干4h，即可得到在半导体桥芯片表面附有Al/PVDF薄膜的含能半导体桥。
借助储能放电起爆仪，在40V脉冲电压激励点火条件下对基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥进行点火实验，利用相机采集发火瞬间图像，结果如图5所示，表明在40V脉冲电压激励下，基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥可靠发火，火焰燃烧明显，火光明亮。
借助间隙点火装置，将B/KNO3点火药与制得的含能半导体桥之间间隔设置为3mm，在40V脉冲电压激励点火条件下对基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥进行间隙点火实验，利用相机采集发火瞬间图像，结果如图5所示，表明在40V脉冲电压激励下，基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥能可靠点燃3mm间隙处的B/KNO3点火药，点火能力较强，具备间隙点火能力。
借助智能雷管电参数测试仪，对基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥进行安全电流测试，结果表明，基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥通过了GJB5309.14-2004《火工品实验方法:1A1W5min不发火实验》要求。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是纳米铝粉和PVDF的质量比为0.5:1。
借助储能放电起爆仪，在40V脉冲电压激励点火条件下对基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥进行点火实验，结果表明在40V脉冲电压激励下，基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥未发火。
借助间隙点火装置，将B/KNO3点火药与制得的含能半导体桥之间间隔设置为3mm，在40V脉冲电压激励点火条件下对基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥进行间隙点火实验，结果表明在40V脉冲电压激励下，基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥未发火，不能点燃3mm间隙处的B/KNO3点火药。
借助智能雷管电参数测试仪，对基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥进行安全电流测试，结果表明，基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥测试前后电阻发生明显变化，未能通过GJB5309.14-2004《火工品实验方法:1A1W5min不发火实验》要求。
对比例2
本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是纳米铝粉和PVDF的质量比为0.75:1。
借助储能放电起爆仪，在40V脉冲电压激励点火条件下对基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥进行点火实验，结果表明在40V脉冲电压激励下，基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥未发火。
借助间隙点火装置，将B/KNO3点火药与制得的含能半导体桥之间间隔设置为3mm，在40V脉冲电压激励点火条件下对基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥进行间隙点火实验，结果表明在40V脉冲电压激励下，基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥未发火，不能点燃3mm间隙处的B/KNO3点火药
借助智能雷管电参数测试仪，对基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥进行安全电流测试，结果表明，基于Al/PVDF油墨的含能半导体桥测试前后电阻发生明显变化，未能通过GJB5309.14-2004《火工品实验方法:1A1W5min不发火实验》要求。
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