呂棟騰，韓克華

金屬Cu箔和Al箔的制備及其電爆性能研究

呂棟騰1，韓克華2

（1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安，710300；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

采用非平衡磁控濺射法制備得到不同厚度的銅膜和鋁膜，采用掃描電鏡（SEM）、臺階儀以及阻抗分析儀進行表征，并對其電爆性能進行測試。實驗結(jié)果表明，金屬薄膜在濺射過程中，濺射功率決定金屬薄膜的質(zhì)量，既濺射功率越大，金屬薄膜的致密性越好，晶粒顆粒越小，晶粒分布也越均勻；橋箔厚度對爆發(fā)時間和爆發(fā)電流均有顯著影響，較薄的橋箔電爆性能優(yōu)于較厚的橋箔；比較相同橋區(qū)尺寸、相同厚度的銅箔和鋁箔，鋁箔電爆性能更好。

沖擊片雷管；金屬薄膜；銅箔；鋁箔；磁控濺射；電爆性能

沖擊片雷管（Slapper Detonator）又稱為爆炸箔起爆器（EFI，Exploding Foil Initiator），其對沖擊、振動、靜電、射頻等惡劣環(huán)境都有較強的抵抗能力，只能在特定的窄脈沖大電流作用下爆炸，具有瞬發(fā)度高、爆炸同步性好等優(yōu)點，作為最安全的起爆器，自誕生以來就受到世界各國的廣泛關(guān)注[1-3]。金屬橋箔是沖擊片雷管的關(guān)鍵部件，其材料和尺寸直接影響著沖擊片雷管的性能，直接關(guān)系到?jīng)_擊片雷管的可靠性以及低能化、小型化與通用化[4-5]。美國早在20世紀90年代初就開始用磁控濺射法制備金屬橋箔，用于制造沖擊片雷管[6-8]。國內(nèi)目前主要是利用電鍍法和刻蝕法進行金屬箔膜的制備，該制備工藝精度不高、操作繁瑣、成品率較低，制備的金屬薄膜異常晶粒數(shù)量較多、平均直徑較大，嚴重影響了沖擊片雷管的發(fā)火性能。隨著沖擊片雷管向著低能化、小型化、集成化等方向的不斷發(fā)展，對金屬薄膜的性能也提出了更高的要求。因此，金屬薄膜的制備及其電爆性能是沖擊片雷管的重要研究方向。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品制備

本文參照文獻[9]和[10]的實驗，利用純Cu和純Al作為靶材，以厚度為25μm的聚酰亞胺薄膜為基材，在KS40非平衡磁控濺射儀中進行濺射，按照設(shè)置參數(shù)，使Cu和Al在硅片上沉積成膜，濺射成不同厚度和形狀的金屬薄膜。為得到臺階，載玻片上貼有耐高溫膠帶，最后利用溶劑進行表面清洗和處理，形成實驗用Cu箔和Al箔。本系統(tǒng)核心設(shè)備為KS40非平衡磁控濺射儀，它屬于物理氣相沉積（PVD）鍍膜機。采用非平衡磁控濺射儀，在最佳工藝條件下制備了厚度分別為3.0μm、4.0μm、5.0μm和6.0μm的銅箔和鋁箔，厚度偏差小于3%。

1.2 樣品表征

采用捷克TESCAN公司生產(chǎn)的VEGA TS5136 XM型掃描電子顯微鏡表征樣品的表面形貌，分辨率為30kV：1.2nm、3kV：3.0nm，放大倍數(shù)可達800 000倍；采用美國Veeco公司生產(chǎn)Dektak 150型臺階儀測量金屬橋箔橋區(qū)三維尺寸并獲得三維圖像、薄膜表面粗糙度、薄膜內(nèi)應(yīng)力等；利用阻抗分析儀測試橋箔電感和電阻等電氣參數(shù)。

1.3 電爆性能實驗

按照文獻[11]和[12]進行薄膜電爆性能實驗，實驗裝置測試原理框圖如圖1所示，包括采樣速率不低于1GS·s-1的數(shù)字存儲示波器(DSO)、高壓數(shù)字表、高壓脈沖功率源系統(tǒng)、電流測量線圈、分壓器、短路負載、金屬橋箔等。

圖1 實驗裝置測試原理框圖

脈沖變壓器將+27V低電壓轉(zhuǎn)換成3kV高電壓，經(jīng)整流后給高壓脈沖功率源中高壓脈沖電容器充電，用高壓數(shù)字表檢測充電電壓；當(dāng)高壓開關(guān)經(jīng)過觸發(fā)電路觸發(fā)時，高壓開關(guān)導(dǎo)通，高壓脈沖電容器上的高電壓經(jīng)過高壓開關(guān)對金屬橋箔進行放電，回路中的電流用電流測量線圈進行測量，電壓用分壓器測試，數(shù)據(jù)用數(shù)字示波器進行檢測并記錄。

金屬橋箔(Foil bridge)在窄脈沖大電流通過的條件下，橋箔的橋區(qū)部分由于焦爾效應(yīng)放出大量的熱，并發(fā)生電爆炸，瞬間經(jīng)歷固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)-等離子體的相變過程，在此過程中對應(yīng)電壓最大時刻的電流為爆發(fā)電流，此電壓稱為爆發(fā)電壓。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積速率與功率關(guān)系

2.1.1 銅膜沉積速率與功率關(guān)系

為得到銅膜沉積速率與濺射電源功率之間的關(guān)系，用直流電源分別在150W、300W、450W、600W和800W的功率下濺射銅靶，圖2為銅膜沉積速率與直流電源功率之間的關(guān)系。

圖2 銅膜沉積速率與電源功率的關(guān)系

從圖2中可以看出，銅膜沉積速率與功率基本成正比例函數(shù)關(guān)系。對獲得的實驗曲線進行擬合，得到該設(shè)備濺射銅膜的沉積速率與功率的關(guān)系式為：=0.001 9。（為濺射電源功率，W；為薄膜沉積速率，μm/h）

2.1.2 鋁膜沉積速率與功率關(guān)系

圖3為用直流電源分別在150W、300W、600W和800W的功率下濺射鋁靶，得到的鋁膜沉積速率與所用的直流電源功率之間的關(guān)系。

從圖3中可以看出，鋁膜沉積速率與直流電源功率基本成正比例函數(shù)關(guān)系。對獲得的實驗曲線進行擬合，得到該設(shè)備濺射鋁膜的沉積速率與功率的關(guān)系式為：=0.001 4。

圖3 鋁膜沉積速率與功率的關(guān)系

2.2 SEM分析

2.2.1 銅膜SEM照片分析

4種濺射功率下的銅膜SEM照片如圖4所示，照片所示區(qū)域?qū)嶋H面積相同。

圖4 銅膜SEM照片（放大5×104倍）

從圖4可以清晰地看出濺射功率對銅薄膜質(zhì)量的影響，150W的濺射功率下得到的銅薄膜上有很多孔隙和裂紋，300W濺射功率下得到的銅薄膜相比150W濺射功率下得到的銅薄膜致密性有所改善，但晶粒的顆粒大小分布不太均勻。600W濺射功率下得到的銅薄膜與前二者相比，無論是在薄膜的致密性和晶粒顆粒大小的均勻性上，都有很大的改善，薄膜質(zhì)量明顯好于前二者。當(dāng)濺射功率達到800W時，薄膜晶粒大小進一步降低，薄膜變得更加致密，但此時視場中出現(xiàn)了多個較大的顆粒。造成這種現(xiàn)象的原因可能是在800W的濺射功率下，由于銅在該條件下沉積速率已經(jīng)達到了一個很大的值，這樣快的沉積速率破壞了已經(jīng)沉積在基材上的銅原子的重新排列過程，使得已經(jīng)沉積在基材上的部分銅原子來不及擴散和重新排列，而導(dǎo)致某些位置的銅原子出現(xiàn)過度堆積的現(xiàn)象，反映在SEM照片上就是局部出現(xiàn)較大的銅原子晶粒顆粒。

上述研究表明濺射功率決定銅薄膜的質(zhì)量，濺射功率越大，銅薄膜的致密性越好，即晶粒顆粒越小，晶粒分布也越均勻。隨著濺射功率的提高，薄膜的致密性得到顯著提高。

2.2.2 鋁膜SEM照片分析

圖5為4種濺射功率下的鋁薄膜SEM照片，照片所示區(qū)域?qū)嶋H面積相同。根據(jù)實驗結(jié)果，可將4張SEM照片分為2組進行分析：低濺射功率（150W和300W）與高濺射功率（600W和800W）。

圖5 鋁膜SEM照片（放大5×104倍）

低濺射功率與高濺射功率相比，主要差異有兩點：一是晶粒顆粒尺寸不同。在低濺射功率下得到的鋁膜晶粒平均直徑較大，且明顯大于在高濺射功率下的晶粒尺寸，高功率下得到的鋁膜晶粒排列更加致密；二是異常晶粒數(shù)量不同。在相同的視場中，低濺射功率下得到的鋁膜中異常晶粒數(shù)量較多，高濺射功率下得到的鋁膜中異常晶粒數(shù)量相對較少。

造成不同濺射功率下得到的鋁薄膜致密性和均勻性差異的原因與上述銅薄膜的分析結(jié)果相同。即在較高的濺射功率下，一方面，脫離靶材的原子獲得的初始動能更大，利于靶材原子的熱擴散。另外，較高的濺射功率下對應(yīng)較高的離化率，促使部分靶材原子以填補晶格空位、脫離基材表面等方式進行重新排列。這兩方面的原因最終導(dǎo)致得到的鋁薄膜致密、均勻。

2.2.3 銅箔與鋁箔電爆性能

制備了不同厚度的銅箔和鋁箔，分別進行電爆性能試驗，不同厚度銅箔和鋁箔在不同加載電壓情況下，爆發(fā)電流與爆發(fā)時間規(guī)律如圖6~9所示。

圖6 銅箔爆發(fā)電流測試曲線

圖7 銅箔爆發(fā)時間測試曲線

由圖6可見，充電電壓在1.8kV以上時，各種厚度的銅箔具有相近的爆發(fā)電流；但在較低的充電電壓下（1.3kV），3.0μm和4.0μm的銅箔爆發(fā)電流基本相同，均遠大于5.0μm的銅箔，此時6.0μm的銅箔，在示波器上已經(jīng)讀不出爆發(fā)電流值。

圖8 鋁箔爆發(fā)電流測試曲線

圖9 鋁箔爆發(fā)時間測試曲線

由圖7可見，對于實驗所用的4種銅箔，在相同充電電壓下，厚度大的銅箔爆發(fā)時間要長于厚度小的銅箔，這是因為對于相同長度和寬度的銅箔，質(zhì)量與厚度成正比，厚度越小，在相同充電電壓下發(fā)生電爆炸所需要的能量越小，也就越容易發(fā)生電爆炸；對于相同厚度的銅箔，充電電壓越高爆發(fā)時間越短，這仍然和能量的累積有著密不可分的關(guān)系。結(jié)合圖6~7可以解釋5.0μm和6.0μm的銅箔在較低充電電壓下（1.3kV和1.5kV），爆發(fā)電流明顯小于其他兩種薄的銅箔（6.0μm的爆炸橋箔在1.3kV的充電電壓下已經(jīng)讀不出爆發(fā)電流）的現(xiàn)象。當(dāng)銅箔較厚時由于需要較長的能量累積時間，且放電回路中存在電能損耗，最終使得爆發(fā)時間越長的銅箔，其爆發(fā)電流也越小。

圖8~9所示分別為不同厚度的鋁箔爆發(fā)電流與充電電壓的關(guān)系以及不同厚度的鋁箔爆發(fā)時間與充電電壓的關(guān)系。由圖8可以看出，4種不同厚度的鋁箔在相同充電電壓下爆發(fā)電流差別不大，在1.3kV、1.5kV和1.8kV時甚至出現(xiàn)了爆發(fā)電流數(shù)值基本重合的現(xiàn)象。圖9可以清晰地反映出厚度對鋁箔發(fā)生電爆炸難易程度的影響，其結(jié)果與銅箔的實驗結(jié)果相吻合，在實驗所用的4種橋箔中，厚度大的橋箔與厚度小的橋箔相比更難發(fā)生電爆炸，厚度大的橋箔的爆發(fā)時間要長于厚度小的橋箔，其原因為金屬橋箔橋區(qū)質(zhì)量大小決定發(fā)生電爆炸的難易程度。

為對比說明銅箔和鋁箔電爆性能的差異，選取了2種不同厚度的橋箔，比較它們的電爆性能。表1和表2為相同厚度下，銅和鋁2種橋箔在相同充電電壓下的爆發(fā)電流數(shù)據(jù)。根據(jù)表1~2中數(shù)據(jù)，總體上看，鋁箔爆發(fā)電流普遍大于銅箔的爆發(fā)電流，而且這種差異在1.3kV和1.5kV的充電電壓下尤其明顯。

表1 3.0μm銅箔和鋁箔爆發(fā)電流對比

Tab.1 Comparison of burst current of Cu foil and Al foil with 3.0μm thickness

表2 5.0μm銅箔和鋁箔爆發(fā)電流對比

Tab.2 Comparison of burst current of Cu foil and Al foil with 5.0μm thickness

表3和表4為相同厚度下，銅箔和鋁箔在相同充電電壓下的爆發(fā)時間數(shù)據(jù)。從表3~4中數(shù)據(jù)可以看出，在相同充電電壓下，對于相同厚度的銅箔和鋁箔，銅箔的爆發(fā)時間總是要長于鋁箔的爆發(fā)時間，而且在1.3kV、1.5kV和1.8kV的充電電壓下這種差異更為明顯。

表3 3.0μm銅箔和鋁箔爆發(fā)時間對比

Tab.3 Comparison of burst time of Cu foil and Al foil with 3.0μm thickness

表4 5.0μm銅箔和鋁箔爆發(fā)時間對比

Tab.4 Comparison of burst time of Cu foil and Al foil with 5.0μm thickness

表1~4的數(shù)據(jù)表明，在相同厚度、相同充電電壓條件下，鋁箔與銅箔相比具有更好的電爆性能。分析原因，由于金屬的電爆炸是一種瞬間發(fā)生的液化-氣化-等離子體的變化過程，鋁與銅相比具有更小的密度、更低的熔點與沸點、更小的相變潛熱，這些特性使得鋁更加容易發(fā)生電爆炸，也就是說爆發(fā)時間更短、爆發(fā)電流更大。

3 結(jié)論

（1）通過實驗，利用非平衡磁控濺射儀在不同電源功率條件下，制備了不同厚度的銅膜和鋁膜，獲得了金屬薄膜在濺射過程中，其沉積速率與功率基本成正比例函數(shù)的關(guān)系。

（2）在低濺射功率下得到的金屬薄膜晶粒平均直徑較大，金屬薄膜異常晶粒數(shù)量較多，高濺射功率下得到的金屬薄膜晶粒平均直徑較小，異常晶粒數(shù)量相對較少。由此可得金屬薄膜在濺射過程中，濺射功率決定金屬薄膜的質(zhì)量，即濺射功率越大，金屬薄膜的致密性越好，晶粒顆粒越小，晶粒分布也越均勻。

（3）對銅和鋁兩種橋箔的電爆性能測試結(jié)果表明，對于實驗所使用的幾種不同厚度的橋箔，橋箔厚度對爆發(fā)時間和爆發(fā)電流均有顯著影響，較薄的橋箔電爆性能優(yōu)于較厚的橋箔；對于相同橋區(qū)尺寸、相同厚度的銅箔和鋁箔，鋁箔電爆性能更好。

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Preparation and Electrical Exploding Performance of Cu Foil and Al Foil

Lü Dong-teng1，HAN Ke-hua2

（1. Shaanxi Institute of Technology, Xi’an, 710300; 2. Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061）

The Cu foil and the Al foil were prepared by magnetron sputtering method, the structure and morphology of Cu foil and Al foil samples were characterized by transmission electron microscopy (SEM), the resistance and the inductance were tested by impedance analyzer, and the performance of electrical exploding were tested in this study. The results showed that during the sputtering process, the sputtering power influences the quality of metal film, the more sputtering power, the better consistency of metal film, the less metal crystal, and the better distributing uniformity of metal crystal. Experiments were performed to investigate the relationship between the thickness and the electrical exploding performance of bridge foil, which showed burst current and burst time of the thin bridge foil was better than that of the thick bridge foil, and as far as the same size of bridge foil be concerned, that burst current and burst time of Al foil was better than that of Cu foil.

Slapper detonator；Metal film；Cu foil；Al foil；Magnetron sputtering；Electrical exploding performance

TQ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.03.002

1003-1480（2019）03-0005-05

2019-04-08

呂棟騰（1984-），男，副教授，主要從事機電系統(tǒng)控制研究。