Passive Bauelemente Airbag und Gurtstraffer: EPIC/MEPIC-Zünder in pyrotechnischen Anwendungen

Von Amine Dhia *

Zum Auslösen von Airbag oder Gurtstraffer werden oft kostengünstige BW-Zünder verwendet, die aber aufwendige Konstruktionen erfordern. Hier bieten sich Zündwiderstände in EPIC- und MEPIC-Technologie an.

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EPIC- (links) und MEPIC-Zündwiderstände: mit ihnen lassen sich Airbags auslösen.
EPIC- (links) und MEPIC-Zündwiderstände: mit ihnen lassen sich Airbags auslösen.
(Bild: ©phonlamaiphoto - stock.adobe.com, Texas Instruments)

Die Märkte für pyrotechnische Anwendungen wie Zünder und Initiatoren erfordern ein immer höheres Maß an Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Heutzutage ist der Brückenzünder (BW, bridge wire) die führende Technologie in einer Vielzahl von Branchen, darunter Automobilindustrie (Airbags und Gurtstraffer), Bergbau (Gesteinszertrümmerung), Abbrucharbeiten (Tunnelbau und Gebäude) sowie Spezialeffekte (Feuerwerk und Filme). Die BW-Technologie bietet zwar ein günstiges Preis-Leistungs-Verhältnis, erfordert jedoch spezielle Zünder-/Initiatorkonstruktionen, bei denen der Header und der Draht immer aufeinander abgestimmt werden müssen.

Um Design- und Prozessalternativen zu bieten, hat Vishay SMD-Lösungen entwickelt, deren Leistungsfähigkeit nicht vom Header abhängt: die Zünder der Serien EPIC (electro-pyrotechnic initiator thin film chip) und MEPIC (massive electro-pyrotechnic initiator chip). Darüber hinaus ermöglichen diese SMD-Lösungen Herstellern einen effizienten Bestückungsprozess auf der Basis von Standardausrüstung nach dem neuesten Stand der Technik (Bestückung von der Gurtrolle, Reflow-Löten und Nachreinigung).

Anforderungen pyrotechnischer Anwendungen

Das allgemeine Konzept besteht darin, ein energetisches (pyrotechnisches) Material in engem Kontakt mit der Heizzone des EPIC/MEPIC, der so genannten aktiven Zone, aufzubringen. Bei elektrischer Anregung (durch Kondensatorentladung oder einen Gleichstromimpuls) wird die dem EPIC/MEPIC zugeführte Energie entweder unmittelbar oder über das wärmeleitende Substrat thermisch auf das pyrotechnische Grundmaterial übertragen.

Herstellung und Technologien von EPIC- und MEPIC-Bauteilen

Die SMD-Bauteile EPIC und MEPIC werden nach zwei verschiedenen Technologien hergestellt:

  • EPIC – Gehäusegröße 0603: Werkstoffe: Aluminiumoxid-Substrat – Widerstandsschicht aus Tantalnitrid.
  • MEPIC – Gehäusegröße 0805: Werkstoffe: FR4-Substrat auf Epoxidbasis – NiCr-Widerstandsschicht auf Klebstoff.

Sowohl bei der EPIC- als auch der MEPIC-Technologie wird die aktive Fläche entsprechend den Kundenanforderungen und Vishays Knowhow ausgelegt, um ein angemessenes „Volumen“ der aktiven Fläche zu gewährleisten.

Gelötet im Standard-Reflow-Verfahren

Da es sich bei EPIC und MEPIC um SMD-Bauteile handelt, werden sie häufig im Standard-Reflow-Verfahren auf ebene Leiterplatten gelötet. Neben der Herstellung eines einwandfreien elektrischen Kontakts ist bei der Montage sehr sorgfältig darauf zu achten, dass die aktiven Bereiche der EPIC- und MEPIC-Widerstände frei von Flussmittelrückständen der Lötpaste bleiben, um einen engen Kontakt mit dem pyrotechnischen Material zu gewährleisten. In Kombination mit Standard-Flächenmustern verfügen die EPIC- und MEPIC-Serien über spezifische Konstruktionsmerkmale und eine Architektur, die das Vorhandensein von Flussmitteln im aktiven Bereich stark minimiert und den Wärmeübertragungsprozess optimiert. Dennoch ist eine gründliche Nachreinigung erforderlich, damit keine Verschmutzungen entstehen, die sich auf der aktiven Fläche wieder ablagern könnten.

Da der Widerstandswert einzig von den Maßen der aktiven Fläche abhängt, die sich aus der Gehäusegröße (0603 für EPIC und 0805 für MEPIC) ergibt, ist keine Anpassung der Leiterplatte erforderlich, sodass – unabhängig von der beabsichtigten Zündleistung des EPIC oder MEPIC – das Standard-Anschlusslayout verwendet wird.

Aufbringen des primären pyrotechnischen Materials

Die pyrotechnischen Materialien wählt der Kunde aus. In diesem Beitrag geht es ausschließlich um das primäre pyrotechnische Material (Primer), das in direktem Kontakt mit der aktiven Fläche des EPIC/MEPIC-Widerstands steht und die Explosion auslöst. Die von EPIC/MEPIC-Bauteilen erzeugte Wärme führt bei elektrischer Anregung zu einem ausreichenden Temperaturanstieg, um den Primer-Zündsatz zur Explosion zu bringen. Die von der ersten Explosionsstufe erzeugte Hitze löst eine zweite Explosionsstufe aus, die dann die gewünschte Wirkung entfaltet (beispielsweise Gasentwicklung bei Airbags).

Der kundenspezifische Prozess zum Aufbringen des pyrotechnischen Grundierungsmaterials kann entweder im „Nassverfahren“ erfolgen, indem ein Lack (durch Auftragen oder Eintauchen) aufgebracht, oder im „Trockenverfahren“, indem ein Pulver auf die aktive Fläche gepresst wird.

Das wichtigste Merkmal eines pyrotechnischen Zündmaterials ist seine Selbstentzündungstemperatur. Die Tabelle listet die wichtigsten Primer-Materialien und deren Zündtemperaturen auf.

Tabelle: die wichtigsten Primer-Materialien und deren Zündtemperaturen im Überblick.
Tabelle: die wichtigsten Primer-Materialien und deren Zündtemperaturen im Überblick.
(Bild: Texas Instruments)

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Ungeachtet der chemischen Zusammensetzung des Primers ist es wichtig, die Größe der Partikel zu berücksichtigen, um einen engen Kontakt mit der aktiven Fläche sicherzustellen. Für sehr empfindliche Anwendungen mit kleinen aktiven Flächen wird dringend empfohlen, Partikelgrößen im Nanometer- statt im Mikrometerbereich in Betracht zu ziehen. Um die Reproduzierbarkeit des Ansprechverhaltens zu gewährleisten, muss die Grundierung so zubereitet werden, dass eine sehr homogene Mischung ohne Luftblasen entsteht.

Vorteile von EPIC und MEPIC gegenüber BW

Im Vergleich zu BW bieten EPIC- und MEPIC-Widerstände mehrere Vorteile, vor allem dank der Anwendung von Standard-SMD-Prozessen sowohl für das Design als auch für die Herstellung von Zündern und Initiatoren.

Die Leiterplatte, der so genannte Header, hat ein übliches SMD-Format (0603 oder 0805), die Bauteile werden gegurtet geliefert, mithilfe von Pick-and-Place-Automaten bestückt und in einem Standard-Reflow-Lötprozess verlötet. Dank dieser Standardprozesse ist ein hoher Produktionsdurchsatz möglich. Darüber hinaus ermöglicht es die SMD-Technologie, auf teure polierte Header zu verzichten, wie sie bei der BW-Technologie unverzichtbar sind.

Um kundenspezifischen Anforderungen gerecht zu werden, kann Vishay die aktive Fläche des EPIC oder MEPIC anpassen, ohne dass sich dadurch die Gehäusegröße und damit die benötigte Leiterplattenfläche oder Sockelgröße verändert; dadurch können Entwickler auf eine einheitliche Basis für verschiedene Anwendungen zurückgreifen. Aus Design- und Entwicklersicht ist es auch wichtig zu bedenken, dass trotz der Schnittstelle mit dem pyrotechnischen Material der Einsatz von EPIC- und MEPIC-Bauteilen etwaige Zuverlässigkeitsprobleme durch elektrisches Löten während der Montage vermeidet und außerdem ein Miniaturisierungsniveau ermöglicht, bei dem nur noch Reflow-Löten möglich ist.

Schließlich gewährleistet der streng überwachte Herstellungsprozess der EPIC- und MEPIC-Widerstände zusammen mit der sorgfältigen automatisierten Sichtkontrolle (AOI) eine hohe Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit, was nach wie vor ein Schlüsselfaktor für die Sicherheit in anspruchsvollen Anwendungen ist.

* Amine Dhia ist Senior Manager Product Marketing Thin Film & Igniters bei der Vishay Sfernice Division in Frankreich.

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