空間薄膜SAR天線陣面金屬電路制備技術(shù)研究①

武海生，田桂芝，徐 挺，關(guān) 鑫，齊勝利，陳維強(qiáng)，劉 佳，黎 昱

(1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；2.北京化工大學(xué)，北京 100029)

0 引言

空間SAR(合成孔徑雷達(dá))是先進(jìn)軍事偵察衛(wèi)星、微波遙感衛(wèi)星的關(guān)鍵載荷，能夠?qū)崿F(xiàn)全天時(shí)、,全天候、高分辨對(duì)地、對(duì)空觀測(cè)，并可穿透地表獲取地表下信息，用途非常廣泛[1～3]?？臻gSAR的探測(cè)分辨率和探測(cè)面積與SAR天線陣面面積成正比[4]：為了滿足高分辨率、大范圍探測(cè)需求，新一代天基雷達(dá)衛(wèi)星需裝備大型高分辨率SAR天線，采用單體面積達(dá)到數(shù)百平米的多層柔性薄膜構(gòu)型，薄膜結(jié)構(gòu)表面具有金/銀/銅等金屬構(gòu)成的復(fù)雜電路陣列作為天線輻射單元、饋電單元等功能組件，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載/電/介電多功能一體，參見(jiàn)圖1。

圖1 薄膜SAR天線陣面典型構(gòu)型示意Fig.1 Typical configuration of Membrane SAR antenna

薄膜表面金屬電路的制備質(zhì)量，包括金屬層厚度、金屬電路尺寸精度、金屬電路位置精度，以及金屬層/薄膜結(jié)合力等，直接影響薄膜SAR天線的空間服役性能。本文針對(duì)薄膜SAR天線陣面金屬電路提出一種基于聚酰亞胺薄膜表面自金屬化原理的制備方法，并開(kāi)展了初步探索研究。

1 薄膜天線陣面

SAR天線薄膜陣面，一般由聚酰亞胺(PI)薄膜結(jié)構(gòu)及其表面金屬電路陣列構(gòu)成，充分發(fā)揮PI薄膜良好的耐空間環(huán)境、力學(xué)綜合性能優(yōu)勢(shì)。為了克服聚酰亞胺薄膜熱膨脹系數(shù)高、模量低、抗蠕變能力差等不足，工程上通常會(huì)采用同質(zhì)PI纖維復(fù)合增強(qiáng)PI薄膜達(dá)到綜合性能調(diào)控目的。金屬電路位于PI薄膜表面(單面或雙面)，一般采用Ag或Cu，考慮到地面存儲(chǔ)時(shí)的有氧環(huán)境，通常會(huì)在Ag或Cu表面再增加一層抗氧化Au層。

早在1996年，美國(guó)NASA、加拿大CSA、德國(guó)DLR等單位先后開(kāi)展了相關(guān)SAR薄膜天線陣面的研制工作，見(jiàn)圖2。NASA的JPL實(shí)驗(yàn)室先后開(kāi)展了L波段3.3m×1m、X波段φ1m、Ka波段φ3m，以及X波段10m×8m天線工程樣機(jī)的研制工作。CSA在2006年采用Kapton?薄膜制備了1.1m×1.1m天線樣機(jī)。DLR在2009年研制了P波段6m×1.4m天線樣機(jī)[5～8]。2019年底，美國(guó)發(fā)射成功的R3D2衛(wèi)星采用了“受電弓可展開(kāi)高增益反射陣列”天線(P-DaHGR)，采用Kapton?PI薄膜制備，見(jiàn)圖3。

圖2 國(guó)外早期SAR薄膜天線研制情況 (順時(shí)針?lè)较騈ASA、CSA、DLR)Fig.2 Development of Membrane SAR antenna abroad (clockwise NASA、CSA、DLR)

圖3 P-DaHGR薄膜天線地面展開(kāi)照片F(xiàn)ig.3 Photograph of ground-deployed P-DaHGR membrane antenna

國(guó)內(nèi)航天五院總體設(shè)計(jì)部、504所、中電科14所、航天八院805所等單位先后開(kāi)展了薄膜SAR天線的研制工作，取得了一定成果。2012年，14所研制了6m×2m的L/C雙波段薄膜陣列天線[9～11]；2017年，805所研制了5m×20m P波段SAR天線樣機(jī)[12]，見(jiàn)圖4。

圖4 國(guó)內(nèi)薄膜天線研制照片F(xiàn)ig.4 Photographs of domestic membrane antenna

通過(guò)文獻(xiàn)考察可知，國(guó)內(nèi)外各研究單位對(duì)空間SAR薄膜天線的研究熱點(diǎn)主要集中在：薄膜陣面的展開(kāi)/張緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(充氣式機(jī)構(gòu)、碳纖維復(fù)合材料儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)等)、薄膜陣面抗皺折分析以及張拉方式設(shè)計(jì)(懸鏈邊曲線設(shè)計(jì)、連接工藝等)、天線電性能評(píng)價(jià)等，對(duì)薄膜陣面本體及其金屬電路制備的關(guān)注較少。

2 天線陣面金屬電路制備方法

2.1 傳統(tǒng)制備方法

文獻(xiàn)報(bào)道的PI薄膜表面金屬電路制備目前主要有兩種方式：1)覆銅PI膜蝕刻法；2)表貼法。

覆銅PI膜蝕刻法，借鑒傳統(tǒng)PCB電路制備工藝，主要是在覆銅PI膜的銅箔面，通過(guò)“打印”方式加工電路掩模圖案，然后通過(guò)化學(xué)熔液蝕刻法，將掩模以外Cu層去除，剩下目標(biāo)電路，參見(jiàn)圖5。

圖5 覆銅PI膜蝕刻法制備表面金屬電路[12] (左，掩模制備；右，蝕刻后的金屬電路圖案)Fig.5 Preparation of surface metal circuit by copper- covered PI film etching process[12](Left，Mask preparation；Right，Etched metal circuits)

該方法屬于“減成法”，技術(shù)成熟、穩(wěn)定，但也具有一定的局限性：1)工序繁瑣，制備效率低，涉及化學(xué)溶銅，環(huán)境污染性大。2)技術(shù)成熟的覆銅箔(電解箔)最小厚度在8um～12um，導(dǎo)致覆銅PI膜面密度大，重量代價(jià)大。3)覆銅PI膜，無(wú)論是2L構(gòu)型還是3L構(gòu)型，銅箔與PI膜之間的界面結(jié)合強(qiáng)度均難以滿足空間高低溫環(huán)境要求；4)現(xiàn)有覆銅PI膜的幅寬一般在500mm～600mm之間，制約高精度SAR天線陣面的大面積擴(kuò)展。

表貼法，其原理是采用覆銅PI膜蝕刻法制備電路單元(patch)，然后將數(shù)百至數(shù)千不等的電路單元粘貼在大面積PI膜表面，形成天線電路陣列。該方法屬于二次成型法，可以有效減低大面積天線制備技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高電路圖案分布位置精度。但引入的二次膠接，不僅帶來(lái)了結(jié)構(gòu)重量的增加，膠粘劑自身也會(huì)對(duì)天線本體的介電特性、型面精度等造成不良影響。

2.2 聚酰亞胺膜表面自金屬化法

面向PI薄膜，利用其表層分子鏈-酰亞胺基團(tuán)在堿性條件下可以開(kāi)環(huán)形成聚酰胺酸鹽(PAA-M+)的特性，通過(guò)離子交換、化學(xué)還原等環(huán)節(jié)，在PI膜表面形成一層特定金屬原子層，原理見(jiàn)下圖[13～17]。

該方法較傳統(tǒng)PI薄膜表面金屬化法具有一定優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)在：

1)工藝可控性強(qiáng)，可擴(kuò)展性好

整個(gè)工藝路線實(shí)施均在常溫、常壓環(huán)境，較物理濺射、真空蒸鍍等物理方法，不會(huì)對(duì)PI薄膜及其復(fù)合材料造成溫升影響，不需要真空環(huán)境，對(duì)PI薄膜的外形尺寸無(wú)限制，適合于大面積空間SAR薄膜天線制備。

2)金屬層/PI膜結(jié)合性能優(yōu)異

PI膜表面自金屬化過(guò)程，通過(guò)分子鏈水解開(kāi)環(huán)、離子交換、化學(xué)還原環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)金屬原子與PI表面高分子鏈的物理嵌連，形成微觀納米級(jí)擴(kuò)散層，較常規(guī)覆銅PI膜的膠接、物理熔接，連接強(qiáng)度更高、更可靠。自金屬化工藝能夠用于超薄金屬層(金屬層厚度3um～5um)制備，降低對(duì)PI膜柔性基底的影響。

3)可實(shí)現(xiàn)金屬電路圖案“加成”制備，效率高

通過(guò)對(duì)PI薄膜表面選擇性自金屬化，可以實(shí)現(xiàn)不同金屬電路圖案的直接制備，省去傳統(tǒng)PCB制備工藝中掩模等的制作環(huán)節(jié)，制備效率及可靠性更高。

3 PI薄膜表面自金屬化試驗(yàn)

3.1 原材料

表1 原材料Table 1 Test materials

3.2 處理過(guò)程

處理工藝過(guò)程參見(jiàn)圖6。

圖6 PI膜表面自金屬化原理示意Fig.6 Principle of surficial self-metallization of polyimide films

1)對(duì)200HN-PI膜表面用去離子水超聲清洗，晾干備用；

2)在KOH溶液中加入適量增稠劑、潤(rùn)濕劑，攪拌均勻，備用；

3)對(duì)200HN-PI膜表面，用改裝的注射器將KOH溶液勻速壓出，同時(shí)按照電路圖案勻速移動(dòng)注射器，參見(jiàn)圖7(a)，靜置15～20min，確保涂覆KOH溶液部分的PI膜局部表面發(fā)生堿水解開(kāi)環(huán)，形成聚酰亞胺酸鉀；

4)將200HN-PI膜表面用去離子水沖洗干凈；

5)將200HN-PI膜浸入AgNO3溶液，室溫處理30min，使PI膜表面電路圖案部分發(fā)生K+向Ag+離子交換；

6)將200HN-PI膜浸入堿性甲醛溶液中，PI膜表面電路圖案部分Ag+被還原為Ag，PI薄膜表面酰亞胺環(huán)重新閉合，此時(shí)首層Ag原子鑲嵌在PI膜表面分子鏈內(nèi)部，其余部分Ag原子形成了宏觀金屬電路，見(jiàn)圖7(d)。

采用相同方法，制備了典型天線金屬電路圖案單元，見(jiàn)圖8。

圖8 制備的PI膜天線陣面Ag電路單元 (左，理論電路圖案，右，自金屬化電路圖案)Fig.8 Prepared Ag circuit unit on the PI film(Left，Design of circuit；Right，Physical circuit prepared)

3.3 結(jié)果與討論

3.3.1 “加成型”金屬化方法

基于聚酰亞胺自金屬化原理，通過(guò)配置KOH稠溶液，結(jié)合注射器書(shū)寫(xiě)方式，利用離子交換-化學(xué)還原機(jī)理，在PI薄膜表面制備了Ag電路圖案。

結(jié)果表明，該方法技術(shù)可行，Ag層/PI膜之間結(jié)合牢固，區(qū)別于傳統(tǒng)覆銅PI膜蝕刻法，是一種高效、可靠的、新型“加成法”制備PI薄膜基柔性電路方法。

3.3.2 金屬層厚度及其控制[18～21]

本文制備的PI膜表面金屬Ag層厚度較薄，且厚度均勻性有待提高，在5μm～30μm之間。采用常規(guī)四探針?lè)y(cè)得Ag層的電阻率在10-5Ω·cm級(jí)，根據(jù)趨膚效應(yīng)公式，通過(guò)控制Ag層厚度，能夠滿足不同頻段SAR天線電性能需求。

自金屬化層厚度及其均勻性主要受PI膜表面離子交換負(fù)載量及其實(shí)施工藝影響。在自金屬化層基礎(chǔ)上，可以采用化學(xué)鍍方式整體加厚金屬層，化學(xué)鍍較電鍍，可以實(shí)現(xiàn)SAR天線電路陣列離散分布、不導(dǎo)通情況下電路金屬層的整體、均勻加厚，且適用于非平面天線陣面。

3.3.3 金屬層/PI薄膜結(jié)合力

對(duì)制備的金屬Ag/PI薄膜實(shí)物，在-196℃/+100℃高低溫下循環(huán)處理40次，Ag/PI薄膜結(jié)合良好，目視未見(jiàn)金屬Ag層鼓泡、界面脫粘等不良現(xiàn)象。結(jié)果表明，自金屬化方法制備的Ag/PI薄膜結(jié)合力能夠滿足耐空間高低溫應(yīng)用要求。

進(jìn)一步對(duì)Ag/PI薄膜進(jìn)行手工折彎試驗(yàn)，結(jié)果表明，Ag層基本不影響PI薄膜的折彎能力，這主要是因?yàn)榻饘賹雍穸刃∏曳沁B續(xù)，對(duì)PI膜的宏觀彎折剛度影響較小，該特性有利于空間薄膜SAR天線高折疊效率。

3.3.4 金屬電路圖案精度保證[22～26]

本文工作在電路圖案精度方面有較大改進(jìn)空間：首先，KOH增稠溶液與PI膜的表面接觸特性需要進(jìn)一步改善，降低二者固-液張力角，可以進(jìn)一步提高金屬圖案的邊緣界線準(zhǔn)確程度。

其次，對(duì)于復(fù)雜、連續(xù)變寬度金屬電路的制備，本文采用的“注射書(shū)寫(xiě)”方式不適合，難以實(shí)現(xiàn)圖案并控制電路成形精度。后續(xù)面向大面積SAR薄膜天線陣面擬采用絲網(wǎng)印刷、輥印(或滾印)等方式，實(shí)現(xiàn)PI膜表面電路的高精度成形。

第三，本文采用了具有毒性的甲醛溶液作為還原劑，后續(xù)可以考慮采用次磷酸鈉溶液，后者具有化學(xué)穩(wěn)定、環(huán)保、反應(yīng)溫和可控等優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本文面向空間薄膜SAR天線陣面金屬電路制備需求，探索采用PI薄膜表面自金屬化原理，加成制備金屬電路圖案，可以得到以下結(jié)論：

(1)自金屬化技術(shù)路線能夠?qū)崿F(xiàn)PI薄膜表面Ag金屬電路的加成制備，金屬層電阻達(dá)到10-5Ω·cm；經(jīng)過(guò)高低溫循環(huán)試驗(yàn)，金屬層與PI膜結(jié)合力良好；

(2)基于“注射書(shū)寫(xiě)”方式的PI膜表面金屬電路圖案制備精度有待提升；

(3)PI膜表面自金屬化技術(shù)路線，有望實(shí)現(xiàn)在空間SAR薄膜天線陣面的工程化應(yīng)用。