柔性印制膜在太陽電池陣的應用及熱適應性試驗研究

張 帆，韓文佳，陳海鋒，賀 虎，王訓春

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

0 引言

隨著我國航天事業(yè)的多元化發(fā)展，對低成本微小衛(wèi)星的需求不斷增多[1]。太陽電池陣作為衛(wèi)星完成空間任務不可或缺的主要能源供應系統(tǒng)，逐漸向小質(zhì)量、高柔性和高可靠性方向發(fā)展[2]；而常規(guī)太陽電池陣主要采用鋁蜂窩夾層結構的剛性基板[3-4]來支撐太陽電池電路[5]，其厚度一般達到23mm 左右，并不適用于微小衛(wèi)星[6]，因此有必要針對微小衛(wèi)星的應用需求研究新型空間太陽電池陣。

利用印制電路板（printed circuit board, PCB）或者柔性印制電路（flexible printed circuit, FPC）可將太陽電池電路與基板集成為一體，能大大降低太陽電池陣的體積，在微小衛(wèi)星上具有廣闊的應用前景。國外文獻[7-8]中主要報道了PCB 在立方星、微小衛(wèi)星太陽電池陣上的應用，而對FPC 的相關應用報道較少。本文以某柔性印制太陽電池陣設計為例，結合熱循環(huán)試驗考核[9]，分析其設計缺陷，并提出改進建議，以期為柔性印制太陽電池陣的可靠應用提供解決方案。

1 柔性印制太陽電池陣設計制作及仿真分析

1.1 柔性印制太陽電池陣設計

航天產(chǎn)品PCB 的基板主要材料為FR4 環(huán)氧玻璃板，其厚度一般為1～4 mm[10]。國內(nèi)九天衛(wèi)星公司、南京理工大學以及西北工業(yè)大學等高校已經(jīng)有多顆衛(wèi)星在軌成功應用了PCB 太陽電池陣[11]。相比于PCB，由正、背面2 層帶黏結樹脂的聚酰亞胺（PI）薄膜壓合覆銅層組成的FPC 膜厚度僅135 μm，在體積要求嚴格的星體上更具應用優(yōu)勢。FPC 膜的結構設計如圖1 所示。

圖1 FPC 膜的結構設計Fig. 1 Structuraldesign of FPC film

柔性印制太陽電池陣主要由太陽電池組件、FPC 膜和鋁基板等組成。為承受衛(wèi)星發(fā)射時嚴酷的力學環(huán)境，參考國內(nèi)立方星PCB 太陽電池陣的設計結構[11]，先用結構膠將FPC 膜背面與鋁基板粘貼固連，再將太陽電池組件粘貼于FPC 膜正面，然后將太陽電池組件與FPC 膜焊接；接著將FPC 膜彎折至鋁基板背面，并完成基板背面隔離二極管、引出導線與FPC 膜的焊接，再用螺釘將背面FPC 膜與鋁基板固連；最后完成引出導線與星體接插件的制作。柔性印制太陽電池陣的結構剖面如圖2 所示。

圖2 柔性印制太陽電池陣結構剖面Fig. 2 Sectional view of flexible printed solar array

1.2 試驗件制作

采用深圳興森快捷公司生產(chǎn)的FPC 膜按照1.1 節(jié)的設計制作試驗件。FPC 膜背面與鋁基板用結構膠進行粘貼，該粘貼工藝經(jīng)過鑒定級熱真空試驗（壓力：≤1.3×10-3Pa，溫度：-100～130 ℃，循環(huán)次數(shù)：9.5 次）考核滿足工程應用需求——熱真空試驗前后，F(xiàn)PC 膜均與鋁基板粘貼牢固，無鼓包、脫粘現(xiàn)象。

太陽電池組件由11 串3 并40.0 mm×60.5 mm的三結砷化鎵太陽電池（GaInP2/InGaAs/Ge）組成。參考某型號工程應用，為降低太陽電池串的二極管壓降，在每串太陽電池正端并聯(lián)焊接1 個隔離二極管及1 個肖特基二極管（二極管壓降可從0.5 V 下降至約0.2 V），其等效電路如圖3 所示。

圖3 太陽電池串等效電路Fig. 3 Diagram of equivalent circuit of solar cell string

在彎折至鋁基板背面的FPC 膜上焊接制作隔離二極管、肖特基二極管以及引出導線，并將FPC 膜通過4 個內(nèi)六角螺釘與鋁基板固定，試驗件實物見圖4。圖中：將3 串太陽電池組件分別命名為M1、M2、M3，這3 串太陽電池組件的設計及工藝狀態(tài)一致；①～⑦為鋁基板背面FPC 膜上錫焊焊盤與覆銅層連接位置編號，后續(xù)驗證試驗中將對這幾處連接狀態(tài)進行考查。

圖4 柔性印制太陽電池陣試驗件實物Fig. 4 Physical test piece of the flexible printed solar array

1.3 柔性印制太陽電池陣仿真分析

根據(jù)此柔性印制太陽電池陣的設計，查閱其主要材料的特性列于表1。

表1 柔性印制太陽電池陣主要材料特性Table 1 Characteristics of main materials of flexible printed solar array

為對柔性印制太陽電池陣上的FPC 膜進行熱應力仿真分析，按照FPC 膜粘貼于鋁基板上的實際狀態(tài)建立仿真模型（見圖5），仿真結果如圖6所示。

圖5 FPC 粘貼于鋁基板上的仿真模型Fig. 5 Simulation model of FPC pasted on Al substrate

從圖6 可以看出，鋁基板正面的FPC 膜最大熱應力為18.38 MPa，背面的FPC 膜最大熱應力達27.57 MPa，低于銅材質(zhì)的屈服極限（60 MPa），說明上述柔性印制太陽電池陣的設計在熱應力方面能夠滿足使用要求。

圖6 FPC 膜熱應力仿真結果Fig. 6 Simulation result of thermal stress in FPC film

2 熱循環(huán)試驗考核

太陽電池陣在軌運行期間，將在真空環(huán)境下經(jīng)歷長期的高溫、低溫循環(huán)過程，因此需要進行熱試驗對其進行考核，以暴露產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷。單機級熱試驗包括熱循環(huán)試驗和熱真空試驗[12]。熱循環(huán)試驗在常壓環(huán)境下進行，傳熱方式以對流傳熱為主，相對于熱真空試驗具有效率高、成本低等優(yōu)勢[13]。本文采用熱循環(huán)試驗對柔性印制太陽電池陣試驗件進行考核，參考某軌道高度為600 km 的太陽同步軌道衛(wèi)星的太陽電池陣在軌工作溫度環(huán)境制定試驗條件如下：

1）升溫速率：10～15 ℃/min（變溫速率不低于10 ℃/min 可以保證篩選度在0.90 以上[14]）；

2）溫度變化范圍：整個試驗箱內(nèi)溫度-70～95 ℃（高、低溫端均可外延5 ℃），測溫點位于試驗箱液氮進口處；

3）保溫時間：高、低溫各保溫5 min；

4）高、低溫沖擊次數(shù)：170 次（此溫度沖擊為加速試驗，每個循環(huán)時間約30 min）。

將試驗件放入高低溫循環(huán)試驗箱，整個試驗過程中采用恒流源對太陽電池串通電，通電電壓設定50 V、電流設定0.42 A（模擬太陽電池串在軌工作時輸出電流狀態(tài)）。試驗前的試驗件狀態(tài)如圖7所示。

圖7 試驗前試驗件狀態(tài)Fig. 7 Condition of the sample before test

從圖7 可以看出，在非光照條件下，太陽電池可視為PN 結二極管，采用恒流源對太陽電池串通電后，電池呈現(xiàn)出紅外發(fā)光二極管特性[15-16]，此時恒流源采集到的電池串電壓和電流如表2 所示，表中數(shù)據(jù)顯示3 串太陽電池組件電路均正常導通。

表2 試驗前恒流源采集到的太陽電池串電壓及電流Table 2 Voltage and current of solar cells collected by constant current source before the test

試驗件高低溫循環(huán)試驗一共進行了170 次循環(huán)，試驗溫度均在試驗條件要求范圍內(nèi)。當高低溫循環(huán)試驗進行到148 次時，太陽電池串M3 的采集電壓發(fā)生異常跳變（0～147 次循環(huán)的試驗電壓跳變范圍為27.4～35.4 V），采集電壓從35.4 V 變化至30.1 V 時突變?yōu)?9.3 V；當高低溫循環(huán)試驗繼續(xù)進行到165 次時，采集電壓穩(wěn)定在49.3 V 左右，詳見圖8 所示。太陽電池串M1、M2 采集電壓的跳變范圍為27.4～35.6 V，詳見圖9。

圖8 太陽電池串M3 的采集電壓Fig. 8 Diagram of M3 solar cell voltage acquired

圖9 太陽電池串M1 和M2 的采集電壓Fig. 9 Diagram of M1 and M2 solar cells voltage acquired

對比分析可以看出：正常狀態(tài)下，太陽電池串M1、M2 在高溫端采集到的電壓約為27.4 V，在低溫端采集到的電壓約為35.4 V；在個別幾個相同循環(huán)中，太陽電池串M1、M2 和M3 的采集電壓達到38.4 V 左右，但與溫度循環(huán)數(shù)據(jù)對照可知這幾次循環(huán)的低溫較其他循環(huán)更低，故其采集電壓的小幅跳變屬于正?，F(xiàn)象。然而，太陽電池串M3 在熱真空循環(huán)試驗進行到148 次時采集電壓發(fā)生異常跳變，電壓從35.4 V 變化至30.1 V 時，電壓無法隨溫度的繼續(xù)升高從30.1 V 正常變化至27.4 V，卻從30.1 V突變?yōu)?9.3 V。此時采集電壓為恒流源設定值，恒流源電流為0 A，說明太陽電池串M3 鏈路為斷開狀態(tài)。由采集電壓數(shù)據(jù)可以判斷，從148 次循環(huán)到165 次循環(huán)，太陽電池串M3 整個鏈路存在重復的通斷現(xiàn)象，低溫時鏈路保持導通狀態(tài)；165 次循環(huán)至170 次循環(huán)，太陽電池串M3 的采集電壓維持在49.3 V，說明其最終為斷開狀態(tài)。

試驗終止時恒流源采集到的太陽電池串電壓和電流如表3 所示，表中數(shù)據(jù)顯示M3 為斷開狀態(tài)，M1、M2 為正常導通狀態(tài)。

表3 試驗終止時恒流源采集到的太陽電池串電壓及電流Table 3 Voltage and current of solar cells collected by constant current source at the end of the test

將試驗箱門打開后可以看到，太陽電池串M1、M2 呈現(xiàn)紅外發(fā)光二極管特性，M3 無紅外發(fā)光現(xiàn)象，也證明了M3 鏈路已斷開（參見圖10）。

圖10 溫度循環(huán)試驗后試驗件狀態(tài)Fig. 10 Condition of the sample after temperature cycling test

將試驗件從試驗箱拿出后，對其表觀進行檢查發(fā)現(xiàn)：

1）正面所有太陽電池無碎片、玻璃蓋片無碎片，與試驗前狀態(tài)一致；

2）正面M1、M2、M3 太陽電池組件正負極連接片與FPC 膜焊盤焊接狀態(tài)良好，無脫開現(xiàn)象；

3）背面隔離二極管性能測試正常，隔離二極管管腳與FPC 膜焊盤焊接狀態(tài)良好，無脫開現(xiàn)象；

4）背面引出導線與FPC 膜焊盤焊接狀態(tài)良好，無脫開現(xiàn)象。

隨后采用X 光對隔離二極管錫焊焊盤與覆銅層連接部位進行了檢測，結果詳見圖11 所示，圖片編號與檢查部位編號（參圖4(b)）對應。從圖11 可以看出，在試驗件背面靠近FPC 膜彎折區(qū)域的③號錫焊焊盤與覆銅層連接部位出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，正是該斷裂裂口造成了M3 無法正常輸出電流；其余錫焊焊盤與覆銅層連接部位均保持完好。

圖11 錫焊焊盤與覆銅層連接部位X 射線檢測結果Fig. 11 X-ray detection of the joint between solder pad and copper clad layer

3 分析與探討

從熱循環(huán)試驗結果可以看出：錫焊焊盤上存在隔離二極管管腳和焊料，屬于硬態(tài)，而覆銅層屬于軟態(tài)，因此錫焊焊盤與覆銅層連接部位為軟硬結合點，承受熱應力的能力較弱。在長期高低溫交變環(huán)境條件下，F(xiàn)PC 膜的形變剪切應力直接傳遞至錫焊焊盤與覆銅層連接處，較易造成IMC（inter-metallic compound）金屬化合物層（Cu6Sn5、Cu3Sn，皆為柱狀硬脆相）開裂。另外，彎折至基板背面的FPC 膜錫焊焊盤區(qū)域沒有黏結固定，F(xiàn)PC 膜在熱環(huán)境中扭曲擾動可能造成焊盤與覆銅層連接處的銳角區(qū)域應力集中，而該區(qū)域無弧度設計釋放應力，繼而出現(xiàn)焊盤與覆銅層連接處損傷。結果在多次熱循環(huán)過程中出現(xiàn)一種中間態(tài)：由于熱脹冷縮效應，低溫下焊盤與覆銅層連接導通，高溫下焊盤與覆銅層斷開；當循環(huán)次數(shù)積累至一定量時，最終焊盤與覆銅層連接處徹底斷裂、無法恢復導通。

綜上所述，針對柔性印制太陽電池陣的設計，還需從FPC 膜的彎折半徑、FPC 膜與鋁基板的粘貼方式、錫焊焊盤與覆銅層的連接處減應力設計等方面予以改進，建議采用以下幾項措施：

1）FPC 膜粘貼于基板上后，采用X 光檢查所有錫焊焊盤與覆銅層的狀態(tài)，提前篩選出存在缺陷的產(chǎn)品；

2）參考GJB 7548—2012《撓性印制板通用規(guī)范》[17]中相關規(guī)定，在FPC 膜彎折部位進行減應力加強設計，F(xiàn)PC 膜彎折半徑應至少大于FPC 膜本體厚度的12 倍；

3）FPC 膜彎折至基板背面后，采用與正面一樣的結構膠將其與基板粘貼牢固，以減少熱應力影響；

4）參考QJ 3103A—2011《印制電路板設計要求》[18]中相關規(guī)定，為保證錫焊焊盤不受FPC 膜彎折應力的影響，設計時應使錫焊焊盤遠離FPC 膜彎折處至少2 倍鋁基板厚度，且錫焊焊盤尺寸應比覆銅層的寬度更大；

5）FPC 膜上錫焊焊盤與覆銅層連接處的4 個角應有弧度設計或采用黏性填充物等進行加強防護，如圖12 所示。

圖12 錫焊焊盤與覆銅層連接處的弧度設計示意Fig. 12 Design of the joint between solder pad and copper clad layer

4 結束語

本文針對微小衛(wèi)星的任務需求，設計柔性印制太陽電池陣，設計過程中充分考慮太陽電池陣在軌運行過程中長期處于惡劣的高低溫交變環(huán)境中的熱應力影響。通過熱循環(huán)試驗考核發(fā)現(xiàn)，所設計柔性印制太陽電池陣的FPC 膜上錫焊焊盤與覆銅層連接部位受熱應力的影響較大，存在錫焊焊盤與覆銅層斷裂的風險，并提出針對性改進建議。后續(xù)還需進行深入研究，提高柔性印制太陽電池陣的環(huán)境適應能力。