激光焊錫技術(shù)在柔性印制膜太陽(yáng)電池陣生產(chǎn)中的應(yīng)用

隨著我國(guó)航天事業(yè)的多元化發(fā)展，對(duì)低成本微小衛(wèi)星的需求持續(xù)增長(zhǎng)。太陽(yáng)電池陣作為衛(wèi)星完成空間任務(wù)不可或缺的主要能源供應(yīng)系統(tǒng)，正逐步向小質(zhì)量、高柔性和高可靠性方向邁進(jìn)。常規(guī)太陽(yáng)電池陣主要采用鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的剛性基板來支撐太陽(yáng)電池電路，其厚度一般達(dá)到 23mm 左右，并不適用于微小衛(wèi)星。因此，針對(duì)微小衛(wèi)星的應(yīng)用需求，研究新型空間太陽(yáng)電池陣勢(shì)在必行。

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(yáng)電池電路與基板集成為一體，能顯著降低太陽(yáng)電池陣的體積，在微小衛(wèi)星上具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，PCB 在立方星、微小衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣上的應(yīng)用較多，而對(duì) FPC 的相關(guān)應(yīng)用報(bào)道較少。

1.柔性印制太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)制作及仿真分析

1.1 柔性印制太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)

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 1～4mm。國(guó)內(nèi)九天衛(wèi)星公司、南京理工大學(xué)以及西北工業(yè)大學(xué)等高校已經(jīng)有多顆衛(wèi)星在軌成功應(yīng)用了 PCB 太陽(yáng)電池陣。相比于 PCB，由正、背面 2 層帶黏結(jié)樹脂的聚酰亞胺(PI)薄膜壓合覆銅層組成的 FPC 膜厚度僅 135μm，在體積要求嚴(yán)格的星體上更具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

柔性印制太陽(yáng)電池陣主要由太陽(yáng)電池組件、FPC 膜和鋁基板等組成。為承受衛(wèi)星發(fā)射時(shí)嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境，參考國(guó)內(nèi)立方星 PCB 太陽(yáng)電池陣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，先用結(jié)構(gòu)膠將 FPC 膜背面與鋁基板粘貼固連，再將太陽(yáng)電池組件粘貼于 FPC 膜正面，然后將太陽(yáng)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(dǎo)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(dǎo)線與星體接插件的制作。柔性印制太陽(yáng)電池陣的結(jié)構(gòu)剖面如圖? 所示。

1.2 試驗(yàn)件焊接

在彎折至鋁基板背面的 FPC 膜上進(jìn)行隔離二極管、肖特基二極管以及引出導(dǎo)線的焊接制作，并通過 4 個(gè)內(nèi)六角螺釘將 FPC 膜與鋁基板固定，試驗(yàn)件實(shí)物見圖 3.圖中：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(hào)。

本次柔性印制太陽(yáng)電池陣的制作中，激光焊錫技術(shù)展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。其具有高精度的焊接能力，能夠精準(zhǔn)定位焊接位置，確保焊接的準(zhǔn)確性。同時(shí)，激光焊錫的低熱影響區(qū)特性，極大地減少了對(duì) FPC 膜及周邊元件的熱損傷。與傳統(tǒng)焊接方式相比，激光焊錫能夠更高效地將焊料加熱至熔化狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)快速焊接，且焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。在焊接過程中，激光束的精準(zhǔn)控制可有效避免對(duì) FPC 膜上其他敏感元件的不良影響。此外，激光焊錫還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，提高生產(chǎn)效率，降低人工操作帶來的誤差。

為充分發(fā)揮激光焊錫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在未來的柔性印制太陽(yáng)電池陣制作中，可進(jìn)一步優(yōu)化激光焊錫的工藝參數(shù)，提升焊接質(zhì)量和效率。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)操作人員的培訓(xùn)，提高其技術(shù)水平。此外，還可探索與其他先進(jìn)制造技術(shù)的結(jié)合，如自動(dòng)化生產(chǎn)線、機(jī)器人技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)更加智能化的生產(chǎn)。

　2.熱循環(huán)試驗(yàn)考核

太陽(yáng)電池陣在軌運(yùn)行期間，將在真空環(huán)境下經(jīng)歷長(zhǎng)期的高溫、低溫循環(huán)過程，因此需要進(jìn)行熱試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行考核，以暴露產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷。單機(jī)級(jí)熱試驗(yàn)包括熱循環(huán)試驗(yàn)和熱真空試驗(yàn)。熱循環(huán)試驗(yàn)在常壓環(huán)境下進(jìn)行，傳熱方式以對(duì)流傳熱為主，相對(duì)于熱真空試驗(yàn)具有效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)。

從圖 3 可以看出，在非光照條件下，太陽(yáng)電池可視為 PN 結(jié)二極管，采用恒流源對(duì)太陽(yáng)電池串通電后，電池呈現(xiàn)出紅外發(fā)光二極管特性，此時(shí)恒流源采集到的電池串電壓和電流如表 2 所示，3 串太陽(yáng)電池組件電路均正常導(dǎo)通。

試驗(yàn)件高低溫循環(huán)試驗(yàn)一共進(jìn)行了 170 次循環(huán)，試驗(yàn)溫度均在試驗(yàn)條件要求范圍內(nèi)。當(dāng)高低溫循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行到 148 次時(shí)，太陽(yáng)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(yàn)電壓跳變范圍為 27.4～35.4V)，采集電壓從 35.4V 變化至 30.1V 時(shí)突變?yōu)?49.3V，說明其最終為斷開狀態(tài)。

3.分析與探討

由于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(jié)合點(diǎn)，承受熱應(yīng)力的能力較弱。在長(zhǎng)期高低溫交變環(huán)境條件下，F(xiàn)PC 膜的形變剪切應(yīng)力直接傳遞至錫焊焊盤與覆銅層連接處，較易造成 IMC 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(jié)固定，F(xiàn)PC 膜在熱環(huán)境中扭曲擾動(dòng)可能造成焊盤與覆銅層連接處的銳角區(qū)域應(yīng)力集中，而該區(qū)域無弧度設(shè)計(jì)釋放應(yīng)力，繼而出現(xiàn)焊盤與覆銅層連接處損傷。結(jié)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(yīng)，低溫下焊盤與覆銅層連接導(dǎo)通，高溫下焊盤與覆銅層斷開;當(dāng)循環(huán)次數(shù)積累至一定量時(shí)，最終焊盤與覆銅層連接處徹底斷裂、無法恢復(fù)導(dǎo)通。

綜上所述，針對(duì)柔性印制太陽(yáng)電池陣的設(shè)計(jì)，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(yīng)力設(shè)計(jì)等方面予以改進(jìn)，建議采用以下幾項(xiàng)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》中相關(guān)規(guī)定，在 FPC 膜彎折部位進(jìn)行減應(yīng)力加強(qiáng)設(shè)計(jì)，F(xiàn)PC 膜彎折半徑應(yīng)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(jié)構(gòu)膠將其與基板粘貼牢固，以減少熱應(yīng)力影響;

4)參考 QJ 3103A—2011《印制電路板設(shè)計(jì)要求》中相關(guān)規(guī)定，為保證錫焊焊盤不受 FPC 膜彎折應(yīng)力的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使錫焊焊盤遠(yuǎn)離 FPC 膜彎折處至少 2 倍鋁基板厚度，且錫焊焊盤尺寸應(yīng)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(gè)角應(yīng)有弧度設(shè)計(jì)或采用黏性填充物等進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)微小衛(wèi)星的任務(wù)需求，設(shè)計(jì)柔性印制太陽(yáng)電池陣，設(shè)計(jì)過程中充分考慮太陽(yáng)電池陣在軌運(yùn)行過程中長(zhǎng)期處于惡劣的高低溫交變環(huán)境中的熱應(yīng)力影響。通過熱循環(huán)試驗(yàn)考核發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)柔性印制太陽(yáng)電池陣的 FPC 膜上錫焊焊盤與覆銅層連接部位受熱應(yīng)力的影響較大，存在錫焊焊盤與覆銅層斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，并提出針對(duì)性改進(jìn)建議。后續(xù)還需進(jìn)行深入研究，提高柔性印制太陽(yáng)電池陣的環(huán)境適應(yīng)能力。