大研智造 柔性印制膜太陽電池陣：激光焊錫技術(shù)與熱適應(yīng)性挑戰(zhàn)

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)星的需求持續(xù)增長。太陽電池陣作為衛(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，針對微小衛(wèi)星的應(yīng)用需求，研究新型空間太陽電池陣勢在必行。

利用印制電路板（printed circuit board, PCB）或者柔性印制電路（flexible printed circuit, FPC）可將太陽電池電路與基板集成為一體，能顯著降低太陽電池陣的體積，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)星太陽電池陣上的應(yīng)用較多，而對 FPC 的相關(guān)應(yīng)用報道較少。

1.柔性印制太陽電池陣設(shè)計制作及仿真分析

1.1 柔性印制太陽電池陣設(shè)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 1～4mm。國內(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。FPC 膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 1 所示。

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(yán)酷的力學(xué)環(huán)境，參考國內(nèi)立方星 PCB 太陽電池陣的設(shè)計結(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(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。柔性印制太陽電池陣的結(jié)構(gòu)剖面如圖 2 所示。

1.2 試驗件焊接

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 個內(nèi)六角螺釘將 FPC 膜與鋁基板固定，試驗件實物見圖 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。

本次柔性印制太陽電池陣的制作中，激光焊錫技術(shù)展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。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，激光焊錫的低熱影響區(qū)特性，極大地減少了對 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 FPC 膜上其他敏感元件的不良影響。此外，激光焊錫還可實現(xiàn)自動化焊接，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，在未來的柔性印制太陽電池陣制作中，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，加強對操作人員的培訓(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，如自動化生產(chǎn)線、機(jī)器人技術(shù)等，實現(xiàn)更加智能化的生產(chǎn)。

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(jìn)行熱試驗對其進(jìn)行考核，以暴露產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷。單機(jī)級熱試驗包括熱循環(huán)試驗和熱真空試驗。熱循環(huán)試驗在常壓環(huán)境下進(jìn)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。

從圖 3 可以看出，在非光照條件下，太陽電池可視為 PN 結(jié)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，此時恒流源采集到的電池串電壓和電流如表 2 所示，3 串太陽電池組件電路均正常導(dǎo)通。

試驗件高低溫循環(huán)試驗一共進(jìn)行了 170 次循環(huán)，試驗溫度均在試驗條件要求范圍內(nèi)。當(dāng)高低溫循環(huán)試驗進(jìn)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 27.4～35.4V），采集電壓從 35.4V 變化至 30.1V 時突變?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，承受熱應(yīng)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(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，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，針對柔性印制太陽電池陣的設(shè)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(yīng)力設(shè)計等方面予以改進(jìn)，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》中相關(guān)規(guī)定，在 FPC 膜彎折部位進(jìn)行減應(yīng)力加強設(shè)計，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)計時應(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 個角應(yīng)有弧度設(shè)計或采用黏性填充物等進(jìn)行加強防護(hù)。

4.結(jié)束語

本文針對微小衛(wèi)星的任務(wù)需求，設(shè)計柔性印制太陽電池陣，設(shè)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(yīng)力影響。通過熱循環(huán)試驗考核發(fā)現(xiàn)，所設(shè)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(yīng)力的影響較大，存在錫焊焊盤與覆銅層斷裂的風(fēng)險，并提出針對性改進(jìn)建議。后續(xù)還需進(jìn)行深入研究，提高柔性印制太陽電池陣的環(huán)境適應(yīng)能力。

本文由大研智造撰寫，專注于提供智能制造精密焊接領(lǐng)域的最新技術(shù)資訊和深度分析。大研智造是集研發(fā)生產(chǎn)銷售服務(wù)為一體的激光焊錫機(jī)技術(shù)廠家，擁有20年+的行業(yè)經(jīng)驗。想要了解更多關(guān)于激光焊錫機(jī)在智能制造精密焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用，或是有特定的技術(shù)需求，請通過大研智造官網(wǎng)與我們聯(lián)系。歡迎來我司參觀、試機(jī)、免費打樣。


審核編輯 黃宇