衛星導電銅箔接地性能退化機理研究

2014-12-21 08:43:40王再成劉智斌鄭會明楊春生

航天器環境工程 2014年4期

路毅，王再成，張彬，劉智斌，鄭會明，楊春生

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

總體裝配是衛星研制的主要階段之一。根據俄羅斯航天部門的統計，總裝工作占衛星總加工量的35%，總裝質量將直接影響衛星整體性能[1]。在組成衛星的各系統中，儀器設備的電磁兼容性優劣是關系衛星能否實現高質量、長壽命的重要因素。在衛星上建立整星接地網是確保衛星電磁兼容性的重要舉措，其中的關鍵是如何確保衛星接地網接地性能可靠。

衛星總裝階段建立的接地網主要涵蓋接地線、搭接線、導電銅箔、艙板接地樁、艙構板鋁蒙皮等。接地電阻是衡量衛星電磁兼容性的重要指標[2]。根據衛星電磁兼容性設計要求，在總裝各個階段應分別進行結構、儀器、設備接地電阻的測量。由于實際操作受到操作手法、測量方式等諸多因素影響，在建立接地網的過程中，經常發現接地阻值不能滿足設計要求，其中一個重要的原因就是導電銅箔搭接的接觸電阻過大。

本文對導電銅箔接地性能退化機理進行分析，并通過工藝優化改善接觸電阻。

1 工況分析

衛星總裝過程中，通過導電銅箔搭接的方式建立整星接地網，其他儀器設備按照接地要求與之相連，以保證它們具有相同的電位。搭接過程中如接觸電阻超標，會使整星接地網鋪設不合格，影響衛星的電性能。目前通過測量接觸電阻可以定性地判斷導電銅箔搭接的牢固性和可靠性，檢查EMC 屏蔽的效果。導電銅箔搭接方式如圖1所示。

目前使用的導電銅箔是一種由單面背敷導電聚丙烯膠的銅帶制成的膠帶，這種導電膠是帶有均勻分布導電粒子的壓敏膠。導電銅箔的性能指標見表1。

圖1 導電銅箔搭接示意圖Fig.1 Diagram of connection for conductive copper foil

表1 導電銅箔技術指標Table 1 Technical specifications of the conductive copper foil

目前還沒有專門適用于導電銅箔搭接條件下測量接觸電阻的物理模型。總裝過程中，可以通過實地測量來摸索導電銅箔搭接的接觸電阻的大致數值，從而采取必要的工藝措施保證導電銅箔搭接的接觸電阻滿足設計要求。

2 導電銅箔接觸電阻退化機理

由圖1可知，致使導電銅箔接觸電阻退化的因素主要有兩種，一種是銅箔電阻退化，另一種是導電膠電阻退化。因此，需要分別對兩種退化方式的機理進行研究，以找出使導電銅箔接觸電阻退化的主要因素。

2.1 銅箔電阻退化機理

銅箔的表面電阻會在溫度、濕度、電應力綜合作用下產生變化，從而引起絕緣失效。銅在干燥的空氣中很穩定，但在潮濕的空氣中，其表面會生成一層綠色的堿式碳酸銅（銅綠）。在高溫下，銅可以跟氧氣反應生成黑色的氧化銅[3]。

銅在空氣中還受SO2、NO2、O3的腐蝕作用，不過它們最終留下的產物是氧化銅。銅表面在大氣環境中生成的氧化膜厚度較大且強度高，難以被破壞，接觸性能較差。膜層電阻是由接觸件間的界面膜而產生的，其特性完全取決于界面膜的生成、性質和狀態。影響膜層生長的因素有溫度、濕度、金屬種類、環境中的銹蝕媒介和擴散率等。

銅的接觸電阻R1為

式中：Rc為銅自身電阻；Rf為膜層電阻；p為基底金屬電阻率；d為圓形接觸斑點直徑；σf為膜層電阻率；r為圓形導電斑點半徑。

在沒有氧化膜時，可以認為r為無限大，即沒有接觸電阻；當有氧化膜時，r會越來越小，說明接觸電阻變大；到氧化膜增加到一定厚度時，接觸電阻為無窮大，相當于絕緣。

2.2 導電膠電阻退化機理

導電膠的電阻主要由體電阻和接觸電阻組成。體電阻是由所添加金屬顆粒的電阻率決定的，而電阻率基本不發生變化。由于導電膠的體電阻比接觸電阻小得多[4]，所以其電阻的變化主要是由接觸電阻引起的[4]。測試總電阻變化就能反映接觸電阻的變化。導電膠電阻的計算公式為

式中：ρ為導電膠電阻率；w為導電膠的寬度；h為導電膠厚度；L為導電膠長度。對同一個樣件來說，w、h、L是不變的，因此電阻率的變化反映電阻的變化。圖2為導電膠電阻隨溫度變化曲線。由圖2可知，導電膠在80～140 ℃時電阻比較小，即導電性能好，而在70 ℃時電阻比較大。

圖2 導電膠電阻隨溫度變化曲線Fig.2 Resistance of the conductive adhesive against temperature

圖3為導電膠電阻隨時間變化曲線。由圖3可見，導電膠的電阻在開始階段波動較大，經過一段時間后呈緩慢減小趨勢。導電膠厚度對其電阻也有一定的影響：在溫度較高時，不同厚度的導電膠層電阻相差很大；而在溫度較低時，不同厚度的導電膠層電阻相差不大。

圖3 導電膠電阻隨時間變化曲線Fig.3 Resistance of the conductive adhesive against time

3 加速試驗驗證

為了摸清使導電銅箔退化的主要因素，通過開展加速應力試驗，模擬衛星總裝環境條件下溫濕度應力對導電銅箔接觸電阻產生的影響。

3.1 加速模型

1）溫度加速模型[5]

式中：Af(T)為溫度加速系數；Eaa為活化能（1 eV = 1.60217646 ×10-19J）；k為Boltzmann 常量；Tu為正常使用的溫度；Ta為加速條件下的溫度。

2）濕度加速模型

式中：Af(RH)為濕度加速系數；x是經驗數據；RHu為在正常情況下使用的相對濕度；RHa為加速條件下使用的相對濕度。

3）試驗加速模型

即

3.2 試驗數據

根據試驗加速模型制作試驗樣板，分別在不同的溫度、濕度條件下進行加速試驗，試驗數據匯總處理后，可以分別得到溫度應力、濕度應力作用下導電銅箔接觸電阻的變化曲線，如圖4～圖7所示。

圖4 溫度75 oC、濕度65RH%條件下的試驗數據Fig.4 Test data (temperature 75 oC, humidity 65RH%)

圖5 溫度95 oC、濕度65RH%條件下的試驗數據Fig.5 Test data (temperature 95 oC, Humidity 65RH%)

圖6 溫度95 oC、濕度65RH%條件下的試驗數據Fig.6 Test data (temperature 95 oC, Humidity 65RH%)

圖7 溫度95 oC、濕度85RH%條件下的試驗數據Fig.7 Test data (temperature 95 oC, Humidity 85RH%)

3.3 討論與分析

從加速試驗數據可以看出，在溫度應力影響下，75 ℃時接觸電阻隨時間推移而增加，在95 ℃時接觸電阻隨時間推移減小。在濕度應力影響下，接觸電阻隨著時間推移緩慢減小。導電銅箔在溫度應力影響下的接觸電阻變化趨勢與導電膠電阻隨固化溫度和固化時間的變化類似。因此，可以認為導電銅箔接地性能退化過程中，導電膠性能退化起主導作用，而銅箔電阻退化的影響并不明顯。