模擬空間服役環境下低溫共燒陶瓷材料特性評價

徐美娟 王平 李巖 何端鵬 李姍澤 楊士成 劉旭 陳康

（1 中國空間技術研究院西安分院，西安 710100）

（2 中國空間技術研究院，北京 100094）

（3 西安海眾電子科技有限公司，西安 710061）

0 引言

低溫共燒陶瓷（LTCC）技術是近年來航天領域的“新寵”，憑借其多層結構以及在微波性能、機械強度、熱學特性等方面的獨特優勢，在航天產品小型化中發揮了越來越重要的作用。LTCC瓷體是LTCC基板制造最重要的功能材料，直接決定了LTCC基板的電性能及應用可靠性。國內航天器產品LTCC基板目前主要依賴進口材料，以Dupont（杜邦）或Ferro（福祿）公司的陶瓷材料應用最為廣泛，這些材料在20世紀初已在國外完成了空間應用驗證［1-3］，如圖1所示。中國從20世紀初開始，采用已經過空間飛行驗證的進口材料，進行有效載荷產品小型化的探索，并已取得了一定的成效［4］。

圖1 2012年德國TET-1小衛星Fig.1 TET-1 small satellite of Germany in 2012

2018年，中國電子科技集團LTCC 基板制造工藝方面建立了標準體系，但在LTCC 組裝、檢測、材料評價方面，目前國內外尚無統一標準。如何評價LTCC材料的特性能否滿足宇航應用可靠性要求，國內外還皆是空白［5］。因此，如何從航天產品空間可靠性的要求出發，獲取LTCC 材料在空間服役環境下的材料特性，以確保其在空間應用時穩妥可靠，對中國空間電子技術未來的發展至關重要。

本文針對航天器用LTCC材料空間應用可靠性考核無據可依的問題，從LTCC材料及其產品的應用過程及宇航應用可靠性要求的角度出發，提出一套航天器用LTCC材料模擬空間服役環境下的材料特性評價方法，并采用該方法，對一種國產LTCC材料進行評價，擬為國產LTCC材料的宇航應用奠定基礎。

1 航天器產品空間應用可靠性要求

1.1 總體要求

微波模塊是LTCC 材料在宇航應用中的一類典型產品，其加工工藝過程為：通過制造加工工藝將LTCC 材料及金屬材料加工成LTCC 基板后，進行焊接、粘接、鍵合等操作，組裝成微波模塊，其典型結構如圖2所示，模塊的主要功能是為航天器的微波信號傳輸與處理提供穩定的路徑。

圖2 基于LTCC技術的微波模塊典型結構Fig.2 Typical structure of microwave module based on LTCC technology

航天器產品的主要工作環境是地面上幾千米高度的宇宙區域，主要空間環境的要素有：熱循環、高真空、電離層等離子體、地球基本磁場、高能粒子輻射和空間碎片、流星體等［6］。這就要求宇航用LTCC材料不僅需要具備良好尺寸穩定性和厚度均勻性，該材料制作的LTCC 基板還應具有良好的電性能批次一致性以保證模塊性能的穩定，并兼具較好的機械性能以防止在裝配、振動、高低溫等狀態及外力作用下基板出現破碎或者斷裂。

因此，LTCC 材料在投入宇航應用之前，應對其在空間環境下的材料特性參數進行評價，以確保材料的適用性和可用性。從空間應用可靠性的要求出發，制定地面模擬空間服役環境試驗方案，以確認在空間環境條件下，該材料制作的LTCC 基板性能能否滿足在軌工作的性能及壽命需求。

考慮到航天器工作的環境，對LTCC基板特性影響比較大的因素是溫度變化及輻照。在工作環境溫度變化下，基板與殼體之間存在熱失配，極限情況下可能導致基板開裂，如圖3所示。同時，微波模塊電路有一定的功耗，在服役溫度下，基板的熱導率需滿足模塊的散熱需求。除此之外，電性能的穩定性同樣重要，空間交變溫度及輻照對電性能的影響同樣需要考核。

圖3 基板開裂Fig.3 Cracking of baseboard

通過考核空間應用條件下材料特性的變化，一方面可以甄別國產化LTCC材料能否滿足宇航應用需求，另一方面其詳細測試結果也可以成為星載LTCC產品選材的依據，為LTCC材料的宇航應用提供指導。

1.2 模擬空間服役環境試驗項目及方法

根據相關要求，LTCC材料模擬空間服役環境下材料特性評價的主要項目應包括大溫域熱性能試驗、大溫域力學性能試驗、溫度循環試驗以及模擬空間環境輻照試驗。其中，LTCC模塊工作在整機內，在空間的工作溫度不低于-55 ℃，不高于125 ℃。因此，為確保基板工作的安全性，且留有裕量，按GJB 548B—2004［10］方法1010.1中的條件F開展溫度循環試驗，將大溫域試驗的溫度范圍定為-65～+175 ℃，將輻照總劑量定為1×106rad（Si）、1×107rad（Si），詳細要求如表1所示。

表1 試驗要求Tab.1 Test requirements

1.3 測試樣件要求

在前述標準中，對樣件的形狀、尺寸均有一定的要求，而LTCC 基板的加工能力有限，如矩形基板厚度應介于0.5～4 mm、異形基板厚度應介于0.5～3 mm 等。將標準要求與LTCC 基板工藝加工要求能力結合起來，確定了各測試項目的測試樣件形狀尺寸要求，如表2所示。

表2 樣件要求Tab.2 Requirement of test specimen for service reliability

按照樣件的要求，設計了圖4 所示的LTCC 樣件制備流程。因所涉及檢測樣件均無需制備電路圖形，因此將樣件制備的流程進行了最大程度的簡化，即準確測定生瓷材料收縮率后，直接按收縮比例確定熱切尺寸，通過下料及前處理、疊層、壓合、壓合體開腔、熱切及共燒工序，快速完成測試樣件的制作。按該方案制作的測試樣件，其表面粗糙度＜0.8 μm，樣件平面度＜30 μm，樣件各方向尺寸精度優于±0.1 mm，可以滿足各項試驗的要求。

圖4 樣件制備流程Fig.4 Process flow of test specimen

制備的測試樣件如圖5所示。

圖5 測試樣件Fig.5 Test specimen

2 測試結果分析

2.1 大溫域熱性能及機械性能

對大溫域熱導率、彎曲強度以及熱膨脹系數進行測試，并根據測試結果繪制性能參數隨溫度變化的曲線。

2.1.1 大溫域熱導率

熱導率、熱擴散率、比熱容和密度的基本關系如下：

式中，λ為熱導率，a為熱擴散率，cp為比熱容，ρ為密度。

圖6 所示是比熱容隨溫度變化的情況?？梢钥闯?，在-65～+175 ℃，比熱容不是一成不變的，而是會隨著溫度的升高而顯著增大。在-65 ℃，比熱容為0.54 J/（g·K）；溫度升高到175 ℃時，比熱容上升到了0.92 J/（g·K）。

圖6 比熱容隨溫度變化情況Fig.6 The specific heat capacity varies with temperature

圖7 所示是熱擴散率隨溫度變化的情況?？梢钥闯?，該材料的LTCC 基板熱擴散率隨溫度的升高而顯著降低。-65 ℃時，熱擴散率為2.12 mm2/s；175 ℃時，熱擴散率降低到了1.21 mm2/s。

圖7 熱擴散率隨溫度變化情況Fig.7 The variation condition of thermal diffusivity with temperature

按公式（1）對熱導率進行計算，并繪制曲線圖，結果如圖8 所示?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，該材料LTCC基板的熱導率呈下降趨勢，-65 ℃時，熱導率為4.77 W/（m·K）；當溫度上升到175 ℃時，基板的熱導率則下降為了2.89 W/（m·K）。

圖8 熱導率隨溫度變化情況Fig.8 The variation condition of the heat conductivity with temperature

這是因為燒結后的LTCC 基板并不是致密的。不同材料的組分、致密度、孔隙率均有差異，因此不同材料熱導率隨溫度呈現不同的變化規律。僅就該材料而言，在考核的溫度范圍內，其熱導率大于行業要求的最低標準［2 W/（m·K）］，可以滿足基本的應用需求。對于散熱要求較高的產品，設計師可根據應用溫度要求及該溫度下熱導率的實測結果，進行必要的結構優化，以加強散熱。

2.1.2 彎曲強度

彎曲強度隨溫度的變化趨勢如圖9所示。

圖9 不同溫度下彎曲強度變化及分布情況Fig.9 Variation and distribution of flexural strength under different temperature

溫度從-65 ℃上升到0℃時，基板的彎曲強度會有一個明顯的下降，從-65 ℃時的445 MPa下降到了0 ℃時的310 MPa，隨后趨于穩定，在0～175 ℃始終穩定在了310 MPa左右。

2.1.3 熱膨脹系數

測量熱膨脹系數時，將國產材料與進口材料熱膨脹系數與溫度的關系進行對比，結果如圖10所示?？梢钥闯?，在考核的溫度范圍內，國產材料與進口材料的熱膨脹系數相當，變化趨勢也基本一致，同一溫度下兩者差異不超過0.2×10-6/K。

圖10 平均熱膨脹系數-溫度關系Fig.10 The relationship between average coefficient of thermal expansion and temperature

2.2 溫度循環試驗驗證

使用高低溫沖擊試驗箱，試驗條件設置為高溫175 ℃、低溫-65 ℃，高低溫下保溫時間30 min，高低溫沖擊次數300 次。對溫度循環后的國產材料在10 GHz 頻點處的介電常數及介質損耗進行了測試，結果如表3 所示。可以看出，溫度循環試驗前后，國產材料介電常數及介質損耗變化幅度不大。表明在考核的溫度范圍內，該材料的電性能較為穩定。

表3 溫度循環試驗后介電常數及介質損耗（10 GHz頻點處）Tab.3 Dielectric constant and dielectric loss after temperature cycling test（at 10 GHz）

2.3 模擬空間環境輻照試驗驗證

使用60Co輻照源，試驗條件設置為：總劑量點設置包括：1×106rad（Si）、1×107rad（Si）。試驗后對各樣件進行熱導率、熱膨脹系數、力學性能、介電性能檢測。檢測結果如表4所示。從表4中可以看出，輻照試驗后，熱導率、熱膨脹系數、彎曲強度、介電常數及介質損耗均變化不大，說明該材料可以經受住空間輻照。

表4 輻照試驗后材料性能Tab.4 Material properties after irradiation test

3 結論

根據宇航產品空間應用可靠性的要求，設計了一套宇航用LTCC 材料模擬空間服役環境下的材料特性評價方法。該方法充分考慮了宇航產品的服役環境，提出了一套在地面檢測LTCC 材料空間應用時各項性能指標的樣件制備及測試要求，測試項目主要包括大溫域下熱性能、力學性能；溫度循環后熱性能及電性能的變化情況；輻照試驗后的熱性能、電性能及力學性能的變化情況。測試結果一方面可以作為評價LTCC 材料能否適應宇航應用的直接依據，同時也可以為航天器產品的可靠設計提供最準確的原始數據。

采用該方法，對某國產材料在模擬空間服役環境條件下的材料特性進行了評價，評價結果表明：

（1）在大溫域試驗條件下，熱導率有較大的波動，從-65 ℃時的4.77 W/（m·K）下降到了175 ℃時的2.89 W/（m·K）；彎曲強度從-65 ℃時的445 MPa 下降到了0 ℃時的310 MPa，并穩定在310 MPa左右；熱膨脹系數雖隨溫度的升高而增大，但隨溫度的變化趨勢與同類進口材料基本一致。

（2）在溫度循環及模擬空間環境輻照試驗條件下，各考核項目均變化不大。

該材料的各項性能在模擬空間服役環境之下依然可以滿足技術指標要求，可以滿足宇航應用的可靠性要求。