衛(wèi)星導(dǎo)電銅箔接地性能退化機理研究

路 毅，王再成，張 彬，劉智斌，鄭會明，楊春生

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

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

衛(wèi)星總裝階段建立的接地網(wǎng)主要涵蓋接地線、搭接線、導(dǎo)電銅箔、艙板接地樁、艙構(gòu)板鋁蒙皮等。接地電阻是衡量衛(wèi)星電磁兼容性的重要指標(biāo)[2]。根據(jù)衛(wèi)星電磁兼容性設(shè)計要求，在總裝各個階段應(yīng)分別進行結(jié)構(gòu)、儀器、設(shè)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(wǎng)的過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)接地阻值不能滿足設(shè)計要求，其中一個重要的原因就是導(dǎo)電銅箔搭接的接觸電阻過大。

本文對導(dǎo)電銅箔接地性能退化機理進行分析，并通過工藝優(yōu)化改善接觸電阻。

1 工況分析

衛(wèi)星總裝過程中，通過導(dǎo)電銅箔搭接的方式建立整星接地網(wǎng)，其他儀器設(shè)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(biāo)，會使整星接地網(wǎng)鋪設(shè)不合格，影響衛(wèi)星的電性能。目前通過測量接觸電阻可以定性地判斷導(dǎo)電銅箔搭接的牢固性和可靠性，檢查EMC 屏蔽的效果。導(dǎo)電銅箔搭接方式如圖1所示。

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

圖1 導(dǎo)電銅箔搭接示意圖Fig.1 Diagram of connection for conductive copper foil

表1 導(dǎo)電銅箔技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical specifications of the conductive copper foil

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

2 導(dǎo)電銅箔接觸電阻退化機理

由圖1可知，致使導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)力綜合作用下產(chǎn)生變化，從而引起絕緣失效。銅在干燥的空氣中很穩(wěn)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(yīng)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(chǎn)物是氧化銅。銅表面在大氣環(huán)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(chǎn)生的，其特性完全取決于界面膜的生成、性質(zhì)和狀態(tài)。影響膜層生長的因素有溫度、濕度、金屬種類、環(huán)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(dǎo)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(dāng)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(dāng)于絕緣。

2.2 導(dǎo)電膠電阻退化機理

導(dǎo)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(fā)生變化。由于導(dǎo)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(dǎo)電膠電阻的計算公式為

式中：ρ為導(dǎo)電膠電阻率；w為導(dǎo)電膠的寬度；h為導(dǎo)電膠厚度；L為導(dǎo)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(dǎo)電膠電阻隨溫度變化曲線。由圖2可知，導(dǎo)電膠在80～140 ℃時電阻比較小，即導(dǎo)電性能好，而在70 ℃時電阻比較大。

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

圖3為導(dǎo)電膠電阻隨時間變化曲線。由圖3可見，導(dǎo)電膠的電阻在開始階段波動較大，經(jīng)過一段時間后呈緩慢減小趨勢。導(dǎo)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(dǎo)電膠層電阻相差很大；而在溫度較低時，不同厚度的導(dǎo)電膠層電阻相差不大。

圖3 導(dǎo)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(dǎo)電銅箔退化的主要因素，通過開展加速應(yīng)力試驗，模擬衛(wèi)星總裝環(huán)境條件下溫濕度應(yīng)力對導(dǎo)電銅箔接觸電阻產(chǎn)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(shù)；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(shù)；x是經(jīng)驗數(shù)據(jù)；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(shù)據(jù)

根據(jù)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(shù)據(jù)匯總處理后，可以分別得到溫度應(yīng)力、濕度應(yīng)力作用下導(dǎo)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)Fig.7 Test data (temperature 95 oC, Humidity 85RH%)

3.3 討論與分析

從加速試驗數(shù)據(jù)可以看出，在溫度應(yīng)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(yīng)力影響下，接觸電阻隨著時間推移緩慢減小。導(dǎo)電銅箔在溫度應(yīng)力影響下的接觸電阻變化趨勢與導(dǎo)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(dǎo)電銅箔接地性能退化過程中，導(dǎo)電膠性能退化起主導(dǎo)作用，而銅箔電阻退化的影響并不明顯。

4 工藝方法優(yōu)化

為解決衛(wèi)星導(dǎo)電銅箔接地性能退化的問題，選用銅箔表面不打磨、銅箔表面打磨、銅箔表面點焊[6]3 種工藝方法進行試驗數(shù)據(jù)比對，以驗證不同工藝方法對改善銅箔接觸電阻退化的作用，以便最終確定適宜的改進方法。3 種工藝方法獲得的接觸電阻分別如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10可知，在導(dǎo)電銅箔表面不打磨的情況下，接觸電阻大于10 m?；在接觸表面打磨充分的情況下，接觸電阻明顯降低至3.5 m? 左右；當(dāng)對導(dǎo)電銅箔進行點焊時，接觸電阻進一步降低至2.7 m? 左右（設(shè)計要求小于10 m?）。因此，建議整星接地網(wǎng)建立過程中對導(dǎo)電銅箔采取點焊的工藝方法。

圖8 銅箔表面不打磨時的接觸電阻Fig.8 Contact resistance of copper surface without grinding

圖9 銅箔表面經(jīng)打磨后的接觸電阻Fig.9 Contact resistance of ground copper surface

圖10 銅箔表面經(jīng)點焊后的接觸電阻Fig.10 Contact resistance of spot welded copper surface

5 結(jié)束語

本文研究了衛(wèi)星導(dǎo)電銅箔接地性能退化機理，分別分析了銅箔與導(dǎo)電膠導(dǎo)電性能的退化過程，并通過加速試驗驗證了導(dǎo)電膠的性能退化起主導(dǎo)作用，進而開展工藝試驗確定了行之有效的工藝措施，使接觸電阻減小至符合衛(wèi)星設(shè)計要求。經(jīng)試驗驗證滿足型號任務(wù)需求，為研制高可靠、長壽命衛(wèi)星提供了保障。

（References）

[1]徐福祥.衛(wèi)星工程概論[M].北京:中國宇航出版社, 2004:400

[2]GJB 2204A—2005 衛(wèi)星總裝通用規(guī)范[S]

[3]彭桂榮.銅基電接觸材料氧化膜生長動力學(xué)與導(dǎo)通行為[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 1999

[4]陳黨輝.微電子組裝用導(dǎo)電膠長期可靠性的研究[D].西安:西安電子科技大學(xué), 2002

[5]姜同敏.可靠性與壽命試驗[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2012:313

[6]QJ 3117A—2011 航天電子電氣產(chǎn)品手工焊接工藝技術(shù)要求[S]