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(jì)，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(shí)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(jì)要求，在總裝各個(gè)階段應(yīng)分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)、儀器、設(shè)備接地電阻的測量。由于實(shí)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(jì)要求，其中一個(gè)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(jī)理進(jìn)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(shí)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(jì)要求。

2 導(dǎo)電銅箔接觸電阻退化機(jī)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(jī)理進(jìn)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(jī)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(qiáng)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(kuò)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(diǎn)直徑；σf為膜層電阻率；r為圓形導(dǎo)電斑點(diǎn)半徑。

在沒有氧化膜時(shí)，可以認(rèn)為r為無限大，即沒有接觸電阻；當(dāng)有氧化膜時(shí)，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(shí)，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(jī)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(jì)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(gè)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(shí)電阻比較小，即導(dǎo)電性能好，而在70 ℃時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，不同厚度的導(dǎo)電膠層電阻相差很大；而在溫度較低時(shí)，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(shí)間變化曲線Fig.3 Resistance of the conductive adhesive against time

3 加速試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)，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(yàn)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(yàn)加速模型

即

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)加速模型制作試驗(yàn)樣板，分別在不同的溫度、濕度條件下進(jìn)行加速試驗(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在溫度應(yīng)力影響下，75 ℃時(shí)接觸電阻隨時(shí)間推移而增加，在95 ℃時(shí)接觸電阻隨時(shí)間推移減小。在濕度應(yīng)力影響下，接觸電阻隨著時(shí)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(shí)間的變化類似。因此，可以認(rèn)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(diǎn)焊[6]3 種工藝方法進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對，以驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行點(diǎn)焊時(shí)，接觸電阻進(jìn)一步降低至2.7 m? 左右（設(shè)計(jì)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(diǎn)焊的工藝方法。

圖8 銅箔表面不打磨時(shí)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(diǎn)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(jī)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(yàn)驗(yàn)證了導(dǎo)電膠的性能退化起主導(dǎo)作用，進(jìn)而開展工藝試驗(yàn)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(jì)要求。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)[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]