(上海空間電源研究所，上海 200245)

在空間用太陽(yáng)電池陣的制造過程中，需要采用底片膠將太陽(yáng)電池黏貼在基板上。由于太陽(yáng)電池為脆性材料，在膠接過程中無(wú)法施加太大的壓力；太陽(yáng)電池膠接所用的底片膠為一種黏度較高、流動(dòng)性較差的硅橡膠，基板膠接面為具有微小凹凸的不平整表面，底片膠在加壓固化過程中的流動(dòng)具有隨機(jī)性；另外，為了防止膠接時(shí)在太陽(yáng)電池的間隙產(chǎn)生過多的溢膠，涂敷的膠量不能太多。而壓力、膠量、膠接面平整度等參數(shù)對(duì)于膠接品質(zhì)具有顯著的影響，上述限制條件增大了太陽(yáng)電池膠接的施工難度，控制不當(dāng)即可能會(huì)在膠接界面引發(fā)缺陷，影響太陽(yáng)電池陣的可靠性。

太陽(yáng)電池膠接為特殊過程，在實(shí)際生產(chǎn)過程中主要依靠制作首末件并測(cè)試膠接的剪切強(qiáng)度來(lái)判斷過程是否受控，但該方法屬于破壞性測(cè)試方法，無(wú)法用于檢測(cè)正式產(chǎn)品。故，有必要開展適用于空間用太陽(yáng)電池陣膠接缺陷無(wú)損檢測(cè)方法的研究。筆者針對(duì)空間用太陽(yáng)電池的膠接缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行研究，分別采用紅外熱波成像和空氣耦合超聲成像的方法進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 檢測(cè)方法的選擇

1.1 太陽(yáng)電池膠接結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)電池陣的剖面結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)(見圖1)，在底片膠的上方是疊層太陽(yáng)電池，疊層太陽(yáng)電池由太陽(yáng)電池、蓋片膠和玻璃蓋片構(gòu)成；底片膠的下方為基板，基板是由鋁蜂窩、碳纖維和聚酰亞胺薄膜構(gòu)成的多層復(fù)合材料。

圖1 太陽(yáng)電池陣的剖面結(jié)構(gòu)示意

底片膠位于整個(gè)太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu)的中間位置，這給膠接缺陷的檢測(cè)帶來(lái)了很大的困難。另外，鋁蜂窩為鋁箔制成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，碳纖維為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)檢測(cè)圖像造成很大的干擾。

太陽(yáng)電池膠接的缺陷主要有邊緣缺膠、氣泡、脫黏等幾種。邊緣缺膠是指在電池膠接過程中，底片膠沒有充分拓展或流動(dòng)不均勻，在電池的四周邊緣缺少底片膠造成有效膠接面積低于電池面積的70%；氣泡是指在膠接過程中，在底片膠內(nèi)引起的封閉氣腔，直徑在3 mm以上的氣泡在空間環(huán)境下可能會(huì)影響膠接的可靠性；脫膠是指太陽(yáng)電池和底片膠之間的界面分離，通過嚴(yán)格控制加壓固化參數(shù)可以有效避免脫膠現(xiàn)象。因此太陽(yáng)電池膠接無(wú)損檢測(cè)的主要目標(biāo)是檢測(cè)出邊緣缺膠的面積以及直徑為3 mm以上的氣泡。

根據(jù)太陽(yáng)電池膠接的特點(diǎn)，從目前的無(wú)損檢測(cè)方法中選取了超聲成像和紅外熱波成像的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 超聲成像檢測(cè)原理示意

1.2 空氣耦合超聲成像技術(shù)

超聲成像[1]的原理是從超聲波換能器發(fā)射高頻脈沖的聲波，通過耦合中介發(fā)射到物體表面，采用信號(hào)接收器接收從物體反射或透射回來(lái)的聲波信號(hào)，超聲成像檢測(cè)原理示意如圖2所示，該方法利用不同介質(zhì)的材料具有不同聲阻抗的特性，可以從接收的回波信號(hào)中獲取樣品上某一個(gè)點(diǎn)的材料信息。在沒有缺陷的地方，一部分聲波被反射回來(lái)，另一部分從樣品背面透射出去；在有缺陷的地方，缺陷界面對(duì)聲波的反射率很高，即大部分聲波都被反射回來(lái)，而透射的信號(hào)幾乎為零，通過對(duì)反射聲波或透射聲波的檢測(cè)，可以判斷缺陷的情況。

常用的超聲檢測(cè)需要采用液體耦合劑，考慮到太陽(yáng)電池陣無(wú)法浸入液體，因此需要采用低頻的空氣耦合超聲方法[2]進(jìn)行檢測(cè)。另外，玻璃蓋片和空氣的界面對(duì)聲信號(hào)的反射率很高，因此當(dāng)超聲波入射到玻璃蓋片表面時(shí)，大部分能量被反射回來(lái)，只有很小一部分能量發(fā)生透射；當(dāng)透射的超聲波傳播到底片膠的位置時(shí)，如果底片膠和太陽(yáng)電池片黏接良好，則超聲波繼續(xù)向下傳播，并從電池陣背面透射出去，如果底片膠和太陽(yáng)電池片存在脫膠或底片膠缺膠，則超聲波信號(hào)的透過率將非常低。因此，對(duì)于底片膠正常的區(qū)域以及存在缺陷的區(qū)域，電池陣正面反射的超聲波信號(hào)強(qiáng)度的差異不大，但電池陣背面透射的超聲波信號(hào)強(qiáng)度的差異很大，利用這個(gè)特性，采用透射法來(lái)檢測(cè)底片膠的黏接品質(zhì)。

太陽(yáng)電池的膠接結(jié)構(gòu)為平面二維結(jié)構(gòu)，底片膠的厚度為100 μm左右，膠接檢測(cè)的目的主要是分辨出缺陷的平面位置和面積，而不關(guān)心缺陷的深度等其他信息，因此采用C掃描的檢測(cè)模式。

通過試驗(yàn)確定了適合太陽(yáng)電池膠接缺陷超聲檢測(cè)的主要參數(shù)(見表1)。

表1 太陽(yáng)電池膠接缺陷超聲檢測(cè)的主要參數(shù)

1.3 紅外熱波成像技術(shù)

紅外熱波成像[3-4]是一種利用熱能的流動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)的方法，屬于主動(dòng)式紅外檢測(cè)技術(shù)，即采用外加能量使樣品產(chǎn)生溫升，通過檢測(cè)樣品表面發(fā)射的紅外信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和分析來(lái)判斷內(nèi)部缺陷的信息。紅外熱波成像檢測(cè)原理示意如圖3所示，其利用光激勵(lì)加熱樣品，在有缺陷的地方熱阻較大，樣品表面的熱能向樣品內(nèi)部的傳導(dǎo)更慢，因此其上方樣品的表面溫度更高，對(duì)樣品表面發(fā)射的熱波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)可以分析缺陷的信息。

圖3 紅外熱波成像檢測(cè)原理示意

檢測(cè)時(shí)，對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制使其強(qiáng)度呈周期波動(dòng)，相應(yīng)地樣品表面發(fā)射的紅外信號(hào)也會(huì)呈周期變化，用紅外熱像儀采集樣品表面的紅外信號(hào)并進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，可以得到樣品表面發(fā)射的熱波的振幅、位相等信息，將樣品各點(diǎn)的振幅或位相轉(zhuǎn)化成偽彩色圖像，可以直觀地顯示出缺陷的分布和大小。熱波成像的優(yōu)點(diǎn)是通過調(diào)節(jié)信號(hào)頻率可以適應(yīng)不同深度的缺陷，通過適當(dāng)增加檢測(cè)的周期數(shù)可以提高檢測(cè)的靈敏度和信噪比。

通過試驗(yàn)確定了適合太陽(yáng)電池膠接缺陷紅外檢測(cè)的主要參數(shù)(見表2)。另外，初步的試驗(yàn)表明振幅圖像和實(shí)際缺陷圖像更為符合，因此下面的試驗(yàn)過程主要采用振幅檢測(cè)。

表2 太陽(yáng)電池膠接缺陷紅外熱波檢測(cè)的主要參數(shù)

2 試驗(yàn)過程與討論

2.1 檢測(cè)分辨率的比較

為了比較兩種方法對(duì)膠接缺陷的分辨率，用模具制作了一個(gè)底片膠呈特定形狀的太陽(yáng)電池黏接樣品，其中底片膠設(shè)置成16 mm不等的膠條，膠條之間的間隙分別為15 mm，具體的分布形狀如圖4所示，圖中的陰影部分為有效膠接區(qū)域，其余部分為缺膠區(qū)域。

圖4 分辨率檢測(cè)時(shí)樣品的底片膠分布形狀示意

分別對(duì)該樣品采用超聲檢測(cè)和紅外檢測(cè)兩種方法進(jìn)行了測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果如圖5，6所示。

圖5 分辨率檢測(cè)時(shí)，樣品的超聲檢測(cè)結(jié)果

圖6 分辨率檢測(cè)時(shí)，樣品的紅外檢測(cè)結(jié)果

超聲檢測(cè)是根據(jù)透射的超聲信號(hào)的強(qiáng)弱成像的，圖5是根據(jù)透射信號(hào)的強(qiáng)度繪制的偽彩色圖像，圖中的深藍(lán)色表示的是低透區(qū)域，淺藍(lán)色和黃色表示的是高透區(qū)域，和圖4對(duì)比可以看出，深藍(lán)色的低透區(qū)域?qū)?yīng)的是缺膠區(qū)域。從圖5可以看出，超聲檢測(cè)對(duì)膠條和缺膠區(qū)域的分辨率均達(dá)到了2 mm，但檢測(cè)圖像和底片膠的實(shí)際分布形狀相比有很大的失真，且電池的邊緣無(wú)法得到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，這對(duì)于判斷膠接缺陷的大小是不利的。

紅外熱波檢測(cè)是根據(jù)檢測(cè)的熱波信號(hào)的振幅成像的，圖6是根據(jù)振幅繪制的偽彩色圖像，圖中的綠色表示的是振幅較強(qiáng)的區(qū)域，藍(lán)色表示的是振幅較弱的區(qū)域，和圖4進(jìn)行對(duì)比可以看出，綠色的區(qū)域?qū)?yīng)的是缺膠區(qū)域。從圖6還可以看出，紅外檢測(cè)對(duì)膠條和缺膠區(qū)域的分辨率均達(dá)到了2 mm，且檢測(cè)圖像和底片膠的實(shí)際分布形狀基本保持一致。

通過對(duì)太陽(yáng)電池膠接結(jié)構(gòu)的分析，認(rèn)為超聲檢測(cè)結(jié)果失真大的原因是:聲波在穿透太陽(yáng)電池后受到復(fù)雜的鋁蜂窩和碳纖維結(jié)構(gòu)的影響，會(huì)產(chǎn)生衍射和反射，而造成檢測(cè)圖形的嚴(yán)重畸變。

為了驗(yàn)證超聲檢測(cè)結(jié)果失真大的原因，采用玻璃板黏貼太陽(yáng)電池制成樣品，玻璃板厚度為5 mm，底片膠采用特制模板涂敷成特定形狀，固化后的膠形如圖7所示，另外底片膠中存在直徑為2～3 mm的氣泡缺陷。

圖7 玻璃底板樣品的底片膠的實(shí)際分布形狀

對(duì)該樣品進(jìn)行超聲檢測(cè)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 玻璃底板樣品的超聲檢測(cè)結(jié)果

從圖8可以看出，對(duì)于實(shí)心的平板類膠接樣件，超聲檢測(cè)的效果較好，對(duì)于底片膠內(nèi)氣泡的檢測(cè)分辨率達(dá)到了2 mm，且對(duì)底片膠輪廓的檢測(cè)基本無(wú)失真。

2.2 實(shí)際產(chǎn)品檢測(cè)效果的比較

為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩種方法對(duì)太陽(yáng)電池陣產(chǎn)品的實(shí)際檢測(cè)效果，制作了一個(gè)缺膠的樣品，分別用超聲方法和紅外方法進(jìn)行檢測(cè)，然后剝離電池露出底片膠，對(duì)底片膠的實(shí)際分布情況進(jìn)行對(duì)比。

該樣品按照正常的膠接過程進(jìn)行制作，采用特制的模板進(jìn)行刮膠，在電池右側(cè)的局部區(qū)域人為制造缺膠的效果，刮膠后黏貼電池加壓固化，然后進(jìn)行了兩種方法的檢測(cè)，檢測(cè)后將電池剝離，底片膠的實(shí)際分布形狀外觀如圖9所示。該樣品的超聲檢測(cè)結(jié)果如圖10所示，其紅外檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖9 樣品的底片膠實(shí)際分布形狀外觀

圖10 樣品的超聲檢測(cè)結(jié)果

圖11 樣品的紅外檢測(cè)結(jié)果

從超聲和紅外的檢測(cè)結(jié)果可以看出，二種方法均能檢測(cè)出太陽(yáng)電池膠接的邊緣缺膠缺陷，根據(jù)底片膠形的特征尺寸估算紅外檢測(cè)對(duì)缺陷的檢測(cè)分辨率優(yōu)于2 mm。對(duì)比圖10和圖11可知，紅外檢測(cè)圖像的輪廓和實(shí)際底片膠的分布更為符合，失真小，而超聲檢測(cè)的底片膠輪廓較為模糊，失真較大，且底片膠區(qū)域的圖像具有明顯的斑點(diǎn)，這是因?yàn)槌曅盘?hào)受到了背面基板的干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

超聲檢測(cè)方法與紅外檢測(cè)方法都能對(duì)底片膠較大面積的缺陷進(jìn)行有效地檢測(cè)，其中超聲檢測(cè)的圖形受背面基板的干擾存在一定的失真，圖像判讀存在困難，但對(duì)基板為實(shí)心結(jié)構(gòu)的膠接樣件的檢測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確；紅外檢測(cè)的圖形幾乎無(wú)失真，圖形直觀?？紤]到太陽(yáng)電池膠接過程最主要的缺陷是缺膠和氣泡，且紅外檢測(cè)屬于面成像，檢測(cè)速度更快，因此紅外檢測(cè)方法更適用于太陽(yáng)電池生產(chǎn)過程中膠接缺陷檢測(cè)的工程應(yīng)用。