激光焊錫技術在柔性印制膜太陽電池陣生產中的應用

隨著我國航天事業的多元化發展，對低成本微小衛星的需求持續增長。太陽電池陣作為衛星完成空間任務不可或缺的主要能源供應系統，正逐步向小質量、高柔性和高可靠性方向邁進。常規太陽電池陣主要采用鋁蜂窩夾層結構的剛性基板來支撐太陽電池電路，其厚度一般達到 23mm 左右，并不適用于微小衛星。因此，針對微小衛星的應用需求，研究新型空間太陽電池陣勢在必行。

利用印制電路板(printed circuit board, PCB)或者柔性印制電路(flexible printed circuit, FPC)可將太陽電池電路與基板集成為一體，能顯著降低太陽電池陣的體積，在微小衛星上具有廣闊的應用前景。目前，PCB 在立方星、微小衛星太陽電池陣上的應用較多，而對 FPC 的相關應用報道較少。

1.柔性印制太陽電池陣設計制作及仿真分析

1.1 柔性印制太陽電池陣設計

航天產品 PCB 的基板主要材料為 FR4 環氧玻璃板，其厚度一般為 1～4mm。國內九天衛星公司、南京理工大學以及西北工業大學等高校已經有多顆衛星在軌成功應用了 PCB 太陽電池陣。相比于 PCB，由正、背面 2 層帶黏結樹脂的聚酰亞胺(PI)薄膜壓合覆銅層組成的 FPC 膜厚度僅 135μm，在體積要求嚴格的星體上更具應用優勢。

柔性印制太陽電池陣主要由太陽電池組件、FPC 膜和鋁基板等組成。為承受衛星發射時嚴酷的力學環境，參考國內立方星 PCB 太陽電池陣的設計結構，先用結構膠將 FPC 膜背面與鋁基板粘貼固連，再將太陽電池組件粘貼于 FPC 膜正面，然后將太陽電池組件與 FPC 膜焊接;接著將 FPC 膜彎折至鋁基板背面，并完成基板背面隔離二極管、引出導線與 FPC 膜的焊接，再用螺釘將背面 FPC 膜與鋁基板固連;最后完成引出導線與星體接插件的制作。柔性印制太陽電池陣的結構剖面如圖? 所示。

1.2 試驗件焊接

在彎折至鋁基板背面的 FPC 膜上進行隔離二極管、肖特基二極管以及引出導線的焊接制作，并通過 4 個內六角螺釘將 FPC 膜與鋁基板固定，試驗件實物見圖 3.圖中：①～⑦為鋁基板背面 FPC 膜上錫焊焊盤與覆銅層連接位置編號。

本次柔性印制太陽電池陣的制作中，激光焊錫技術展現出獨特優勢。其具有高精度的焊接能力，能夠精準定位焊接位置，確保焊接的準確性。同時，激光焊錫的低熱影響區特性，極大地減少了對 FPC 膜及周邊元件的熱損傷。與傳統焊接方式相比，激光焊錫能夠更高效地將焊料加熱至熔化狀態，實現快速焊接，且焊接質量穩定可靠。在焊接過程中，激光束的精準控制可有效避免對 FPC 膜上其他敏感元件的不良影響。此外，激光焊錫還可實現自動化焊接，提高生產效率，降低人工操作帶來的誤差。

為充分發揮激光焊錫技術的優勢，在未來的柔性印制太陽電池陣制作中，可進一步優化激光焊錫的工藝參數，提升焊接質量和效率。同時，加強對操作人員的培訓，提高其技術水平。此外，還可探索與其他先進制造技術的結合，如自動化生產線、機器人技術等，實現更加智能化的生產。

　2.熱循環試驗考核

太陽電池陣在軌運行期間，將在真空環境下經歷長期的高溫、低溫循環過程，因此需要進行熱試驗對其進行考核，以暴露產品的質量缺陷。單機級熱試驗包括熱循環試驗和熱真空試驗。熱循環試驗在常壓環境下進行，傳熱方式以對流傳熱為主，相對于熱真空試驗具有效率高、成本低等優勢。

從圖 3 可以看出，在非光照條件下，太陽電池可視為 PN 結二極管，采用恒流源對太陽電池串通電后，電池呈現出紅外發光二極管特性，此時恒流源采集到的電池串電壓和電流如表 2 所示，3 串太陽電池組件電路均正常導通。

試驗件高低溫循環試驗一共進行了 170 次循環，試驗溫度均在試驗條件要求范圍內。當高低溫循環試驗進行到 148 次時，太陽電池串 M3 的采集電壓發生異常跳變(0～147 次循環的試驗電壓跳變范圍為 27.4～35.4V)，采集電壓從 35.4V 變化至 30.1V 時突變為 49.3V，說明其最終為斷開狀態。

3.分析與探討

由于錫焊焊盤上存在隔離二極管管腳和焊料，屬于硬態，而覆銅層屬于軟態，因此錫焊焊盤與覆銅層連接部位為軟硬結合點，承受熱應力的能力較弱。在長期高低溫交變環境條件下，FPC 膜的形變剪切應力直接傳遞至錫焊焊盤與覆銅層連接處，較易造成 IMC 金屬化合物層(Cu6Sn5、Cu3Sn，皆為柱狀硬脆相)開裂。另外，彎折至基板背面的 FPC 膜錫焊焊盤區域沒有黏結固定，FPC 膜在熱環境中扭曲擾動可能造成焊盤與覆銅層連接處的銳角區域應力集中，而該區域無弧度設計釋放應力，繼而出現焊盤與覆銅層連接處損傷。結果在多次熱循環過程中出現一種中間態：由于熱脹冷縮效應，低溫下焊盤與覆銅層連接導通，高溫下焊盤與覆銅層斷開;當循環次數積累至一定量時，最終焊盤與覆銅層連接處徹底斷裂、無法恢復導通。

綜上所述，針對柔性印制太陽電池陣的設計，還需從 FPC 膜的彎折半徑、FPC 膜與鋁基板的粘貼方式、錫焊焊盤與覆銅層的連接處減應力設計等方面予以改進，建議采用以下幾項措施：

1)FPC 膜粘貼于基板上后，采用 X 光檢查所有錫焊焊盤與覆銅層的狀態，提前篩選出存在缺陷的產品;

2)參考 GJB 7548—2012《撓性印制板通用規范》中相關規定，在 FPC 膜彎折部位進行減應力加強設計，FPC 膜彎折半徑應至少大于 FPC 膜本體厚度的 12 倍;

3)FPC 膜彎折至基板背面后，采用與正面一樣的結構膠將其與基板粘貼牢固，以減少熱應力影響;

4)參考 QJ 3103A—2011《印制電路板設計要求》中相關規定，為保證錫焊焊盤不受 FPC 膜彎折應力的影響，設計時應使錫焊焊盤遠離 FPC 膜彎折處至少 2 倍鋁基板厚度，且錫焊焊盤尺寸應比覆銅層的寬度更大;

5)FPC 膜上錫焊焊盤與覆銅層連接處的 4 個角應有弧度設計或采用黏性填充物等進行加強防護。

4.結束語

本文針對微小衛星的任務需求，設計柔性印制太陽電池陣，設計過程中充分考慮太陽電池陣在軌運行過程中長期處于惡劣的高低溫交變環境中的熱應力影響。通過熱循環試驗考核發現，所設計柔性印制太陽電池陣的 FPC 膜上錫焊焊盤與覆銅層連接部位受熱應力的影響較大，存在錫焊焊盤與覆銅層斷裂的風險，并提出針對性改進建議。后續還需進行深入研究，提高柔性印制太陽電池陣的環境適應能力。