雙面銀鍍金互連材料原子氧防護(hù)性能分析

蘇彬 張偉 吳躍民 吳致丞 郝曉麗 于輝

(1 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

近地空間航天器太陽(yáng)電池陣在軌運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到包括粒子輻照、紫外輻照以及原子氧環(huán)境等空間環(huán)境的影響，對(duì)于低地球軌道(LEO)，空間環(huán)境主要由N2、O2、Ar、He、H和原子氧(AO)組成[1-3]，其中原子氧的含量最高，大約占80%。盡管原子氧的數(shù)密度很低(105～109/cm3)，但當(dāng)航天器在軌道中以7～8 km/s的速度運(yùn)行時(shí)，原子氧撞擊航天器表面的能量約為5 eV，具有極強(qiáng)的氧化及剝蝕能力[4-5]。

對(duì)于設(shè)計(jì)壽命15年的低軌長(zhǎng)壽命航天器，軌道高度約390 km，太陽(yáng)電池陣工作溫度-100 ℃～+90 ℃，在軌飛行期間的原子氧總累計(jì)通量約7.83×1026atoms/m2，對(duì)于如此大劑量的原子氧防護(hù)措施，國(guó)內(nèi)尚未有飛行經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。太陽(yáng)電池陣中通常采用金屬材料的互連片實(shí)現(xiàn)單體太陽(yáng)電池之間的電連接，以滿(mǎn)足母線電壓的需求。對(duì)于太陽(yáng)電池互連片而言，最為常用的銀互連片在原子氧環(huán)境中會(huì)發(fā)生剝蝕現(xiàn)象，使材料厚度變薄。嚴(yán)重時(shí)，在高低溫交變情況下可能會(huì)導(dǎo)致互連片斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致電路開(kāi)路，影響太陽(yáng)電池陣工作壽命。

美國(guó)NASA為了研究較長(zhǎng)時(shí)間空間環(huán)境對(duì)材料的效應(yīng)，發(fā)射了空間長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)裝置(LDEF)[6-7]，于1984年4月由發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)執(zhí)行11次任務(wù)時(shí)(STS 41-C)帶上太空，起始軌道高度約為470 km，與赤道有28.5°的傾角。1990年1月由哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)的第9次太空飛行任務(wù)(STS-32)取回，軌道高度已經(jīng)衰退到296～361 km。累計(jì)在軌時(shí)間將近6年，LDEF上搭載了大量航天器材料。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，從LDEF裝置獲得的結(jié)論可知，為滿(mǎn)足低軌長(zhǎng)壽命航天器太陽(yáng)陣的設(shè)計(jì)壽命，常用的銀互連片無(wú)法滿(mǎn)足低軌長(zhǎng)壽命航天器原子氧環(huán)境使用需求，為了使低軌道長(zhǎng)壽命航天器太陽(yáng)電池避免原子氧的剝蝕引起互連片故障，本文研制出一種耐15年原子氧剝蝕的互連片，使用Au層保護(hù)的方法抑制互連片基體被侵蝕，能夠保證太陽(yáng)電池陣在軌供配電穩(wěn)定性。

1 太陽(yáng)電池陣及互連片結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)電池陣在軌期間直接面對(duì)原子氧的侵蝕，其表面結(jié)構(gòu)如圖1所示。最下層為太陽(yáng)陣基板，基板表面為聚酰亞胺材料。通常，基板表面會(huì)涂覆一層耐原子氧侵蝕的涂層，防止基板在軌期間被原子氧侵蝕。基板上通過(guò)硅膠與太陽(yáng)電池片粘在一起，太陽(yáng)電池片表面封裝抗輻照玻璃蓋片，玻璃蓋片起到抗空間粒子輻照的作用，玻璃的成分為二氧化硅，物理化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，不與原子氧反應(yīng)，起到了電池屏蔽原子氧侵蝕的作用。

圖1 太陽(yáng)電池片互連示意圖

兩片電池片之間通過(guò)互連片進(jìn)行連接，為適應(yīng)空間高低溫循環(huán)環(huán)境，互連片需要做減應(yīng)力處理。通常有立體減應(yīng)力互連片和平面減應(yīng)力互連片兩種，在空間高低溫極端環(huán)境下，兩種類(lèi)型互連片通過(guò)減應(yīng)力結(jié)構(gòu)的形變釋放應(yīng)力，從而保護(hù)焊點(diǎn)及互連片。

考慮到原子氧對(duì)于互連片的剝蝕，對(duì)于常用的銀互連片而言，表面蒸鍍一層化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不與原子氧反應(yīng)的金屬即可實(shí)現(xiàn)耐原子氧侵蝕的效果。金化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與原子氧發(fā)生反應(yīng)。金銀兩種金屬物理特性相對(duì)比較接近，具體參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 銀、金材料相關(guān)材料參數(shù)

對(duì)于銀鍍金材料體系，銀和金的電阻率低，導(dǎo)電性能好，熱傳導(dǎo)系數(shù)好，這一特性決定了焊接過(guò)程產(chǎn)生的熱量不會(huì)因?yàn)樘貏e集中而產(chǎn)生焊穿。另一方面，金銀晶體結(jié)構(gòu)相近，二者熱膨脹系數(shù)相互匹配，在空間高低溫交變環(huán)境中不會(huì)由于熱膨脹系數(shù)的失配而導(dǎo)致過(guò)大熱應(yīng)力產(chǎn)生。因此，銀鍍金互連片是一種防原子氧侵蝕的理想方案。

在軌飛行時(shí)，太陽(yáng)電池陣銀鍍金材料正面處在原子氧迎風(fēng)面，鍍金層可以有效的起到保護(hù)銀基底的效果。傳統(tǒng)的單面銀鍍金太陽(yáng)電池互連片，已成功應(yīng)用于一些典型型號(hào)，但這些型號(hào)設(shè)計(jì)壽命遠(yuǎn)低于15年。因此，需要對(duì)互連片進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并充分驗(yàn)證其長(zhǎng)壽命運(yùn)行可行性。

為滿(mǎn)足低軌長(zhǎng)壽命航天器對(duì)于防原子氧侵蝕的需求，在成熟產(chǎn)品設(shè)計(jì)狀態(tài)及工藝基礎(chǔ)上，將銀互連片表面改為鍍金材料，為了進(jìn)一步防止原子氧對(duì)背面銀鍍金層的侵蝕，設(shè)計(jì)雙面鍍金互連材料，鍍金層厚度為3～4 μm。如圖2所示，采用磁偏轉(zhuǎn)式電子束真空鍍膜技術(shù)，在高真空環(huán)境中將金靶材進(jìn)行蒸發(fā)，使其沉積在25 μm厚銀箔表面，對(duì)銀箔表面的正反兩面分別進(jìn)行蒸鍍。

圖2 銀鍍金材料結(jié)構(gòu)示意圖

互連片成型加工采用的是金屬?zèng)_壓的方式，靠壓力機(jī)和模具對(duì)銀鍍金材料施加外力，使之分離，從而獲得互連片工件。因此，互連片上下表面為鍍金材料，而側(cè)面中間層為純銀材料，互連片上下表面以及側(cè)面的耐原子氧侵蝕程度均會(huì)影響互連片在軌穩(wěn)定性及使用壽命。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 理論計(jì)算

2.1.1 金銀界面擴(kuò)散深度計(jì)算

金屬原子無(wú)時(shí)無(wú)刻不在做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，而且原子與原子之間的空隙非常大，所以互連片金銀分界層兩邊的原子可以相互滲透[8-10]。在空間環(huán)境光照情況下，互連片溫度升高，原子運(yùn)動(dòng)速率加快，增加擴(kuò)散速率。為了探究互連片表面是否會(huì)有銀原子擴(kuò)散出來(lái)，通過(guò)建模計(jì)算了銀原子在銀、金界面的擴(kuò)散距離。

Ag在Au中發(fā)生擴(kuò)散的模型見(jiàn)圖3所示。模型中，以Ag/Au的接觸界面為坐標(biāo)原點(diǎn)(x=0)。以t作為時(shí)間，利用菲克第二擴(kuò)散定律[11]，按照在軌15年壽命計(jì)算，不考慮空間飛行器進(jìn)入地球背陽(yáng)面和向陽(yáng)面的循環(huán)，即假設(shè)其完全處于110 ℃，通過(guò)計(jì)算可知，Ag在Au中擴(kuò)散距離約為x=0.016 62 μm。對(duì)于3～4 μm的鍍金層，銀的滲透深度不足鍍層厚度的千分之一，銀滲透至材料表面的影響可忽略不計(jì)。

注：C1為界面基體側(cè)Ag含量，C2為界面鍍層側(cè)Ag含量。

2.1.2 互連片側(cè)面原子氧侵蝕量計(jì)算

互連片僅上下表面有鍍金層，側(cè)面中間無(wú)金層防護(hù)。當(dāng)太陽(yáng)電池陣側(cè)面處于原子氧迎風(fēng)面時(shí)，互連片材料側(cè)面裸露的銀會(huì)在原子氧作用下產(chǎn)生剝蝕現(xiàn)象。考慮極端情況下，即15年壽命期間，太陽(yáng)翼側(cè)面均處于垂直于原子氧迎風(fēng)面的狀態(tài)飛行，互連片側(cè)面接受到的原子氧累計(jì)通量將達(dá)到7.83×1026atoms/m2，根據(jù)LDEF的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，平面金屬銀膜的反應(yīng)系數(shù)(剝蝕量)2.9×10-26cm3/atom，帶立體減應(yīng)力環(huán)的銀材料反應(yīng)系數(shù)(剝蝕量)27.5×10-26cm3/atom。以平面結(jié)構(gòu)減應(yīng)力互連片為例，銀的剝蝕深度為23 μm，占互連片單條寬度的2%，剝蝕后互連片的載流能力依然有冗余，遠(yuǎn)大于單片電池最大額定承載電流，可以滿(mǎn)足壽命末期電連接需求。

2.2 原子氧侵蝕試驗(yàn)

為充分驗(yàn)證加厚雙面鍍金互連片防原子氧剝蝕的有效性，開(kāi)展了15年原子氧環(huán)境壽命試驗(yàn)，以探究雙面銀鍍金互連片的耐原子氧能力。試驗(yàn)采用的雙面銀鍍金材料鍍金層厚度為2～3 μm(單面鍍金層厚度)，試驗(yàn)總通量為在軌飛行15年期間的原子氧總累積量7.83×1026atoms/m2，原子氧通量密度為1.50×1020atoms/(m2·s)，試驗(yàn)分階段進(jìn)行，在分別達(dá)到原子氧累積1年、2年、5年、7年、10年、15年劑量后，取出部分樣品進(jìn)行分析，其余樣品繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

互連片材料樣品分兩種狀態(tài)，一種鍍金面處于迎風(fēng)面；一種側(cè)面處于迎風(fēng)面。對(duì)于鍍金面處于迎風(fēng)面樣品，為模擬互連片在溫度交變過(guò)程中產(chǎn)生的形變量，以及充分考驗(yàn)互連片的耐原子氧特性和鍍層的牢固度，在試驗(yàn)前已將樣品拉伸0.2 mm(根據(jù)柔性太陽(yáng)電池陣仿真分析結(jié)果，互連片在軌因溫度交變受到的最大拉伸距離為0.07 mm)。對(duì)于側(cè)面處于迎風(fēng)面樣品，為驗(yàn)證后續(xù)加工對(duì)銀鍍金材料側(cè)面的影響，將6.5 mm×70 mm長(zhǎng)條形狀的銀鍍金材料，按長(zhǎng)邊方向卷成卷狀后材料側(cè)面的一條長(zhǎng)邊朝向原子氧迎風(fēng)面。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 互連片正面原子氧侵蝕情況

在每一階段試驗(yàn)結(jié)束后均進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察，隨著原子氧劑量的增加，設(shè)備放電室里的少量元素的氧化物粘在材料上，因其成分比例不同，吸收光波長(zhǎng)不同，顯微鏡下互連片的顏色有所差別。

雙面銀鍍金互連片在試驗(yàn)前以及1年劑量、2年劑量、5年劑量、7年劑量、10年劑量以及15年劑量原子氧侵蝕后，表面形貌變化光學(xué)顯微鏡圖像如圖4所示。每次觀察調(diào)節(jié)光學(xué)顯微鏡的白平衡均有略微差別，光線情況有所不同，顏色有所差別。從形貌來(lái)判斷，試驗(yàn)前，互連片表面金層平整致密，具有一定的紋路。隨著原子氧侵蝕劑量的增加，于表面會(huì)積存少量飄落在其上的氧化物顆粒，即互連片表面有不同顏色的點(diǎn)狀物，后續(xù)通過(guò)表面材料分析可驗(yàn)證。但互連片鍍金層在試驗(yàn)后表面均未被剝蝕，未有破損點(diǎn)。從光學(xué)顯微鏡結(jié)果初步判斷，試驗(yàn)過(guò)程中鍍金層表面未發(fā)生明顯變化。

圖4 雙面銀鍍金互連片原子氧剝蝕前后表面狀態(tài)變化

為進(jìn)一步驗(yàn)證原子氧侵蝕試驗(yàn)后互連片表面的點(diǎn)狀物的成分，對(duì)15年劑量侵蝕后后的樣品表面進(jìn)行了能譜分析，以試驗(yàn)前的互連片作為參照，樣品表面能譜(EDS)分析如圖5所示。

圖5 15年原子氧劑量剝蝕前后表面能譜分析

雙面銀鍍金互連片鍍金層的能譜分析結(jié)果顯示，試驗(yàn)前表面主要是金元素，占比95.59%，氧元素為4.41%。試驗(yàn)后鍍金層表面元素及百分比如圖5(b)所示，未檢測(cè)到銀元素，首先說(shuō)明銀基材未擴(kuò)散到互連片金鍍層表面，此外，金鍍層起到了屏蔽原子氧與銀基材反應(yīng)的作用。在試驗(yàn)后其表面出現(xiàn)了部分元素，其中的Fe、Ni、Cr均是原子氧模擬試驗(yàn)設(shè)備里放電室和中性化板的組成元素，由于劑量大，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，它們會(huì)以微量氧化物的形式覆在材料表面，Si來(lái)自于試驗(yàn)中粘接所使用的鍍鋁膠帶和室溫固化硅橡膠(RTV)，C源自于操作過(guò)程中的材料表面污染。鍍層厚度為2～3 μm的銀鍍金互連片表面能夠耐受15年劑量原子氧環(huán)境考核。

3.2 側(cè)面原子氧侵蝕情況

為模擬銀鍍金互連片側(cè)面完全暴露在原子氧迎風(fēng)面情況下的剝蝕效應(yīng)(實(shí)際在軌不存在該工況)，試驗(yàn)中將雙面銀鍍金材料如圖6所示卷繞放置，即互連片側(cè)面受到原子氧撞擊面或迎風(fēng)面方向侵蝕。

不同劑量原子氧侵蝕后，樣品側(cè)面如圖6所示。可看出邊緣位置有一層黑色絮狀物覆蓋，說(shuō)明側(cè)面有一定厚度的銀發(fā)生反應(yīng)。在距邊緣27.11 μm、148.91 μm處分別進(jìn)行了斷面分析，如圖7(a)：距邊緣118.6 μm處，表面不再覆蓋氧化銀，且距邊緣148.91 μm處切開(kāi)的斷面與銀鍍金材料的狀態(tài)一致，圖7(b)所示；距邊緣27.11 μm處，銀鍍金材料鍍層結(jié)構(gòu)完整，鍍金層厚度2.77 μm，金層下方的銀基底部分致密未發(fā)生氧化反應(yīng)如圖7(c)所示。由此可以看出，經(jīng)過(guò)低軌15年劑量原子氧侵蝕后，材料邊緣氧化距離小于27.11 μm(受試驗(yàn)方法限制，可觀察到的最小距離，實(shí)際氧化距離應(yīng)小于27.11 μm)。

圖6 銀鍍金材料側(cè)面原子氧侵蝕后圖

注：cs表示在測(cè)量厚度時(shí)以觀測(cè)傾角折算，使厚度測(cè)量真實(shí)、準(zhǔn)確。

為考核在經(jīng)受15年劑量原子氧環(huán)境后側(cè)面剝蝕對(duì)雙面銀鍍金材料本身材料強(qiáng)度的影響，對(duì)試驗(yàn)前后的雙面銀鍍金材料進(jìn)行了拉力測(cè)試。樣品A1經(jīng)受15年劑量原子氧侵蝕，A2與A1為同批次材料，未經(jīng)原子氧侵蝕。拉力數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 雙面銀鍍金材料原子氧實(shí)驗(yàn)前后抗拉強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)

A1抗拉強(qiáng)度約176 MPa，而相同材質(zhì)及尺寸的對(duì)比樣品A2拉斷強(qiáng)度為173 MPa。說(shuō)明15年壽命原子氧對(duì)材料側(cè)面的剝蝕對(duì)材料本身抗拉強(qiáng)度無(wú)明顯影響，不影響互連片在軌壽命。

3.3 工程應(yīng)用結(jié)果和建議

經(jīng)理論計(jì)算及原子氧剝蝕試驗(yàn)驗(yàn)證，雙面銀鍍金互連片可有效提升耐空間原子氧剝蝕能力，對(duì)傳統(tǒng)銀互連片耐空間原子氧剝蝕有明顯加固效果，具備在軌15年原子氧侵蝕后的穩(wěn)定工作能力，可提升太陽(yáng)翼供配電系統(tǒng)在軌運(yùn)行的可靠性。為進(jìn)一步驗(yàn)證其空間環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)采用雙面銀鍍金互連片制作的太陽(yáng)電池組件進(jìn)行了溫度循環(huán)試驗(yàn)。按照某低軌太陽(yáng)翼設(shè)計(jì)壽命15年要求計(jì)算，溫度范圍-100 ℃～+100 ℃，高、低溫段分別保溫2 min，總計(jì)完成了88 000次溫度循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)后，互連片無(wú)扭曲、無(wú)形變、無(wú)斷裂，互連片與電池之間焊點(diǎn)完好，無(wú)脫焊，能夠適應(yīng)長(zhǎng)壽命溫度交變環(huán)境。

采用雙面銀鍍金材料研制的互連片成功應(yīng)用于2021年發(fā)射的載人航天器大功率柔性太陽(yáng)電池陣(見(jiàn)圖8)。

圖8 雙面銀鍍金互連片在柔性太陽(yáng)電池陣應(yīng)用

截止目前，某低軌長(zhǎng)壽命航天器已在軌穩(wěn)定運(yùn)行超一周年，初步驗(yàn)證了其在空間原子氧及其他多場(chǎng)耦合空間環(huán)境下的穩(wěn)定性。對(duì)于其他運(yùn)行于原子氧劑量較大軌道的衛(wèi)星和航天器太陽(yáng)陣，可采用雙面銀鍍金材質(zhì)互連片以增強(qiáng)耐原子氧剝蝕能力。試驗(yàn)證實(shí)，3 μm厚鍍金層在15年原子氧劑量剝蝕后導(dǎo)電能力仍有較大余量，因此，后續(xù)可以根據(jù)軌道特點(diǎn)適度改變鍍金層厚度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究雙面銀鍍金互連片，通過(guò)地面模擬原子氧實(shí)驗(yàn)，證明鍍層厚度為2～3 μm的銀鍍金互連片表面能夠耐受15年劑量原子氧環(huán)境考核。88 000次溫度循環(huán)后互連片無(wú)扭曲、變形，焊點(diǎn)無(wú)脫開(kāi)，證明了該互連片的空間熱環(huán)境適應(yīng)性。研究結(jié)果表明：雙面銀鍍金材料具有高可靠的耐原子氧剝蝕能力，可保障太陽(yáng)翼在軌穩(wěn)定供電，提升航天器供配電性能，并可為后續(xù)空間太陽(yáng)電池陣互連片及其他元器件耐原子氧侵蝕設(shè)計(jì)及選型提供參考和依據(jù)。