卫星导电铜箔接地性能退化机理研究

路 毅，王再成，张 彬，刘智斌，郑会明，杨春生

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

总体装配是卫星研制的主要阶段之一。根据俄罗斯航天部门的统计，总装工作占卫星总加工量的35%，总装质量将直接影响卫星整体性能[1]。在组成卫星的各系统中，仪器设备的电磁兼容性优劣是关系卫星能否实现高质量、长寿命的重要因素。在卫星上建立整星接地网是确保卫星电磁兼容性的重要举措，其中的关键是如何确保卫星接地网接地性能可靠。

卫星总装阶段建立的接地网主要涵盖接地线、搭接线、导电铜箔、舱板接地桩、舱构板铝蒙皮等。接地电阻是衡量卫星电磁兼容性的重要指标[2]。根据卫星电磁兼容性设计要求，在总装各个阶段应分别进行结构、仪器、设备接地电阻的测量。由于实际操作受到操作手法、测量方式等诸多因素影响，在建立接地网的过程中，经常发现接地阻值不能满足设计要求，其中一个重要的原因就是导电铜箔搭接的接触电阻过大。

本文对导电铜箔接地性能退化机理进行分析，并通过工艺优化改善接触电阻。

1 工况分析

卫星总装过程中，通过导电铜箔搭接的方式建立整星接地网，其他仪器设备按照接地要求与之相连，以保证它们具有相同的电位。搭接过程中如接触电阻超标，会使整星接地网铺设不合格，影响卫星的电性能。目前通过测量接触电阻可以定性地判断导电铜箔搭接的牢固性和可靠性，检查EMC 屏蔽的效果。导电铜箔搭接方式如图1所示。

目前使用的导电铜箔是一种由单面背敷导电聚丙烯胶的铜带制成的胶带，这种导电胶是带有均匀分布导电粒子的压敏胶。导电铜箔的性能指标见表1。

图1 导电铜箔搭接示意图Fig.1 Diagram of connection for conductive copper foil

表1 导电铜箔技术指标Table 1 Technical specifications of the conductive copper foil

目前还没有专门适用于导电铜箔搭接条件下测量接触电阻的物理模型。总装过程中，可以通过实地测量来摸索导电铜箔搭接的接触电阻的大致数值，从而采取必要的工艺措施保证导电铜箔搭接的接触电阻满足设计要求。

2 导电铜箔接触电阻退化机理

由图1可知，致使导电铜箔接触电阻退化的因素主要有两种，一种是铜箔电阻退化，另一种是导电胶电阻退化。因此，需要分别对两种退化方式的机理进行研究，以找出使导电铜箔接触电阻退化的主要因素。

2.1 铜箔电阻退化机理

铜箔的表面电阻会在温度、湿度、电应力综合作用下产生变化，从而引起绝缘失效。铜在干燥的空气中很稳定，但在潮湿的空气中，其表面会生成一层绿色的碱式碳酸铜（铜绿）。在高温下，铜可以跟氧气反应生成黑色的氧化铜[3]。

铜在空气中还受SO2、NO2、O3的腐蚀作用，不过它们最终留下的产物是氧化铜。铜表面在大气环境中生成的氧化膜厚度较大且强度高，难以被破坏，接触性能较差。膜层电阻是由接触件间的界面膜而产生的，其特性完全取决于界面膜的生成、性质和状态。影响膜层生长的因素有温度、湿度、金属种类、环境中的锈蚀媒介和扩散率等。

铜的接触电阻R1为

式中：Rc为铜自身电阻；Rf为膜层电阻；p为基底金属电阻率；d为圆形接触斑点直径；σf为膜层电阻率；r为圆形导电斑点半径。

在没有氧化膜时，可以认为r为无限大，即没有接触电阻；当有氧化膜时，r会越来越小，说明接触电阻变大；到氧化膜增加到一定厚度时，接触电阻为无穷大，相当于绝缘。

2.2 导电胶电阻退化机理

导电胶的电阻主要由体电阻和接触电阻组成。体电阻是由所添加金属颗粒的电阻率决定的，而电阻率基本不发生变化。由于导电胶的体电阻比接触电阻小得多[4]，所以其电阻的变化主要是由接触电阻引起的[4]。测试总电阻变化就能反映接触电阻的变化。导电胶电阻的计算公式为

式中：ρ为导电胶电阻率；w为导电胶的宽度；h为导电胶厚度；L为导电胶长度。对同一个样件来说，w、h、L是不变的，因此电阻率的变化反映电阻的变化。图2为导电胶电阻随温度变化曲线。由图2可知，导电胶在80～140 ℃时电阻比较小，即导电性能好，而在70 ℃时电阻比较大。

图2 导电胶电阻随温度变化曲线Fig.2 Resistance of the conductive adhesive against temperature

图3为导电胶电阻随时间变化曲线。由图3可见，导电胶的电阻在开始阶段波动较大，经过一段时间后呈缓慢减小趋势。导电胶厚度对其电阻也有一定的影响：在温度较高时，不同厚度的导电胶层电阻相差很大；而在温度较低时，不同厚度的导电胶层电阻相差不大。

图3 导电胶电阻随时间变化曲线Fig.3 Resistance of the conductive adhesive against time

3 加速试验验证

为了摸清使导电铜箔退化的主要因素，通过开展加速应力试验，模拟卫星总装环境条件下温湿度应力对导电铜箔接触电阻产生的影响。

3.1 加速模型

1）温度加速模型[5]

式中：Af(T)为温度加速系数；Eaa为活化能（1 eV = 1.60217646 ×10-19J）；k为Boltzmann 常量；Tu为正常使用的温度；Ta为加速条件下的温度。

2）湿度加速模型

式中：Af(RH)为湿度加速系数；x是经验数据；RHu为在正常情况下使用的相对湿度；RHa为加速条件下使用的相对湿度。

3）试验加速模型

即

3.2 试验数据

根据试验加速模型制作试验样板，分别在不同的温度、湿度条件下进行加速试验，试验数据汇总处理后，可以分别得到温度应力、湿度应力作用下导电铜箔接触电阻的变化曲线，如图4～ 图7所示。

图4 温度75 ºC、湿度65RH%条件下的试验数据Fig.4 Test data (temperature 75 ºC, humidity 65RH%)

图5 温度95 ºC、湿度65RH%条件下的试验数据Fig.5 Test data (temperature 95 ºC, Humidity 65RH%)

图6 温度95 ºC、湿度65RH%条件下的试验数据Fig.6 Test data (temperature 95 ºC, Humidity 65RH%)

图7 温度95 ºC、湿度85RH%条件下的试验数据Fig.7 Test data (temperature 95 ºC, Humidity 85RH%)

3.3 讨论与分析

从加速试验数据可以看出，在温度应力影响下，75 ℃时接触电阻随时间推移而增加，在95 ℃时接触电阻随时间推移减小。在湿度应力影响下，接触电阻随着时间推移缓慢减小。导电铜箔在温度应力影响下的接触电阻变化趋势与导电胶电阻随固化温度和固化时间的变化类似。因此，可以认为导电铜箔接地性能退化过程中，导电胶性能退化起主导作用，而铜箔电阻退化的影响并不明显。

4 工艺方法优化

为解决卫星导电铜箔接地性能退化的问题，选用铜箔表面不打磨、铜箔表面打磨、铜箔表面点焊[6]3 种工艺方法进行试验数据比对，以验证不同工艺方法对改善铜箔接触电阻退化的作用，以便最终确定适宜的改进方法。3 种工艺方法获得的接触电阻分别如图8～图10所示。

由图8～图10可知，在导电铜箔表面不打磨的情况下，接触电阻大于10 mΩ；在接触表面打磨充分的情况下，接触电阻明显降低至3.5 mΩ 左右；当对导电铜箔进行点焊时，接触电阻进一步降低至2.7 mΩ 左右（设计要求小于10 mΩ）。因此，建议整星接地网建立过程中对导电铜箔采取点焊的工艺方法。

图8 铜箔表面不打磨时的接触电阻Fig.8 Contact resistance of copper surface without grinding

图9 铜箔表面经打磨后的接触电阻Fig.9 Contact resistance of ground copper surface

图10 铜箔表面经点焊后的接触电阻Fig.10 Contact resistance of spot welded copper surface

5 结束语

本文研究了卫星导电铜箔接地性能退化机理，分别分析了铜箔与导电胶导电性能的退化过程，并通过加速试验验证了导电胶的性能退化起主导作用，进而开展工艺试验确定了行之有效的工艺措施，使接触电阻减小至符合卫星设计要求。经试验验证满足型号任务需求，为研制高可靠、长寿命卫星提供了保障。

（References）

[1]徐福祥.卫星工程概论[M].北京:中国宇航出版社, 2004:400

[2]GJB 2204A—2005 卫星总装通用规范[S]

[3]彭桂荣.铜基电接触材料氧化膜生长动力学与导通行为[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 1999

[4]陈党辉.微电子组装用导电胶长期可靠性的研究[D].西安:西安电子科技大学, 2002

[5]姜同敏.可靠性与寿命试验[M].北京:国防工业出版社, 2012:313

[6]QJ 3117A—2011 航天电子电气产品手工焊接工艺技术要求[S]