一种太阳翼印制电路基板及其制备方法与应用与流程

1.本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种太阳翼印制电路基板及其制备方法与应用。


背景技术：

2.太阳翼是航天器主要供电装置，目前广泛使用的有刚性、半刚性和刚柔性基板折叠式太阳翼。上述太阳翼存在以下问题：
3.1.基板与电池的连接采用胶接，电池之间的串、并联采用互连片和汇流条焊接，这种大面积的电池胶接和大量互连片和汇流条焊接的方法造成的故障常有发生，严重降低电池电路的可靠性。
4.2.相关技术中所用刚柔基板的柔性太阳翼采用有机硅胶等防护层，只能抗原子氧，无静电释放和降低电池工作温度的能力，仅能适用于低轨道(不能满足高轨道中静电释放要求)。
5.3.重量较重(每平方米可贴电池面积的重量一般为1.4kg～2.5kg)且收拢后的包络尺寸较大(一般单块板厚度为25.4mm)。
6.随着航天技术的发展，大型航天器的功率需求越来越大，从而需要太阳电池翼的面积越来越大，在大面积太阳电池翼上如仍采用传统的基板，将会面临由于存在上述三个问题而不能满足航天器系统设计要求的问题。
7.因此，需要开发一种太阳翼印制电路基板，该太阳翼印制电路基板重量轻且可靠性高。


技术实现要素：

8.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种太阳翼印制电路基板，该电路基板重量轻且可靠性高。
9.本发明还提供了上述太阳翼印制电路基板的制备方法。
10.本发明还提供了上述太阳翼印制电路基板在制备柔性太阳翼中的应用。
11.本发明还提供了上述柔性太阳翼在制备空间飞行器中的应用。
12.本发明第一方面提供了一种太阳翼印制电路基板，包括依次设置的镀锗层ⅰ、衬底层、增强层、基材层、印制电路层、覆盖层和镀锗层ⅱ；
13.所述印制电路层上设有若干个焊盘；
14.所述覆盖层和所述镀锗层ⅱ的厚度方向设有刻蚀至所述焊盘的通孔结构；
15.所述通孔结构与所述焊盘对应设置；
16.所述衬底层、基材层和覆盖层均独立选自聚酰亚胺膜；
17.所述太阳翼印制电路基板为柔性印制电路基板；
18.所述柔性印制电路基板的曲率半径小于30mm。
19.本发明的太阳翼印制电路基板，至少具有以下有益效果：
20.本发明的太阳翼印制电路基板采用全柔性材料，基板的曲率半径＜30mm；实现了太阳翼印制电路基板的卷迭收拢，减少了收拢包络尺寸，减轻了结构重量，保护了太阳电池适应发射力学环境。
21.镀锗层ⅰ和镀锗层ⅱ为太阳翼印制电路基板提供了抗原子氧、电绝缘和静电释放的能力，同时还可以降低电池在轨工作温度，使得该太阳翼印制电路基板适用于高低轨道。
22.根据本发明的一些实施方式，所述焊盘与太阳电池相连接。
23.根据本发明的一些实施方式，所述焊盘通过若干互联线相连接。
24.根据本发明的一些实施方式，所述互联线的电流汇聚于汇流线中。
25.根据本发明的一些实施方式，所述印制电路层的厚度为15.0μm～40.0μm。
26.本发明的印制电路层，通过焊盘与太阳电池相连接，同时在印制电路层中设置有互联线和汇流线，实现了对整个太阳电池电路的全部线路的覆盖(即串、并联电池的互联片、汇流条、模块内电缆和模块间电缆)，因此大幅提高了电池电路的可靠性和单位重量的可贴电池面积。
27.同时本发明中通过若干个焊盘、若干个互联线和汇流线形成单个模块电路；再由若干个模块电路形成印制电路大模块；最终由印制电路大模块形成太阳翼印制电路基板电路。其中单个模块的数目由太阳翼印制电路基板最终的功率和尺寸决定。
28.通过模块化电路设计实现了太阳翼印制电路基板的产品化和标准化，提高了整个太阳翼印制电路基板的质量。
29.根据本发明的一些实施方式，所述镀锗层ⅰ和镀锗层ⅱ的厚度都为30nm～50nm。该厚度的锗膜能抗低轨原子氧至少15年。
30.根据本发明的一些实施方式，所述镀锗层ⅰ和镀锗层ⅱ的电阻率为1
×
107ω
·
m～1
×
108ω
·
m。
31.该锗膜电阻率满足了低轨道(卫星飞行高度小于1000公里)、中高轨道(卫星飞行高度在1000公里到20000公里之间)和高轨道(卫星飞行高度大于20000公里)空间飞行器太阳翼基板的电绝缘和静电释放要求。
32.根据本发明的一些实施方式，所述镀锗层ⅰ和镀锗层ⅱ的吸收率为0.4～0.5。锗膜吸收率(αs，又称太阳吸收比，即吸收的太阳辐射能通量与入射的太阳辐射能通量之比)较低，降低了电池工作温度。
33.根据本发明的一些实施方式，所述衬底层、基材层和覆盖层均独立选自聚酰亚胺膜。
34.根据本发明的一些实施方式，所述衬底层的厚度为8.0μm～15.0μm。
35.根据本发明的一些实施方式，所述基材层的厚度为12.5μm～25.0μm。
36.根据本发明的一些实施方式，所述覆盖层的厚度为12.5μm～25.0μm。
37.根据本发明的一些实施方式，所述增强层的制备原料包括增强纤维和树脂中的至少一种。
38.根据本发明的一些实施方式，所述树脂包括耐高温树脂。
39.根据本发明的一些实施方式，所述耐高温树脂包括改性有机硅树脂。
40.根据本发明的一些实施方式，所述增强纤维包括玻璃纤维或kevlar(凯夫拉)纤维中的至少一种。
41.根据本发明的一些实施方式，所述增强层的厚度为50μm～150μm。
42.本发明的第二方面提供了上述太阳翼印制电路基板的制备方法，包括以下步骤：
43.s1、在所述衬底层表面生长镀锗层ⅰ，得第一组件；在所述基材层表面热压胶接印制电路层，得第二组件；在所述覆盖层表面生长镀锗层ⅱ，得第三组件；
44.s2、按照镀锗层ⅰ、衬底层、增强层、基材层、印制电路层、覆盖层和镀锗层ⅱ的排列顺序，将所述第一组件、增强层、第二组件和第三组件热压固化。
45.根据本发明的一些实施方式，所述镀锗层ⅰ和所述镀锗层ⅱ的生长方式均为真空溅射。
46.根据本发明的一些实施方式，所述真空溅射的真空度为2
×
10-3
pa～4
×
10-3
pa。
47.根据本发明的一些实施方式，所述真空溅射的靶材为锗材。
48.根据本发明的一些实施方式，步骤s2中所述热压固化的温度为190℃～200℃。
49.根据本发明的一些实施方式，步骤s2中所述热压固化的压力为1mpa～2mpa。
50.根据本发明的一些实施方式，步骤s2中所述热压固化的时间为2h～3h。
51.本发明第三方面提供了上述太阳翼印制电路基板在制备柔性太阳翼中的应用。
52.本发明第四方面提供了上述柔性太阳翼在制备空间飞行器中的应用。
53.根据本发明的一些实施方式，所述空间飞行器包括人造地球卫星、空间探测器和载人航天器。
54.根据本发明至少一种实施方式，本发明的技术方案至少具备如下有益效果：
55.本发明实现了太阳翼基板的全柔性化，保证了太阳翼的卷迭收拢，减小了收拢状态包络尺寸、减轻了结构重量和保护了电池适应发射力学环境。使同样体积和重量的空间飞行器具有更高的功率，携带了更多的有效载荷，节省了空间飞行器成本及发射费用。
56.本发明的太阳翼印制电路基板中的全部线路都采用印制电路，减少了相关技术中非印制电路焊接可能造成的故障风险，提高了电池电路的可靠性。
57.模块化设计适应了太阳翼的各种功率和尺寸需求；同时通过基本模块的产品化和标准化，提高了产品质量。
58.该太阳翼印制电路基板的正面和背面均存在镀锗层(40nm～50nm)，抗低轨原子氧寿命达15年；锗膜电阻率1
×
107ωm～1
×
108ωm满足了电绝缘和静电释放要求，在高、低轨道都适用；锗膜吸收率低(αs为0.40～0.50)，降低了太阳翼中太阳电池的在轨工作温度。
59.本发明的太阳翼印制电路基板与太阳电池的接口仅为焊盘焊接，提高了电池电路的可靠性；接口为焊盘焊接，工艺过程简单，生产效率高，适应了大规模自动化生产线的需求。
附图说明
60.图1为本发明实施方式中太阳翼印制电路基板的结构示意图；
61.图2为本发明实施方式中印制电路层中基本单元的结构示意图；
62.图3为本发明实施方式中印刷电路层组件单元的结构示意图；
63.图4为本发明实施方式中印制电路层模块单元的结构示意图；
64.附图标记：
65.100、镀锗层ⅰ；101、衬底层；102、增强层；103、基材层；104、印制电路层；105、覆盖
层；106、镀锗层ⅱ；
66.200、焊盘；201、横向互联线；202、纵向互联线；203、汇流线；
67.301、印制电路电缆；302、电缆焊盘。
具体实施方式
68.以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
69.本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
70.下面详细描述本发明的具体实施例。
71.实施例1
72.本实施例为一种柔性太阳翼印制电路基板及其制备方法。
73.本实施例中的太阳翼印制电路基板，包括如图1所示的结构：镀锗层ⅰ100；镀锗层ⅰ100表面设有衬底层101；衬底层101表面设有增强层102；增强层102表面设有基材层103；基材层103表面设有印制电路层104；印制电路层104表面设有覆盖层105；覆盖层105表面设有镀锗层ⅱ106；
74.印制电路层104由若干个如图2所示的基本单元组成和若干个印制电路电缆组成；
75.每个基本单元设有焊盘200，焊盘200通过横向互联线201和若干根纵向互联线202相连接；若干个横向互联线201和若干根纵向互联线202中的电流通过汇流线203引出。
76.若干个基本单元形成如图3所示的组件单元。
77.若干个组件单元中的电流汇聚到如图4所示的印制电路电缆301中，最终通过电缆焊盘302与外部电路连接。本实施例中的模块单元结构示意图如图3所示，由若干个如图2所示的组件单元组成。
78.镀锗层ⅰ100的厚度为45nm，αs为0.45；衬底层101为聚酰亚胺层(厚度为10μm)；增强层102的材质为kevlar纤维(厚度为100μm)；基材层103为聚酰亚胺层(厚度为15μm)；印制电路层104的材质为铜(厚度为18μm)；覆盖层105为聚酰亚胺层(厚度为15μm)；镀锗层ⅱ106的厚度为45nm，αs为0.45。
79.本实施例太阳翼印制电路基板的曲率半径为25mm。
80.本实施例中的太阳翼印制电路基板的方法，包括以下步骤：
81.s1、在衬底层101表面生长镀锗层ⅰ100，得第一组件；
82.在基材层103表面热压胶接印制电路层104，得第二组件；
83.在覆盖层105表面生长镀锗层ⅱ106，得第三组件；
84.s2、按照镀锗层ⅰ100、衬底层101、增强层102、基材层103、印制电路层104、覆盖层105和镀锗层ⅱ106的排列顺序，将第一组件、增强层、第二组件和第三组件热压固化；
85.s3、在第三组件表面刻蚀至焊盘表面的通孔。
86.镀锗层ⅰ100和镀锗层ⅱ106的生长方式均独立选自真空溅射。
87.真空溅射的真空度为3
×
10-3
pa。
88.真空溅射的靶材为99.99％的高纯锗板。
89.步骤s2中热压固化的温度为190℃。
90.步骤s2中热压固化的压力为1.5mpa。
91.步骤s2中热压固化的时间为2h。
92.第二组件的成型方式包括以下步骤：
93.将铜箔和聚酰亚胺薄膜清洗后，热压成型(热压压力为1mpa，热压温度为200℃，时间为1h)；其中，中间的聚酰亚胺薄膜层厚21.1μm，铜箔的厚度为18μm；
94.在覆铜面上贴干膜，干膜由聚乙烯保护膜、光致抗蚀刻膜和载体聚酯薄膜三层膜顺序组合而成。本实施例干膜采用日立公司生产的h-y920干膜，厚度为20um，热压压力4kg/cm2，速度1m/min，辊轮温度110℃，使聚酯薄膜与覆铜层接触。
95.曝光显影：将菲林药膜面紧贴曝光面聚乙烯保护膜，按图4所示的结构进行曝光处理，在图4所示区域以外的无掩蔽光致抗蚀刻膜在真空环境中紫外光照射下，发生交联聚合反应形成抗酸性蚀刻层，再将曝光中未发生交联聚合反应的干膜在显影溶液中去除并按现有技术清洗干净板面，形成如图4所示的结构，使图4所示结构以外的区域上的覆铜层被裸露；曝光能量60j/cm2，显影液为na2co3溶液，体积浓度1.1％，显影速度2.2m/min；
96.蚀刻：将显影后裸露出来的覆铜层放在蚀刻液中发生化学反应去除掉，，使聚酰亚胺层被裸露；蚀刻液体积浓度为含有31％的hcl，21％的naclo3，其余为水；蚀刻过程中控制蚀刻溶液的cu
2
含量160g/l，酸度2.0n，温度52℃，速度在2.8m/min；
97.脱膜：褪膜清洗，去除蚀刻后的光致抗蚀刻膜，并按现有技术清洗板面；具体为在naoh溶液中将发生聚合交联反应的干膜从覆铜基材表面去除并清洗干净，naoh溶液体积浓度为4％，温度55℃，速度1.8m/min；
98.打孔：采用激光器打孔，第一次在聚酰亚胺层上打孔，打孔位置为图4中焊盘位置，频率100hz，能量9mj，脉宽11ms，去除孔内绝大部分聚酰亚胺层介质材料，第二次在聚酰亚胺层原孔位上打孔，采用频率100hz，能量3mj，脉宽4ms，去除孔底部残渣。
99.太阳翼印制电路基板制作完成后，在焊盘位置涂覆钖膏后与柔性太阳电池焊接，形成柔性太阳翼。
100.以32平方米可贴电池面积太阳翼计，全柔性印制电路基板及其相关结构的收拢包络为相关技术中太阳翼基板的20％(减小了80％)。单位面积印制电路基板及其相关结构的重量是最轻刚性太阳翼基板的一半(减少了50％)；单位面积贴柔性电池后的印制电路基板(太阳板)及其相关结构的重量是最轻刚性太阳翼太阳板的40％(减少了60％)。
101.实施例2
102.本实施例为一种柔性太阳翼印制电路基板及其制备方法。
103.本实施的柔性太阳翼印制电路基板与实施例1的差异在于：
104.本实施例中镀锗层ⅰ100的厚度为45nm，αs为0.45；衬底层101为聚酰亚胺层(厚度为15μm)；增强层102的材质为kevlar纤维(厚度为120μm)；基材层103为聚酰亚胺层(厚度为15μm)；印制电路层104的材质为铜(厚度为18μm)；覆盖层105为聚酰亚胺层(厚度为15μm)；
镀锗层ⅱ106的厚度为45nm，αs为0.45。
105.本实施例太阳翼印制电路基板的曲率半径为28mm。
106.实施例3
107.本实施例为一种柔性太阳翼印制电路基板及其制备方法。
108.本实施的柔性太阳翼印制电路基板与实施例1的差异在于：
109.本实施例中镀锗层ⅰ100的厚度为45nm，αs为0.45；衬底层101为聚酰亚胺层(厚度为15μm)；增强层102的材质为kevlar纤维(厚度为50μm)；基材层103为聚酰亚胺层(厚度为15μm)；印制电路层104的材质为铜(厚度为18μm)；覆盖层105为聚酰亚胺层(厚度为15μm)；镀锗层ⅱ106的厚度为45nm，αs为0.45。
110.本实施例太阳翼印制电路基板的曲率半径为15mm。
111.本发明实施方式中电池电路基板中电路的全部线路都采用印制电路，以20mm
×
40mm三结砷化镓电池、母线电压48v计，相对于非印制电路能减少焊点200个/m2(焊点失效率0.05
×
10-9
/h)，减少了焊接可能造成的故障，提高了电池电路的可靠性。
112.综上所述，本发明的太阳翼柔性印制电路基板采用全柔性结构，基板的曲率半径小于30mm；实现了基板的卷迭收拢，减少了收拢包络尺寸(减少了80％)，减轻了结构重量(减少了50％)，保护了太阳电池适应发射力学环境。本发明的印制电路层覆盖了电池电路中的全部线路(电池间串联和并联的互联片和汇流条、电池电路模块的模块内电缆和模块间电缆)；大大增加了电池电路的可靠性和单位重量的可贴电池面积。本发明通过模块化设计，即太阳翼印制电路基板由多个完全相同的印制电路大模块组成，每个大模块又包括许多完全相同的基本模块。适应了各种功率和尺寸需求，基本模块的产品化和标准化，提高了太阳翼印制电路基板的质量。镀锗层ⅰ和镀锗层ⅱ为太阳翼印制电路基板提供了抗原子氧、电绝缘、静电释放和降低电池工作温度的能力。
113.上面结合具体实施方式对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。