空间薄膜SAR天线阵面金属电路制备技术研究①

武海生，田桂芝，徐 挺，关 鑫，齐胜利，陈维强，刘 佳，黎 昱

(1.北京卫星制造厂有限公司，北京 100094；2.北京化工大学，北京 100029)

0 引言

空间SAR(合成孔径雷达)是先进军事侦察卫星、微波遥感卫星的关键载荷，能够实现全天时、,全天候、高分辨对地、对空观测，并可穿透地表获取地表下信息，用途非常广泛[1～3]。空间SAR的探测分辨率和探测面积与SAR天线阵面面积成正比[4]：为了满足高分辨率、大范围探测需求，新一代天基雷达卫星需装备大型高分辨率SAR天线，采用单体面积达到数百平米的多层柔性薄膜构型，薄膜结构表面具有金/银/铜等金属构成的复杂电路阵列作为天线辐射单元、馈电单元等功能组件，实现结构承载/电/介电多功能一体，参见图1。

图1 薄膜SAR天线阵面典型构型示意Fig.1 Typical configuration of Membrane SAR antenna

薄膜表面金属电路的制备质量，包括金属层厚度、金属电路尺寸精度、金属电路位置精度，以及金属层/薄膜结合力等，直接影响薄膜SAR天线的空间服役性能。本文针对薄膜SAR天线阵面金属电路提出一种基于聚酰亚胺薄膜表面自金属化原理的制备方法，并开展了初步探索研究。

1 薄膜天线阵面

SAR天线薄膜阵面，一般由聚酰亚胺(PI)薄膜结构及其表面金属电路阵列构成，充分发挥PI薄膜良好的耐空间环境、力学综合性能优势。为了克服聚酰亚胺薄膜热膨胀系数高、模量低、抗蠕变能力差等不足，工程上通常会采用同质PI纤维复合增强PI薄膜达到综合性能调控目的。金属电路位于PI薄膜表面(单面或双面)，一般采用Ag或Cu，考虑到地面存储时的有氧环境，通常会在Ag或Cu表面再增加一层抗氧化Au层。

早在1996年，美国NASA、加拿大CSA、德国DLR等单位先后开展了相关SAR薄膜天线阵面的研制工作，见图2。NASA的JPL实验室先后开展了L波段3.3m×1m、X波段φ1m、Ka波段φ3m，以及X波段10m×8m天线工程样机的研制工作。CSA在2006年采用Kapton®薄膜制备了1.1m×1.1m天线样机。DLR在2009年研制了P波段6m×1.4m天线样机[5～8]。2019年底，美国发射成功的R3D2卫星采用了“受电弓可展开高增益反射阵列”天线(P-DaHGR)，采用Kapton®PI薄膜制备，见图3。

图2 国外早期SAR薄膜天线研制情况 (顺时针方向NASA、CSA、DLR)Fig.2 Development of Membrane SAR antenna abroad (clockwise NASA、CSA、DLR)

图3 P-DaHGR薄膜天线地面展开照片Fig.3 Photograph of ground-deployed P-DaHGR membrane antenna

国内航天五院总体设计部、504所、中电科14所、航天八院805所等单位先后开展了薄膜SAR天线的研制工作，取得了一定成果。2012年，14所研制了6m×2m的L/C双波段薄膜阵列天线[9～11]；2017年，805所研制了5m×20m P波段SAR天线样机[12]，见图4。

图4 国内薄膜天线研制照片Fig.4 Photographs of domestic membrane antenna

通过文献考察可知，国内外各研究单位对空间SAR薄膜天线的研究热点主要集中在：薄膜阵面的展开/张紧机构设计(充气式机构、碳纤维复合材料储能结构等)、薄膜阵面抗皱折分析以及张拉方式设计(悬链边曲线设计、连接工艺等)、天线电性能评价等，对薄膜阵面本体及其金属电路制备的关注较少。

2 天线阵面金属电路制备方法

2.1 传统制备方法

文献报道的PI薄膜表面金属电路制备目前主要有两种方式：1)覆铜PI膜蚀刻法；2)表贴法。

覆铜PI膜蚀刻法，借鉴传统PCB电路制备工艺，主要是在覆铜PI膜的铜箔面，通过“打印”方式加工电路掩模图案，然后通过化学熔液蚀刻法，将掩模以外Cu层去除，剩下目标电路，参见图5。

图5 覆铜PI膜蚀刻法制备表面金属电路[12] (左，掩模制备；右，蚀刻后的金属电路图案)Fig.5 Preparation of surface metal circuit by copper- covered PI film etching process[12](Left，Mask preparation；Right，Etched metal circuits)

该方法属于“减成法”，技术成熟、稳定，但也具有一定的局限性：1)工序繁琐，制备效率低，涉及化学溶铜，环境污染性大。2)技术成熟的覆铜箔(电解箔)最小厚度在8um～12um，导致覆铜PI膜面密度大，重量代价大。3)覆铜PI膜，无论是2L构型还是3L构型，铜箔与PI膜之间的界面结合强度均难以满足空间高低温环境要求；4)现有覆铜PI膜的幅宽一般在500mm～600mm之间，制约高精度SAR天线阵面的大面积扩展。

表贴法，其原理是采用覆铜PI膜蚀刻法制备电路单元(patch)，然后将数百至数千不等的电路单元粘贴在大面积PI膜表面，形成天线电路阵列。该方法属于二次成型法，可以有效减低大面积天线制备技术风险，提高电路图案分布位置精度。但引入的二次胶接，不仅带来了结构重量的增加，胶粘剂自身也会对天线本体的介电特性、型面精度等造成不良影响。

2.2 聚酰亚胺膜表面自金属化法

面向PI薄膜，利用其表层分子链-酰亚胺基团在碱性条件下可以开环形成聚酰胺酸盐(PAA-M+)的特性，通过离子交换、化学还原等环节，在PI膜表面形成一层特定金属原子层，原理见下图[13～17]。

该方法较传统PI薄膜表面金属化法具有一定优势，表现在：

1)工艺可控性强，可扩展性好

整个工艺路线实施均在常温、常压环境，较物理溅射、真空蒸镀等物理方法，不会对PI薄膜及其复合材料造成温升影响，不需要真空环境，对PI薄膜的外形尺寸无限制，适合于大面积空间SAR薄膜天线制备。

2)金属层/PI膜结合性能优异

PI膜表面自金属化过程，通过分子链水解开环、离子交换、化学还原环节，实现了目标金属原子与PI表面高分子链的物理嵌连，形成微观纳米级扩散层，较常规覆铜PI膜的胶接、物理熔接，连接强度更高、更可靠。自金属化工艺能够用于超薄金属层(金属层厚度3um～5um)制备，降低对PI膜柔性基底的影响。

3)可实现金属电路图案“加成”制备，效率高

通过对PI薄膜表面选择性自金属化，可以实现不同金属电路图案的直接制备，省去传统PCB制备工艺中掩模等的制作环节，制备效率及可靠性更高。

3 PI薄膜表面自金属化试验

3.1 原材料

表1 原材料Table 1 Test materials

3.2 处理过程

处理工艺过程参见图6。

图6 PI膜表面自金属化原理示意Fig.6 Principle of surficial self-metallization of polyimide films

1)对200HN-PI膜表面用去离子水超声清洗，晾干备用；

2)在KOH溶液中加入适量增稠剂、润湿剂，搅拌均匀，备用；

3)对200HN-PI膜表面，用改装的注射器将KOH溶液匀速压出，同时按照电路图案匀速移动注射器，参见图7(a)，静置15～20min，确保涂覆KOH溶液部分的PI膜局部表面发生碱水解开环，形成聚酰亚胺酸钾；

4)将200HN-PI膜表面用去离子水冲洗干净；

5)将200HN-PI膜浸入AgNO3溶液，室温处理30min，使PI膜表面电路图案部分发生K+向Ag+离子交换；

6)将200HN-PI膜浸入碱性甲醛溶液中，PI膜表面电路图案部分Ag+被还原为Ag，PI薄膜表面酰亚胺环重新闭合，此时首层Ag原子镶嵌在PI膜表面分子链内部，其余部分Ag原子形成了宏观金属电路，见图7(d)。

采用相同方法，制备了典型天线金属电路图案单元，见图8。

图8 制备的PI膜天线阵面Ag电路单元 (左，理论电路图案，右，自金属化电路图案)Fig.8 Prepared Ag circuit unit on the PI film(Left，Design of circuit；Right，Physical circuit prepared)

3.3 结果与讨论

3.3.1 “加成型”金属化方法

基于聚酰亚胺自金属化原理，通过配置KOH稠溶液，结合注射器书写方式，利用离子交换-化学还原机理，在PI薄膜表面制备了Ag电路图案。

结果表明，该方法技术可行，Ag层/PI膜之间结合牢固，区别于传统覆铜PI膜蚀刻法，是一种高效、可靠的、新型“加成法”制备PI薄膜基柔性电路方法。

3.3.2 金属层厚度及其控制[18～21]

本文制备的PI膜表面金属Ag层厚度较薄，且厚度均匀性有待提高，在5μm～30μm之间。采用常规四探针法测得Ag层的电阻率在10-5Ω·cm级，根据趋肤效应公式，通过控制Ag层厚度，能够满足不同频段SAR天线电性能需求。

自金属化层厚度及其均匀性主要受PI膜表面离子交换负载量及其实施工艺影响。在自金属化层基础上，可以采用化学镀方式整体加厚金属层，化学镀较电镀，可以实现SAR天线电路阵列离散分布、不导通情况下电路金属层的整体、均匀加厚，且适用于非平面天线阵面。

3.3.3 金属层/PI薄膜结合力

对制备的金属Ag/PI薄膜实物，在-196℃/+100℃高低温下循环处理40次，Ag/PI薄膜结合良好，目视未见金属Ag层鼓泡、界面脱粘等不良现象。结果表明，自金属化方法制备的Ag/PI薄膜结合力能够满足耐空间高低温应用要求。

进一步对Ag/PI薄膜进行手工折弯试验，结果表明，Ag层基本不影响PI薄膜的折弯能力，这主要是因为金属层厚度小且非连续，对PI膜的宏观弯折刚度影响较小，该特性有利于空间薄膜SAR天线高折叠效率。

3.3.4 金属电路图案精度保证[22～26]

本文工作在电路图案精度方面有较大改进空间：首先，KOH增稠溶液与PI膜的表面接触特性需要进一步改善，降低二者固-液张力角，可以进一步提高金属图案的边缘界线准确程度。

其次，对于复杂、连续变宽度金属电路的制备，本文采用的“注射书写”方式不适合，难以实现图案并控制电路成形精度。后续面向大面积SAR薄膜天线阵面拟采用丝网印刷、辊印(或滚印)等方式，实现PI膜表面电路的高精度成形。

第三，本文采用了具有毒性的甲醛溶液作为还原剂，后续可以考虑采用次磷酸钠溶液，后者具有化学稳定、环保、反应温和可控等优势。

4 结论

本文面向空间薄膜SAR天线阵面金属电路制备需求，探索采用PI薄膜表面自金属化原理，加成制备金属电路图案，可以得到以下结论：

(1)自金属化技术路线能够实现PI薄膜表面Ag金属电路的加成制备，金属层电阻达到10-5Ω·cm；经过高低温循环试验，金属层与PI膜结合力良好；

(2)基于“注射书写”方式的PI膜表面金属电路图案制备精度有待提升；

(3)PI膜表面自金属化技术路线，有望实现在空间SAR薄膜天线阵面的工程化应用。