双面银镀金互连材料原子氧防护性能分析

苏彬 张伟 吴跃民 吴致丞 郝晓丽 于辉

(1 中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)(2 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

近地空间航天器太阳电池阵在轨运行过程中会受到包括粒子辐照、紫外辐照以及原子氧环境等空间环境的影响，对于低地球轨道(LEO)，空间环境主要由N2、O2、Ar、He、H和原子氧(AO)组成[1-3]，其中原子氧的含量最高，大约占80%。尽管原子氧的数密度很低(105～109/cm3)，但当航天器在轨道中以7～8 km/s的速度运行时，原子氧撞击航天器表面的能量约为5 eV，具有极强的氧化及剥蚀能力[4-5]。

对于设计寿命15年的低轨长寿命航天器，轨道高度约390 km，太阳电池阵工作温度-100 ℃～+90 ℃，在轨飞行期间的原子氧总累计通量约7.83×1026atoms/m2，对于如此大剂量的原子氧防护措施，国内尚未有飞行经验可以借鉴。太阳电池阵中通常采用金属材料的互连片实现单体太阳电池之间的电连接，以满足母线电压的需求。对于太阳电池互连片而言，最为常用的银互连片在原子氧环境中会发生剥蚀现象，使材料厚度变薄。严重时，在高低温交变情况下可能会导致互连片断裂，进而导致电路开路，影响太阳电池阵工作寿命。

美国NASA为了研究较长时间空间环境对材料的效应，发射了空间长期暴露试验装置(LDEF)[6-7]，于1984年4月由发现号航天飞机执行11次任务时(STS 41-C)带上太空，起始轨道高度约为470 km，与赤道有28.5°的倾角。1990年1月由哥伦比亚号航天飞机的第9次太空飞行任务(STS-32)取回，轨道高度已经衰退到296～361 km。累计在轨时间将近6年，LDEF上搭载了大量航天器材料。根据测试结果，从LDEF装置获得的结论可知，为满足低轨长寿命航天器太阳阵的设计寿命，常用的银互连片无法满足低轨长寿命航天器原子氧环境使用需求，为了使低轨道长寿命航天器太阳电池避免原子氧的剥蚀引起互连片故障，本文研制出一种耐15年原子氧剥蚀的互连片，使用Au层保护的方法抑制互连片基体被侵蚀，能够保证太阳电池阵在轨供配电稳定性。

1 太阳电池阵及互连片结构

太阳电池阵在轨期间直接面对原子氧的侵蚀，其表面结构如图1所示。最下层为太阳阵基板，基板表面为聚酰亚胺材料。通常，基板表面会涂覆一层耐原子氧侵蚀的涂层，防止基板在轨期间被原子氧侵蚀。基板上通过硅胶与太阳电池片粘在一起，太阳电池片表面封装抗辐照玻璃盖片，玻璃盖片起到抗空间粒子辐照的作用，玻璃的成分为二氧化硅，物理化学性质较稳定，不与原子氧反应，起到了电池屏蔽原子氧侵蚀的作用。

图1 太阳电池片互连示意图

两片电池片之间通过互连片进行连接，为适应空间高低温循环环境，互连片需要做减应力处理。通常有立体减应力互连片和平面减应力互连片两种，在空间高低温极端环境下，两种类型互连片通过减应力结构的形变释放应力，从而保护焊点及互连片。

考虑到原子氧对于互连片的剥蚀，对于常用的银互连片而言，表面蒸镀一层化学性质稳定、不与原子氧反应的金属即可实现耐原子氧侵蚀的效果。金化学性质稳定，不与原子氧发生反应。金银两种金属物理特性相对比较接近，具体参数对比见表1。

表1 银、金材料相关材料参数

对于银镀金材料体系，银和金的电阻率低，导电性能好，热传导系数好，这一特性决定了焊接过程产生的热量不会因为特别集中而产生焊穿。另一方面，金银晶体结构相近，二者热膨胀系数相互匹配，在空间高低温交变环境中不会由于热膨胀系数的失配而导致过大热应力产生。因此，银镀金互连片是一种防原子氧侵蚀的理想方案。

在轨飞行时，太阳电池阵银镀金材料正面处在原子氧迎风面，镀金层可以有效的起到保护银基底的效果。传统的单面银镀金太阳电池互连片，已成功应用于一些典型型号，但这些型号设计寿命远低于15年。因此，需要对互连片进行重新设计，并充分验证其长寿命运行可行性。

为满足低轨长寿命航天器对于防原子氧侵蚀的需求，在成熟产品设计状态及工艺基础上，将银互连片表面改为镀金材料，为了进一步防止原子氧对背面银镀金层的侵蚀，设计双面镀金互连材料，镀金层厚度为3～4 μm。如图2所示，采用磁偏转式电子束真空镀膜技术，在高真空环境中将金靶材进行蒸发，使其沉积在25 μm厚银箔表面，对银箔表面的正反两面分别进行蒸镀。

图2 银镀金材料结构示意图

互连片成型加工采用的是金属冲压的方式，靠压力机和模具对银镀金材料施加外力，使之分离，从而获得互连片工件。因此，互连片上下表面为镀金材料，而侧面中间层为纯银材料，互连片上下表面以及侧面的耐原子氧侵蚀程度均会影响互连片在轨稳定性及使用寿命。

2 评价方法

2.1 理论计算

2.1.1 金银界面扩散深度计算

金属原子无时无刻不在做无规则的运动，而且原子与原子之间的空隙非常大，所以互连片金银分界层两边的原子可以相互渗透[8-10]。在空间环境光照情况下，互连片温度升高，原子运动速率加快，增加扩散速率。为了探究互连片表面是否会有银原子扩散出来，通过建模计算了银原子在银、金界面的扩散距离。

Ag在Au中发生扩散的模型见图3所示。模型中，以Ag/Au的接触界面为坐标原点(x=0)。以t作为时间，利用菲克第二扩散定律[11]，按照在轨15年寿命计算，不考虑空间飞行器进入地球背阳面和向阳面的循环，即假设其完全处于110 ℃，通过计算可知，Ag在Au中扩散距离约为x=0.016 62 μm。对于3～4 μm的镀金层，银的渗透深度不足镀层厚度的千分之一，银渗透至材料表面的影响可忽略不计。

注：C1为界面基体侧Ag含量，C2为界面镀层侧Ag含量。

2.1.2 互连片侧面原子氧侵蚀量计算

互连片仅上下表面有镀金层，侧面中间无金层防护。当太阳电池阵侧面处于原子氧迎风面时，互连片材料侧面裸露的银会在原子氧作用下产生剥蚀现象。考虑极端情况下，即15年寿命期间，太阳翼侧面均处于垂直于原子氧迎风面的状态飞行，互连片侧面接受到的原子氧累计通量将达到7.83×1026atoms/m2，根据LDEF的飞行试验数据，平面金属银膜的反应系数(剥蚀量)2.9×10-26cm3/atom，带立体减应力环的银材料反应系数(剥蚀量)27.5×10-26cm3/atom。以平面结构减应力互连片为例，银的剥蚀深度为23 μm，占互连片单条宽度的2%，剥蚀后互连片的载流能力依然有冗余，远大于单片电池最大额定承载电流，可以满足寿命末期电连接需求。

2.2 原子氧侵蚀试验

为充分验证加厚双面镀金互连片防原子氧剥蚀的有效性，开展了15年原子氧环境寿命试验，以探究双面银镀金互连片的耐原子氧能力。试验采用的双面银镀金材料镀金层厚度为2～3 μm(单面镀金层厚度)，试验总通量为在轨飞行15年期间的原子氧总累积量7.83×1026atoms/m2，原子氧通量密度为1.50×1020atoms/(m2·s)，试验分阶段进行，在分别达到原子氧累积1年、2年、5年、7年、10年、15年剂量后，取出部分样品进行分析，其余样品继续进行试验。

互连片材料样品分两种状态，一种镀金面处于迎风面；一种侧面处于迎风面。对于镀金面处于迎风面样品，为模拟互连片在温度交变过程中产生的形变量，以及充分考验互连片的耐原子氧特性和镀层的牢固度，在试验前已将样品拉伸0.2 mm(根据柔性太阳电池阵仿真分析结果，互连片在轨因温度交变受到的最大拉伸距离为0.07 mm)。对于侧面处于迎风面样品，为验证后续加工对银镀金材料侧面的影响，将6.5 mm×70 mm长条形状的银镀金材料，按长边方向卷成卷状后材料侧面的一条长边朝向原子氧迎风面。

3 试验结果与讨论

3.1 互连片正面原子氧侵蚀情况

在每一阶段试验结束后均进行光学显微镜观察，随着原子氧剂量的增加，设备放电室里的少量元素的氧化物粘在材料上，因其成分比例不同，吸收光波长不同，显微镜下互连片的颜色有所差别。

双面银镀金互连片在试验前以及1年剂量、2年剂量、5年剂量、7年剂量、10年剂量以及15年剂量原子氧侵蚀后，表面形貌变化光学显微镜图像如图4所示。每次观察调节光学显微镜的白平衡均有略微差别，光线情况有所不同，颜色有所差别。从形貌来判断，试验前，互连片表面金层平整致密，具有一定的纹路。随着原子氧侵蚀剂量的增加，于表面会积存少量飘落在其上的氧化物颗粒，即互连片表面有不同颜色的点状物，后续通过表面材料分析可验证。但互连片镀金层在试验后表面均未被剥蚀，未有破损点。从光学显微镜结果初步判断，试验过程中镀金层表面未发生明显变化。

图4 双面银镀金互连片原子氧剥蚀前后表面状态变化

为进一步验证原子氧侵蚀试验后互连片表面的点状物的成分，对15年剂量侵蚀后后的样品表面进行了能谱分析，以试验前的互连片作为参照，样品表面能谱(EDS)分析如图5所示。

图5 15年原子氧剂量剥蚀前后表面能谱分析

双面银镀金互连片镀金层的能谱分析结果显示，试验前表面主要是金元素，占比95.59%，氧元素为4.41%。试验后镀金层表面元素及百分比如图5(b)所示，未检测到银元素，首先说明银基材未扩散到互连片金镀层表面，此外，金镀层起到了屏蔽原子氧与银基材反应的作用。在试验后其表面出现了部分元素，其中的Fe、Ni、Cr均是原子氧模拟试验设备里放电室和中性化板的组成元素，由于剂量大，试验时间长，它们会以微量氧化物的形式覆在材料表面，Si来自于试验中粘接所使用的镀铝胶带和室温固化硅橡胶(RTV)，C源自于操作过程中的材料表面污染。镀层厚度为2～3 μm的银镀金互连片表面能够耐受15年剂量原子氧环境考核。

3.2 侧面原子氧侵蚀情况

为模拟银镀金互连片侧面完全暴露在原子氧迎风面情况下的剥蚀效应(实际在轨不存在该工况)，试验中将双面银镀金材料如图6所示卷绕放置，即互连片侧面受到原子氧撞击面或迎风面方向侵蚀。

不同剂量原子氧侵蚀后，样品侧面如图6所示。可看出边缘位置有一层黑色絮状物覆盖，说明侧面有一定厚度的银发生反应。在距边缘27.11 μm、148.91 μm处分别进行了断面分析，如图7(a)：距边缘118.6 μm处，表面不再覆盖氧化银，且距边缘148.91 μm处切开的断面与银镀金材料的状态一致，图7(b)所示；距边缘27.11 μm处，银镀金材料镀层结构完整，镀金层厚度2.77 μm，金层下方的银基底部分致密未发生氧化反应如图7(c)所示。由此可以看出，经过低轨15年剂量原子氧侵蚀后，材料边缘氧化距离小于27.11 μm(受试验方法限制，可观察到的最小距离，实际氧化距离应小于27.11 μm)。

图6 银镀金材料侧面原子氧侵蚀后图

注：cs表示在测量厚度时以观测倾角折算，使厚度测量真实、准确。

为考核在经受15年剂量原子氧环境后侧面剥蚀对双面银镀金材料本身材料强度的影响，对试验前后的双面银镀金材料进行了拉力测试。样品A1经受15年剂量原子氧侵蚀，A2与A1为同批次材料，未经原子氧侵蚀。拉力数据见表2。

表2 双面银镀金材料原子氧实验前后抗拉强度测试数据

A1抗拉强度约176 MPa，而相同材质及尺寸的对比样品A2拉断强度为173 MPa。说明15年寿命原子氧对材料侧面的剥蚀对材料本身抗拉强度无明显影响，不影响互连片在轨寿命。

3.3 工程应用结果和建议

经理论计算及原子氧剥蚀试验验证，双面银镀金互连片可有效提升耐空间原子氧剥蚀能力，对传统银互连片耐空间原子氧剥蚀有明显加固效果，具备在轨15年原子氧侵蚀后的稳定工作能力，可提升太阳翼供配电系统在轨运行的可靠性。为进一步验证其空间环境适应性，对采用双面银镀金互连片制作的太阳电池组件进行了温度循环试验。按照某低轨太阳翼设计寿命15年要求计算，温度范围-100 ℃～+100 ℃，高、低温段分别保温2 min，总计完成了88 000次温度循环试验。试验后，互连片无扭曲、无形变、无断裂，互连片与电池之间焊点完好，无脱焊，能够适应长寿命温度交变环境。

采用双面银镀金材料研制的互连片成功应用于2021年发射的载人航天器大功率柔性太阳电池阵(见图8)。

图8 双面银镀金互连片在柔性太阳电池阵应用

截止目前，某低轨长寿命航天器已在轨稳定运行超一周年，初步验证了其在空间原子氧及其他多场耦合空间环境下的稳定性。对于其他运行于原子氧剂量较大轨道的卫星和航天器太阳阵，可采用双面银镀金材质互连片以增强耐原子氧剥蚀能力。试验证实，3 μm厚镀金层在15年原子氧剂量剥蚀后导电能力仍有较大余量，因此，后续可以根据轨道特点适度改变镀金层厚度。

4 结束语

本文研究双面银镀金互连片，通过地面模拟原子氧实验，证明镀层厚度为2～3 μm的银镀金互连片表面能够耐受15年剂量原子氧环境考核。88 000次温度循环后互连片无扭曲、变形，焊点无脱开，证明了该互连片的空间热环境适应性。研究结果表明：双面银镀金材料具有高可靠的耐原子氧剥蚀能力，可保障太阳翼在轨稳定供电，提升航天器供配电性能，并可为后续空间太阳电池阵互连片及其他元器件耐原子氧侵蚀设计及选型提供参考和依据。