耐空间环境的航天器刚挠板设计与工艺验证.pdf

结合航天应用需求，设计了一种聚酰亚胺基的刚挠板。对刚挠板的选材、接插方式进行了研究，连接部位采用接插件形式，可以提供较高的电气、机械连接可靠性。通过外形检查、金相剖切等手段，研究了焊接温度、返修次数对刚挠板装联质量的影响，3种焊接温度下均未对刚挠板造成损伤，在保证焊透率的前提下，焊接温度可以低至260，返修次数建议少于3次。按照航天电子产品质量标准要求，对焊接及返修工艺样品进行了模拟空间环境试验，抗挠曲性能达到5 000次。关键词：刚挠板；焊接；返修；航天器中图分类号：TN605文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）03-0009-04Abstract:Polyimide-based rigid-fl exible printed boards are designed for aerospace application demand.The materials selection and connection manners are considered.The connection part adopts the form of connector,which can provide high electrical and mechanical connection reliability.By means of appearance inspection and metallographic sectioning,the influences of soldering temperature and repair-time for the corresponding FPC quality are studied.The rigid-flexible printed boards are not damaged under the three soldering temperatures.On the premise of ensuring full-penetration,the soldering temperature can be as low as 260,and the repair times are recommended to be less than 3.According to the quality standard of aerospace electronic products,the soldering and repair process samples are tested in simulated space environment,and the defl ection resistance reached 5 000 times.Keywords:rigid-fl exible printed board;soldering;repair;spacecraft Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)03-0009-04耐空间环境的航天器刚挠板设计与工艺验证Design and Process Validation for Space Environmental Rigid-Flexible Rrinted Board陈材，祁俊峰，杨猛，张彬彬CHEN Cai,QI Junfeng,YANG Meng,ZHANG Binbin（中国空间技术研究院北京卫星制造厂有限公司，北京 100190）(Beijing Spacecraft,China Academy of Space Technology,Beijing 100190,China)0 引言目前，刚挠板在航空、航天和军事领域中已有较多应用1-2。如美国Fluke Corp公司的红外成像系统中应用了刚挠板，比采用普通刚性印制板+焊线技术制作的成像系统在空间体积方面降低50%，在质量方面减轻95%。在民用领域，刚挠板的应用也非常广泛。将刚挠板制作成传感器，作为电信号导体应用在运动部件中（发电机、机械手臂等）。在刚挠板上组装芯片、电阻电容等元件构成功能组件，从而大幅扩展刚挠板的功能，有利于提高电子产品性能，并实现轻量化与高密度。另外，利用刚挠板可以实现多种信号传输，如刚挠板中部埋入波导光纤，在外部制作铜线，可以同时可靠高质量地传输光信号和电信号。基金项目：装发预先研究项目（5 0 9 2 3 0 3 0 9 0 1）。作者简介：陈材（1 9 8 3-），男，博士，高级工程师，研究方向为电子封装技术、3 D 打印技术。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.03.003微组装技术S MT P C B 2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology10在航天器小型化、轻量化的发展趋势下，要求进一步提升电子单机的装联密度。如果仍采用传统焊线的方式传输电气信号，会使供配电单机板间焊线密集、走线空间狭窄，不方便操作者焊接且容易出现接线错误；焊线在喷漆后变硬易造成焊线根部应力集中，车间生产过程中母板间频繁移动时容易使线缆根部发生疲劳断线。刚挠板具有可移动、弯曲、扭转、三维布线性能，采用刚挠板代替传统焊线，可以提供快捷、高可靠的电气连接，最大限度地缩小电路模块所占体积，减轻整机质量，并使焊点数减半，提高板间连接的可靠性3-5。刚挠板装联过程中，由于刚挠板各层材料的耐热性、热膨胀系数存在差异，在焊接热应力作用下可能导致分层或镀通孔破裂。装联温度越高，对刚挠板造成的损伤越大，需根据刚挠板材料、结构特点研究可靠的装联工艺6-7。同时，航天电子产品对返修次数有严格的规定，返修时电子产品反复承受热冲击，需明确返修次数对刚挠板焊点的影响。因此，本文根据航天产品应用环境特点，研究刚挠板选材和最优连接方式，开展刚挠板装联工艺研究和环境验证评价，对于推动刚挠板在航天电子产品中的应用具有积极的意义。1 试验研究刚挠板选材、连接方式，采用Altium Designer Summer 08软件进行电气布局设计。设计2种刚挠板，刚挠板A用作装联工艺及环境试验研究；刚挠板B（大尺寸）用作挠曲性能测试。装联工艺研究选用了3种不同的焊接温度：260、315 和370，焊接时间控制为23 s。焊接温度的设置参考ECSS-Q-ST-70-08C 高可靠电气连接的手工焊接、QJ 3011-1998航天电子电气产品焊接通用技术要求以及GJB 2446-95外壳定位超小型矩形电连接器总规范。ECSS-Q-ST-70-08C推荐的航天电子产品手工焊接温度为280350，根据具体情况，低于280 也可以使用，对于具有大面积接地铜层散热性强的可以使用380 的焊接温度。QJ 3011-1998推荐手工焊接温度一般为260300 范围内。GJB 2446-95推荐的连接器耐焊接热试验的烙铁加热温度为36010。焊接温度设置考虑了最大的工艺包络范围。焊接后进行金相剖切，利用光学显微镜观察焊透率及挠性板（FPC）完整性。FPC返修工艺按GB/T 4677-2002中9.2.4的规定，针对直径为1 mm的镀通孔，铜线直径为0.8 mm。每个孔准备一根铜线，长度以适合手工操作为宜。首先将铜线去漆搪锡，随后将铜线插入孔中并焊接，焊接温度为260。对铜线进行焊接，然后解焊，如此重复5次。对返修5次后的样品进行金相剖切，分析界面化合物生长情况及界面完整性，采用扫描电子显微镜自带的能谱仪（EDX）对界面化合物成分进行了分析。按照航天标准中关于航天器电子产品可靠性验证要求，对刚挠板组装件进行环境试验。样品包含三种焊接温度及返修温度的4种，每种样品数量为5个。热循环试验参数：温度范围为-65125；热循环变温速度为10/min；最高温/最低温时停留时间为15 min；循环次数为100个。振动试验是将刚挠板安装在工装上，对样品施加正弦振动。试验条件：频率范围为102 000 Hz；振动幅值为0.5g（g是重力加速度），0峰值；扫描速度为2 oct/min；方向为X，Y，Z三个方向。对经过环境试验后的样品外观进行目检和通断测试，检查Cu布线中有无断线情况发生，对焊点进行金相分析。对刚挠板B进行挠曲性能测试，挠曲试验按照IPC-TM-650的方法进行。2 结果及讨论2.1 刚挠板设计刚挠板分挠性部分和刚性部分。挠性材料主要包括挠性介质薄膜和挠性粘结薄膜；刚性材料如环氧玻璃布层压板及半固化片或聚酰亚胺玻璃布层压板及相应的半固化片。此外还有铜箔、覆盖层和增强板。常用的挠性介质薄膜主要有聚酰亚胺类、聚酯类和聚氟类。聚酰亚胺具有耐高温的特性，介电强度高，电气性能和力学性能极佳，考虑航天高可靠性，选择聚酰亚胺挠性介质。粘结片选择丙烯酸，相比环氧类，丙烯酸与聚酰亚胺薄膜的结合力更好，耐化学腐蚀、耐热冲击，且挠性更好，但Z向膨胀系数比环氧树脂大，厚度一般不超过0.05 mm。铜箔选用压延铜箔，其铜微粒呈水平轴状结构，能适应多次挠曲。覆盖层选用与基材相同材料的聚酰亚胺绝缘薄膜，未设计增强板。刚性层压板选用环氧玻璃布层压板，相比聚酰亚胺玻璃布层压板，层压工艺较为简单，价格便宜57成。刚挠板材料的热膨胀系数(CTE)影响金属化孔的耐热冲击性，在经受热冲击时，Z方向上的热膨胀适配易造成金属化孔的断裂。表1为几种材料的玻璃化温度和热膨胀系数。常见的刚挠板的连接方式主要有：Au/Ag触点、排线表面贴装、铆钉焊点、接插件等方式，如图1所示。第44卷第3期11表1 几种材料的玻璃化温度和热膨胀系数比较 8 图1 几种常见刚挠板连接方式示意图图3 刚挠板A 2 6 0 样品焊接外观及焊透率检查图4 不同焊接温度下的界面形貌（a）（b）图2 设计的2 个刚挠板A、B 实物特性试验方法丙烯酸膜聚酰亚胺膜环氧树脂铜玻璃化温度/I P C-T M-6 5 0 2.4.2 54 51 8 51 0 3无Z 轴热膨胀系数/(1 0-6 -1)I P C-T M-6 5 0 2.3.2 4(2 5 2 7 5 )5 0 01 3 02 4 01 7.6Au/Ag触点（金手指）是将FPC排线头部一系列触点通过机械结构施压，形成的电连接。表面贴装通过焊料、导电胶等介质或直接热压，将挠性板与其他基板进行连接。铆钉焊点通过形成铆钉形式的焊料体起到固定和连接的作用，适合于高密度刚挠板与刚性PCB之间的连接。触点互连体在使用后期容易松动，导致接触电阻变大甚至断路，表面贴装和铆钉焊点互连体不宜承受较大的机械载荷，在振动和弯曲时容易断裂或撕开。考虑航天发射环境的高可靠要求，采用在刚挠板的连接部位加装刚性部分，通过接插件连接的方式提供更高的电气、机械连接可靠性。如图2所示，所设计的刚挠板A外形尺寸为66.7 mm132.2 mm，两头加刚性板，中间两层为挠性层，挠性区域铜箔厚度为20 m。在两头刚性板上焊接接插件，通过接插件实现与其他组部件的电气连接。刚挠板B用作空间环境验证试验，其外形尺寸为560 mm650 mm，共6层，中间四层为挠性层，挠性区域铜箔厚度为20 m。两头加刚性板，用300针的接插件实现与其他部件的电气连接。2.2 刚挠板装联工艺图3（a）是刚挠板260 装联后的外观照片，可以看出260 装联后焊点饱满、光亮，形成了优良的焊点。此外，315、370 的焊点外部质量同样较好。检查了三种焊接温度下的焊透率，均达到了100%焊透。图3（b）中可以看到260 焊接温度下的焊点饱满，在焊盘处形成弯月面，焊料在通孔内部完全填充、没有气孔，在焊点背面处也形成了弯月面，焊接效果良好。图4显示了焊接界面化合物的生长情况，通过EDX成分分析显示镀通孔Cu/SnPb反应界面及接插件黄铜插针CuZn/SnPb反应界面的化合物化学成分为含Cu 52%60%（原子含量）、含Sn 40%48%（原子含量），参考其他研究成果9-10，大致可以确定在镀通孔纯Cu基体与焊料的界面反应产物以及插针黄铜基体与焊料的界面反应产物均主要为Cu6Sn5化合物。化合物连续，表明已经形成了良好的界面结合。对比界面化合物厚度，260 时焊接样品的界面化合物较薄，厚度小于 1m；315 和370 时焊接的界面化合物较厚，约35 m，并且界面化合物粗糙度较大，界面化合物太厚会增加焊点的脆性。因此，建议使用较低的焊接温度。观察了不同焊接温度下FPC部分的完整性，在三种焊接温度下，焊接过程的热冲击并未造成印制板部分的分层，挠性部分（FPC）依然完好。陈材，等：耐空间环境的航天器刚挠板设计与工艺验证2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology12对返修5次的镀铜孔进行金相解剖，如图5所示，多次返修后界面化合物并未有明显增厚，原因可能在于首次焊接后界面已经被一层连续的化合物所覆盖，而返修温度低于Cu6Sn5的稳定温度（415），随后当焊料在通孔中再次铺展时，已有的连续界面化合物可以对基体Cu的溶解起到阻挡作用，由于短时间内Cu基体向焊料中的溶解量有限，焊点冷却凝固时化合物层没有明显增厚。同时可以观察到，金属化孔完好，但镀Cu层与其通孔的孔壁之间出现了若干孔洞，这些孔洞可能是反复焊接造成的孔壁与镀Cu层之间的脱附。由此可见，多次返修虽然对化合物的增长未产生明显影响，但对镀通孔与印制孔壁的结合产生了不利影响，为安全起见，不建议返修次数超过3次。图5 五次返修后样品的剖面图（a）2 6 0 样品；（b）3 1 5 样品；（c）3 7 0 样品；（d）2 6 0 下返修5 次样品图6 环境试验后样品的焊点界面形貌2.3 刚挠板焊接性能验证如图6所示，环境试验后，四种焊接条件下的焊点界面完好，均未产生裂纹或其他失效。不同装联温度或装联次数下的样品在环境试验时表现基本一致，说明在本项研究中的焊接状态对可靠性影响不大，虽然焊接温度不同，但每个焊点的焊接时间控制在23 s，此时焊料与镀通孔界面的材料之间未发生过度的反应，界面化合物的生长厚度较薄。根据以上研究，可以计算出刚挠板的寿命。根据本研究的试验结果，刚挠板通过了热循环以及振动等验证试验，证明刚挠板可满足空间环境的使用要求。根据测试结果，刚挠板抗挠曲能力通过了5 000次试验，后续继续测试到十万次弯曲后，样品出现电气不连通，检查发现Cu线开路。考虑在宇航电子单机中，刚挠板主要替代焊线，进行板间连接，寿命期内的实际弯折次数低于5 000次，挠曲能力可以满足宇航使用要求。3 结论1）设计了一种聚酰亚胺基的刚挠板，连接部位采用接插件形式，可以提供较高的电气、机械连接可靠性。2）研究了焊接温度及返修次数对刚挠板装联质量的影响，3种温度下装联均未对FPC造成损伤，在保证焊透率的前提下，焊接温度可以低至260，返修次数应少于3次。3）设计的刚挠板通过了航天标准规定的环境试验考核，抗挠曲能力达到5 000次，满足宇航使用要求。参考文献1 姜志国,陈玉玲,史岩峰,等.刚挠印制板技术在军用传感器中的应用J.传感器与微系统,2016,35(10):155.2 徐伟玲,李佳宾,杨晶,等.航天遥感器上刚挠印制板的应用研究C/第19届中国遥感大会.西安:中国遥感委员会,2014:659.3 刘兴.挠性印制板设计及其在系统设计中的应用J.电子工艺技术,2011,32(3):160.4 石磊,郭晓宇.航天用刚挠印制板可靠性研究J.电子工艺技术,2014,35(1):26.5 BALOGH B,GY K,HARVEY T,et al.Qualification and Reliability Tests of Flexible Printed CircuitsC/2007 30th International Spring Seminar on Electronics Technology.Cluj-Napoca,Romania:IEEE,2007.6 MARKUS D,ZERNA T;KLAUS-JUERGEN W,et al.Reliability qualification of flexible printed circuitsC/2007 16th European Microelectronics and Packaging Conference and Exhibition.Oulu,Finland:EMPC,2007.7 石磊,郭晓宇.刚挠印制板镀覆孔孔壁开裂原因分析J.电子工艺技术,2010,31(2):112.8 莫欣满,陈蓓.层间粘接剂对刚挠板通孔可靠性的影响分析J.印制电路信息,2011(4):50.9 NAYEB-HASHEMI 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