程保义
（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300381）
摘要：热环境针是影响低轨空间太阳电池阵可靠性的主要因素之一，本文结合太阳电池阵中电路互连减应力环的结构特点，通过热环境高低温循环前后样品的解剖和能谱检测，分析了导致减应力环开路失效的原因，找到了失效的机理。针对减应力环的失效和应用环境，提出了新的改进措施。
关键词：减应力环、失效分析、太阳电池阵
The Failure Analysis and Improve Method
of Ring Reducing Stress
Cheng Bao-yi
(Tian-jin Institute of Power Source 300381 China)
Abstract：The open failure mode of ring reducing stress was analyzed，associate with the characteristics of low earth orbit solar array ring reducing stress。The species has been dissected before and after temperature cycles, the failure mechanism were got. According to the failure and the applied environment of ring reducing stress , new methods were provided。
Keywords：reducing stress ring, failure analysis, solar array
1 引言
太阳电池阵是空间飞行器一次能源系统的重要组成部分，其工作原理是通过光生伏伏特效应将太阳光能转变为电能，满足空间飞行器在轨运行的电能需求。空间飞行器运行轨道的环境因素将直接影响太阳电池阵的性能，热环境就是众多环境因素之一。特别是近地轨道飞行器，轨道周期通常为90min， 24h内要经受范围+90oC～-90 oC的温度交变约15次，每年要经受约5800次，频繁的温度交变将对太阳电池阵材料的机械性能产生重要影响[1]。
太阳电池阵通常采用具有一定形状的金属箔作为太阳电池串之间的互连器，为了减少互连器在空间飞行时承受的热应力，互连器设计有减应力环[2]。减应力环的开路失效将直接导致太阳电池阵功率无法输出，导致太阳电池阵的失效。减应力环的结构示意图如下：
2 减应力环的工艺结构
减应力环由0.1m厚度的银箔和铅锡合金两部分组成，其中铅锡合金的作用是保护减应力环不受空间环境的腐蚀。减应力环制作工艺是以0.1m厚度的银箔做为基体，镀一层铅锡合金，厚度0.03mm以下。减应力环的外观图和剖面图如图2所示。
3 失效现象和解剖分析
空间太阳电池阵用减应力环在工作6个月内大量失效，导致太阳电池阵输出功率降低。经过地面模拟温度交变试验，复现在轨故障现象，减应力环为开路失效，失效位置集中在减应力环的顶部。失效的减应力环的外观图如图3：
对热疲劳断裂后的减应力环，进行超声波清洗，并利用XL-30ESEM环境扫描电子显微镜观察了断口的微观形貌，断口的微观形貌如图4~图6：
由图4~图5可以看出，在Ag/Sn界面及银层的断口形貌中，均发现具有明显的、台阶状的疲劳痕迹，在银层瞬断区还出现了韧窝状的形貌（图6）；
4 失效机理
减应力环断口微观形貌上具有多条裂纹、剪切断裂区、断口附近明显变形的现象可以说明断裂的性质为低周疲劳断裂。
4.1 材料因素
根据失效的性质，对疲劳失效前减应力环进行剖面分析，典型形貌如图7所示，在铅锡合金和银箔之间存在一层灰色区域，用能谱仪进行分析，该区域的成份组元有Ag、Sn元素，能谱成份图如图7，应为银锡金属间化合物。
Ag-Sn合金的相图如图8所示，从相图可以看出，在Ag量3.5％时形成共晶点，在这个Ag量组成以下为亚共晶，组成以上为共晶[3]。
银和锡接触面中出现第二相，即Ag3Sn型的金属间化合物，它的出现及其长大，会提高材料的强度，但会明显地降低其塑性。
4.2 结构因素
根据减应力环的机械结构参数，建立有限元分析模型如图9所示。
代入各种材料热物理和力学参数，加载温度应力，计算减应力环在+80oC～-80oC高低温环境中的应力分布情况，结果如图10所示。
分析结果表明温度由-80oC升高到+80oC时，构件随温度的升高产生热膨胀，因构件整体附着在刚性较大的支座上，自由端向外膨胀引起减应力环向中间挤压，使减应力环中间产生压应力同时形状发生改变，由于不同材料之间的线胀系数不同，在各层间存在着切应力。当温度由+80oC降低到-80oC时，与温度升高的过程相反，构件随温度的降低产生收缩变形，自由端向内挤压而引起减应力环附近向两边拉开，使减应力环中间产生拉应力同时形状发生改变，由于不同材料之间的线胀系数不同，在各层间存在着切应力。分析计算结果表明温度交变过程中减应力环顶端承受-27.79MPa与15.40MPa之间交替应力。
综上所述，失效的机理为:减应力环除银和铅锡基体相外，存在SnO2、Ag3Sn等第二相；由于Ag3Sn金属间化合物为脆性相，其出现及长大，尽管会提高材料的强度，但会明显地降低材料的塑性；在变形过程中，减应力环顶端受到从-27.79MPa到15.40MPa的交变热应力；在交变应力的作用下，减应力环会首先在挂锡层、或Ag－Sn界面银（锡）基体与第二相的界面处发生断裂、萌生裂纹；裂纹在热疲劳的作用下向银层扩展，并留下疲劳条纹，最终导致减应力环断裂。
5对策及验证
根据减应力环的失效机理，可以找到避免失效的对策如下；
减应力环中形成金属间化合物的原因是银锡金属层的相互扩散，因此在满足空间应用环境的条件下，采用不易迁移的金属，如镍作为防护涂层，可以防止脆性相的形成；
安装空间允许的条件下，采用柔性抗辐照导线互连。
根据工程的工艺和结构需要，选用柔性抗辐照导线互连方案。采用该方案制作的试验板经过了3000次温度范围为+80oC±5oC～-85oC±5oC的温度冲击试验，结果表明措施可行有效，完全满足工程需求。
参考文献；
[1] L. Gerlach, E. Bongers, T. Mende, Post-Flight Investigation Programmes of Recently Retrieved Solar Generators. ESA WPP-069, EURECA Symposium, 26-29 Apr. 94, ESTEC, Noordwijk, the Netherlands。
[2] 汉斯.S.劳申巴赫[美]，太阳电池阵设计手册，宇航出版社，1987:P214-221。
[3] 郭青蔚，金属二元系相图手册，化学工业出版社，2009:P34。