CN103514988A - 一种扁平式双层功率信号传输电缆及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种扁平式双层功率信号传输电缆及其形成方法，本发明所提供的扁平式双层功率信号传输电缆包括：中间绝缘层，所述中间绝缘层为聚酰亚胺薄膜，厚度为25μm~75μm；粘结于所述中间绝缘层上表面的上层功率信号传输层；粘结于所述中间绝缘层下表面的下层功率信号传输层，所述上层功率信号传输层和下层功率信号传输层的材料为铜；粘结于所述上层功率信号传输层另一个表面的上层绝缘层，粘结于所述下层功率信号传输层另一个表面的下层绝缘层；位于所述上层绝缘层另一个表面的上层原子氧防护层，位于所述下层绝缘层另一个表面的下层原子氧防护层。通过本发明可以满足了航天器上太阳电池阵大功率、多路信号传输的需求。
Description
技术领域
本发明属于空间级功率信号传输技术领域的研究，涉及一种扁平式双层功率信号传输电缆及其形成方法。
背景技术
太阳电池是一种利用光生伏特效应将光能直接转换为电能的半导体器件，目前很多空间飞行器使用太阳电池阵发电获得能源的。
空间飞行器上传统的功率、信号传输电缆采用空间级圆型导线为主，未来航天器的发展功率需求大，电缆传输距离长，传输功率和信号数量多，受于收拢空间的限制，传统的圆导线已经无法满足应用需求。
本发明收拢体积小，展开传输距离远，具有多功率、信号传输通道。可以通过机械方式将该扁平式电缆固定在太阳电池板上，其中人字尖结构位于相邻太阳电池板的中间，不与太阳电池板固定。扁平式电缆的人字尖结构设计可以满足太阳电池阵展开和收拢的需求。通过焊接将扁平式电缆与太阳电池电路导通，将太阳电池阵的功率和信号传输到控制器。解决了传统圆形导线大体积、高重量以及与太阳电池板固定繁琐的不足。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种扁平式双层功率信号传输电缆及其形成方法，以解决现有空间飞行器上电缆无法满足功率需求大，传输距离长的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种扁平式双层功率信号传输电缆，包括：中间绝缘层，所述中间绝缘层为聚酰亚胺薄膜，厚度为25μm~75μm；粘结于所述中间绝缘层上表面的上层功率信号传输层；粘结于所述中间绝缘层下表面的下层功率信号传输层，所述上层功率信号传输层和下层功率信号传输层的材料为铜；粘结于所述上层功率信号传输层另一个表面的上层绝缘层，粘结于所述下层功率信号传输层另一个表面的下层绝缘层；位于所述上层绝缘层另一个表面的上层原子氧防护层，位于所述下层绝缘层另一个表面的下层原子氧防护层。
进一步，所述上层功率信号传输层和下层功率信号传输层的厚度为35μm~100μm，20℃时的电阻率低于1.73×10-8Ω.m。
进一步，所述双层功率信号传输电缆上弯曲形成有人字尖，相邻人字尖弯曲方向相反。
进一步，所述人字尖的弯曲半径的公式为：
R=[(d 13 +d 12 +d 13’ )_/2+ d 14 ][(100-E)/E]-( d 17+ d 16+ d 15 )，式中d13为第一粘结剂层13的厚度，d12为中间绝缘层12的厚度，d13‘为第二粘结剂层13’的厚度，d14为上层功率信号传输层14的厚度，d15为第三粘结剂层15的厚度，d16为上层绝缘层16的厚度，d17为上层原子氧防护层17的厚度， E为功率传输层14的弹性模量。
进一步，所述上层绝缘层和下层绝缘层的材料为聚酰亚胺薄膜。
进一步，所述上层原子氧防护层和下层原子氧防护层的材料为硅氧烷，厚度为300~800nm。
进一步，相互粘结的各层之间采用粘结剂粘结，粘结剂采用环氧类粘结剂、丙烯酸粘结剂、或聚酯类粘结剂，或改性后的环氧类粘结剂、丙烯酸粘结剂、或聚酯类粘结剂之一。
本发明还提供一种扁平式双层功率信号传输电缆的形成方法，包括：
步骤一、通过卷对卷生产方式将两面带粘结剂的中间绝缘层分别与上层功率信号传输层和下层功率信号传输层粘结，通过热压方式实现固化成型；
步骤二、分别对上层功率信号传输层和下层功率信号传输层进行图案化处理，分别形成上、下层功率信号传输线路；
步骤三、在所述上、下层功率信号传输线路表面涂粘结剂，再分别覆盖绝缘膜，形成上层绝缘层和下层绝缘层，并压合固化；
步骤四、采用喷涂或溅射的工艺分别在上层绝缘层和下层绝缘层表面形成上层原子氧防护层和下层原子氧防护层；
步骤五、焊盘及人字尖结构制作。
进一步，还包括：在所述双层功率信号传输电缆的侧面形成焊盘结构。
进一步，还包括：分别在双层功率信号传输电缆的上、下表面形成焊盘结构，上层功率信号传输线路的引线与下层功率信号传输线路的引线错位。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明通过优化双层功率信号传输电缆的膜系结构和中间绝缘层以及上、下层功率信号传输层的厚度，满足了航天器上太阳电池阵大功率、多路信号传输的需求；
进一步，本发明中的电缆采用扁平式、带人字尖结构，在空间飞行器中可折叠，缩藏比高，满足了收拢空间的限制。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的扁平式双层功率信号传输电缆结构示意图（未折人字尖结构）；
图2为本发明实施例所提供的扁平式双层功率信号传输电缆的展开结构图；
图3为本发明实施例所提供的扁平式双层功率信号传输电缆的收拢结构图；
图4为本发明实施例所提供的扁平式双层功率信号传输电缆的人字尖结构图；
图5为本发明实施例所提供的扁平式双层功率信号传输电缆的侧面焊盘结构图；
图6为本发明实施例所提供的扁平式双层功率信号传输电缆的展开状态及终端焊盘结构图，图6（a）为电缆展开状态终端焊盘，图6（b）为电缆终端焊盘结构图局部放大图；
图7为本发明实施例所提供的扁平式双层功率信号传输电缆的多路独立传输与汇流传输原理图。
具体实施方式
下文结合附图和实施例对本发明进行详细阐述。
如图1所示，本发明提供的一种扁平式双层功率信号传输电缆，包括：中间绝缘层12，所述中间绝缘层12为聚酰亚胺薄膜，厚度为25μm~75μm；粘结于所述中间绝缘层12上表面的上层功率信号传输层14；粘结于所述中间绝缘层12下表面的下层功率信号传输层14’，所述上层功率信号传输层14 和下层功率信号传输层14’的材料为铜；粘结于所述上层功率信号传输层14另一个表面的上层绝缘层16，粘结于所述下层功率信号传输层14’另一个表面的下层绝缘层16’；位于所述上层绝缘层16另一个表面的上层原子氧防护层17，位于所述下层绝缘层16’另一个表面的下层原子氧防护层17’。
第一粘结剂层13粘结所述中间绝缘层12与上层功率信号传输层14，第二粘结剂层13’粘结所述中间绝缘层12与下层功率信号传输层14’； 第三粘结剂层15粘结所述上层功率信号传输层14与上层绝缘层16，第四粘结剂层15’粘结所述下层功率信号传输层14’与下层绝缘层16’。
本发明所提供的扁平式双层功率信号传输电缆的形成方法包括：
步骤一，基材制作，通过卷对卷生产方式将两面分别带第一粘结剂层13和第二粘结剂层13’的中间绝缘层12分别与上层功率信号传输层14和下层功率信号传输层14’粘结，通过热压方式实现固化成型。
步骤二，功率信号传输线路制作，包括分别对上层功率信号传输层14和下层功率信号传输层14’ 进行烘烤、去应力、表面清洗；然后在上层功率信号传输层14和下层功率信号传输层14’表面贴干膜；接着根据扁平式板间电缆的功率和信号传输要求制作菲林，进行曝光、显影、刻蚀，完成电缆功率和信号线路的制作，根据需要可以实现不同传输线路的独立传输和汇流传输线路制作。
步骤三，贴覆绝缘膜，包括：在所述上层功率信号传输线路表面涂第三粘结剂层15，在所述下层功率信号传输线路表面涂第四粘结剂层15’,再分别覆盖绝缘膜，形成上层绝缘层16和下层绝缘层16’，并压合固化。所述上层绝缘层16和下层绝缘层16’的材料为聚酰亚胺（PI）。
步骤四，形成空间环境防护，包括：采用溅射的工艺分别在上层绝缘层16和下层绝缘层16’表面形成上层原子氧防护层17和下层原子氧防护层17’。
所述上层原子氧防护层17和下层原子氧防护层17’的材料为硅氧烷。通过控制防护层的厚度可实现耐10年剂量的原子氧防护。
步骤五，制作焊盘及人字尖结构，包括：电缆焊盘开窗，根据线路刻蚀位置进行开窗，可采用手工或激光切割方式将焊盘裸露，可以通过焊接方式与电池电路连接。最后是进行电缆人字尖成型。根据扁平式电缆的各层结构参数设计人字尖弯曲半径，进行弯折成型。此时电缆具备展开收拢的功能，完成电缆的制作。
下面对各个关键工序及参数进行说明。
本发明中扁平式双层功率信号电缆的展开状态和收拢状态如附图1和附图2所示。具体地：
（1）中间绝缘层12表面的第一粘结剂层13和第二粘结剂层13’采用一体式喷涂工艺实现，中间绝缘层12厚度为25μm~75μm，所述中间绝缘层12厚度太薄无法满足绝缘要求，所述中间绝缘层12厚度太厚不利于形成人字尖结构101；所述第一粘结剂层13和第二粘结剂层13’的材料可以是环氧类粘结剂、丙烯酸粘结剂、或聚酯类粘结剂，或改性后的粘结剂。能够在-100℃～＋100℃之间稳定工作。
（2）上层原子氧防护层17和下层原子氧防护层17’的材料为硅氧烷材料11，耐受原子氧剂量达10年以上，厚度为300nm~800nm，所述上层原子氧防护层17和下层原子氧防护层17’的材料厚度小不利于提高寿命，厚度太大会降低透光率，所述上层原子氧防护层17和下层原子氧防护层17’的材料能够在-100℃～＋100℃之间稳定工作，透光率在90%以上。
（3）上层功率信号传输层14和下层功率信号传输层14’材料选用金属铜，上层功率信号传输层14和下层功率信号传输层14’的厚度为35μm~100μm，电阻率ρ低于1.73×10-8Ω.m（20℃），所述上层功率信号传输层14和下层功率信号传输层14’太薄，为了满足电阻率的需求需要增加上层功率信号传输层14和下层功率信号传输层14’的宽度，不利于节约空间；上层功率信号传输层14和下层功率信号传输层14’太厚，人字尖结构101容易断裂。
（4）根据需要每隔一段尺寸进行电缆弯折成型，设计了“人字尖”结构101，局部放大图如4所示，人字尖101弯曲半径与电缆结构材料的尺寸和参数有关，人字尖的弯曲半径R计算公式为：
R=[(d13+d12+d13’)_/2+ d14][(100-E)/E]-( d17+d16+d15)
式中d13为第一粘结剂层13的厚度，d12为中间绝缘层12的厚度，d13‘为第二粘结剂层13’的厚度，d14为上层功率信号传输层14的厚度，d15为第三粘结剂层15的厚度，d16为上层绝缘层16的厚度，d17为上层原子氧防护层17的厚度， E为功率传输层14的弹性模量。
人字尖的弯曲半径过大或者过小，容易断裂。人字尖成型通过设计专用工装，将电缆的人字尖位置及半径控制设计指标内。通过人字尖预成型、热压成型来完成人字尖制作。
（5）电缆侧面有裸露焊盘结构102，局部放大图如5所示，通过设计焊盘开口方向可朝向同一方向，也可实现异面开窗。焊盘开窗可以通过手工开窗，也可以通过激光切割将表面聚酰亚胺绝缘层烧蚀掉，将导电金属裸露，完成焊盘开窗工艺。
（6）电缆终端有焊盘结构103，局部放大图如5所示，该焊盘也是通过手工或激光切割实现开窗。
焊盘结构103的上层功率信号传输层14引线（金手指）与所述第一粘结剂层13和中间绝缘层12平齐，下层功率信号传输层14’引线距离电缆端部5mm~15mm，一是提高了上下表面的绝缘性（提高了绝缘间距），二是上下引线裸露位置错开提高了电缆终端安全性，降低了电缆终端折断的可能性。
本发明所提供的扁平式双层功率电缆可以根据应用需要设计多回路独立传输和汇流传输的能力，图7为一个应用实例，如图7所示，汇流传输如传输线路a与传输线路c汇流传输，传输线路b与传输线路d汇流传输，独立传输如线路e、f、g、h等可以实现独立传输。
综上，本发明的扁平式传输电缆具有双层功率、信号传输通道，可传输100V以上的高电压，传输功率可达数十千瓦，可以根据传输信号的不同合理安排功率和信号传输的位置。该电缆采用一体式生产技术，根据太阳电池翼展开收拢的指标要求，电缆每隔一段距离进行弯折，具有“人字尖”结构。根据功率和信号的传输，在电缆的侧面留有焊盘结构。电缆的终端有金手指，可以通过焊接和接插件连接在一起。终端焊盘结构设计了巧妙的绝缘和减弯曲措施，提高了焊盘结构的可靠性。
该电缆由多层结构构成，由下往上依次为，下层原子氧防护层，下层绝缘层，下层功率信号传输层，中间绝缘层，上层功率信号传输层，上层绝缘层，上层原子氧防护层，其中在功率传输层与各绝缘层间填充有粘结剂材料。
主要性能指标：耐原子氧能力强，7.5×1026个/m2，高收藏比，具备随太阳电池翼进行展开和收拢的功能，具备耐受正负100℃高低温交变的能力，传输电压高达100V以上，功率数十千瓦，在轨运行寿命可达十年以上。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (11)
1.一种扁平式双层功率信号传输电缆，其特征在于，包括：中间绝缘层，所述中间绝缘层为聚酰亚胺薄膜，厚度为25μm~75μm；粘结于所述中间绝缘层上表面的上层功率信号传输层；粘结于所述中间绝缘层下表面的下层功率信号传输层，所述上层功率信号传输层和下层功率信号传输层的材料为铜；粘结于所述上层功率信号传输层另一个表面的上层绝缘层，粘结于所述下层功率信号传输层另一个表面的下层绝缘层；位于所述上层绝缘层另一个表面的上层原子氧防护层，位于所述下层绝缘层另一个表面的下层原子氧防护层。
2.依据权利要求1所述的扁平式双层功率信号传输电缆，其特征在于，所述上层功率信号传输层和下层功率信号传输层的厚度为35μm~100μm，20℃时的电阻率低于1.73×10-8Ω.m。
3.依据权利要求1所述的扁平式双层功率信号传输电缆，其特征在于，所述双层功率信号传输电缆上弯曲形成有人字尖，相邻人字尖弯曲方向相反。
4.依据权利要求1所述的扁平式双层功率信号传输电缆，其特征在于，所述人字尖的弯曲半径的公式为：
R=[(d 13 +d 12 +d 13’ )_/2+ d 14 ][(100-E)/E]-( d 17+ d 16+ d 15 )，式中d13为第一粘结剂层13的厚度，d12为中间绝缘层12的厚度，d13‘为第二粘结剂层13’的厚度，d14为上层功率信号传输层14的厚度，d15为第三粘结剂层15的厚度，d16为上层绝缘层16的厚度，d17为上层原子氧防护层17的厚度， E为功率传输层14的弹性模量。
5.依据权利要求1所述的扁平式双层功率信号传输电缆，其特征在于，所述上层绝缘层和下层绝缘层的材料为聚酰亚胺薄膜，厚度为25μm~75μm。
6.依据权利要求1所述的扁平式双层功率信号传输电缆，其特征在于，所述上层原子氧防护层和下层原子氧防护层的材料为硅氧烷，厚度为300 nm ~800nm。
7.依据权利要求1所述的扁平式双层功率信号传输电缆，其特征在于，所述原子氧防护层硅氧烷材料采用喷涂或溅射的方法得到。
8.依据权利要求1所述的扁平式双层功率信号传输电缆，其特征在于，相互粘结的各层之间采用粘结剂粘结，粘结剂采用环氧类粘结剂、丙烯酸粘结剂、或聚酯类粘结剂，或改性后的环氧类粘结剂、丙烯酸粘结剂、或聚酯类粘结剂之一。
9.权利要求1至8中任意一项扁平式双层功率信号传输电缆的形成方法，其特征在于，包括：
步骤一、通过卷对卷生产方式将两面带粘结剂的中间绝缘层分别与上层功率信号传输层和下层功率信号传输层粘结，通过热压方式实现固化成型；
步骤二、分别对上层功率信号传输层和下层功率信号传输层进行图案化处理，分别形成上、下层功率信号传输线路；
步骤三、在所述上、下层功率信号传输线路表面涂粘结剂，再分别覆盖绝缘膜，形成上层绝缘层和下层绝缘层，并压合固化；
步骤四、采用喷涂或溅射的工艺分别在上层绝缘层和下层绝缘层表面形成上层原子氧防护层和下层原子氧防护层；
步骤五、焊盘及人字尖结构制作。
10.依据权利要求9所述的扁平式双层功率信号传输电缆的形成方法，其特征在于，还包括：在所述双层功率信号传输电缆的侧面形成焊盘结构。
11.依据权利要求9所述的扁平式双层功率信号传输电缆的形成方法，其特征在于，还包括：分别在双层功率信号传输电缆的上、下表面形成焊盘结构，上层功率信号传输线路的引线与下层功率信号传输线路的引线错位。
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