鉭電容器高頻振動結構可靠性分析與設計

伍 權 ,鄭 躍 ,舒啟佳 ,田東斌

(1.貴州師范大學機械與電氣工程學院,貴州貴陽 550025;2.中國振華(集團)新云電子元器件有限責任公司,貴州貴陽 550018)

鉭電容器是一種重要的基礎電子元件,具有體積小、容量高、性能穩定等特點,被廣泛應用于航空航天、移動通訊、儀器儀表等領域[1]。鉭電容器使用過程中,常常經歷惡劣、復雜的高頻振動環境。振動產生的變形和應力將對電容器的結構和工作性能造成影響,嚴重危及裝備系統的穩定性和可靠性。因此,振動條件下的電容器可靠性問題越來越受到關注[1-3]。Alexander[4]研究了機械振動應力對片式固體鉭電容漏電流等電參數特性的影響,發現應力作用下鉭電容器的故障概率增加。程融等[5]通過錘擊實驗發現鉭電容器在經受突發性沖擊應力時易出現瞬時短路的現象。張世莉等[6]分析了固體鉭電容的失效特點,發現鉭電容的失效與應力相關。何榮華等[7]研究發現電容器在高過載實驗中出現了引線脆硬折斷的失效現象。目前,振動作用下電容器可靠性研究主要集中于電參數特性的變化,較少涉及振動應力對元器件結構的影響,缺少對振動失效的理論分析。因此,開展鉭電容器振動條件下的結構可靠性研究具有重要意義。

為評定鉭電容器高頻振動的適應性和結構完整性,通常需要利用振動試驗臺對其進行高頻振動試驗[8]。但由于鉭電容器尺寸小及特殊的封裝形式,傳統的振動試驗很難獲取內部結構的應力、應變等動態響應情況,其內部結構的抗振能力測試受到較大的限制。隨著計算機仿真技術的發展,有限元技術能夠準確反映電子元件在復雜振動環境中的動力學響應,可以對結構是否存在損傷進行及時的診斷和評估,發現設計工作中的薄弱環節并找出改進方向,被廣泛使用于電子器件與設備振動問題的科學研究和工程應用[9-12],為鉭電容高頻振動特性分析提供了有力工具。

論文采用COMSOL Multiphysics 多物理場仿真軟件對鉭電容器進行高頻振動仿真模擬,分析鉭電容器的固有頻率,研究振動過程中內部應力、應變等動態響應變化規律與特性,發現設計工作中的薄弱環節并進行改進,為鉭電容器的設計、制造及其在振動環境中的應用提供有益的參考。

1 鉭電容器有限元建模

鉭電容器的典型結構如圖1(a)所示,主要由鉭外殼、鉭蓋、塞柱、調整墊片、陽極塊、陽極引線、下墊片等組成。由于鉭電容器結構較為復雜,為減少計算時間,提高效率,有限元建模過程中對其結構進行了簡化。將鉭蓋與鉭外殼設置為一體結構,略去鉭管與滾壓圈結構(滾壓圈起著壓緊內部各個零部件的作用,可以通過邊界條件設置來約束),陽極塊是利用鉭粉壓制、燒結而成的具有較高強度的多孔體,建模時以實體代替。采用Solidworks 軟件建立簡化后的電容器模型,然后導入到COMSOL Multiphysics 5.3 有限元軟件中,利用自由四面體單元進行自動網格劃分,并對陽極引線、陽極塊左端面、調整墊片右端面的網格進行局部加密,得到的有限元模型如圖1(b)所示,該模型包含76832 個單元。鉭電容器外殼、鉭蓋、陽極引線、陽極塊材料為鉭,塞柱、下墊片、調整墊片材料為聚四氟乙烯,相關材料參數如表1 所示。在多體動力學模塊中,將鉭電容器外殼與塞柱及下墊片、陽極塊與陽極引線設置為固定關節副連接,陽極引線與調整墊片、塞柱之間設定為圓柱副連接。

在實際使用過程中,鉭電容器會受到不同頻率振動的影響。當激振頻率與鉭電容器的固有頻率相同或相近時,將會引起電容器的共振,從而產生破壞。因此,根據鉭電容器結構特性和材料參數,利用COMSOL Multiphysics 模態分析模塊對鉭電容器進行模態分析,確定鉭電容器的1～6 階固有頻率。雖然鉭電容器工作過程中所經受的振動大多不是簡諧振動,但研究表明電子元件的簡諧振動分析可以較好地反映振動對元件結構和性能的影響,并為元件的振動防護提供必要的資料[8]。依據電子元器件高頻振動試驗條件(GJB 360B-2009),采用正弦振動來分析高頻振動對鉭電容器結構和性能的影響,其中,振動頻率f=1200 Hz,振動加速度20g～80g,分析鉭電容器內部結構在振動條件下的位移、應力、應變分布及變化規律。

圖1 鉭電容器典型結構與有限元模型Fig.1 Typical structure and finite element model of tantalum capacitor

表1 鉭電容器零件材料參數Tab.1 Material parameters of tantalum capacitor parts

2 鉭電容器高頻振動有限元分析

2.1 模態分析

表2 顯示了該鉭電容器的固有頻率。由分析結果可知,鉭電容器的1～6 階固有頻率依次為3858.1,4102.9,4835.7,10132.4,12166.9 和13552.3 Hz。固有頻率只與元件的質量、形狀、材料等特性有關,可以為鉭電容器的振動特性設計和結構損傷分析提供基礎。因此,在鉭電容器設計制造時,應充分考慮實際使用環境避開固有頻率,以免發生共振。

表2 鉭電容器的固有頻率Tab.2 Natural frequencies of tantalum capacitor

2.2 高頻振動結構可靠性分析

圖2 顯示了振動條件下(a=20g)鉭電容器內部結構位移、應力、應變分布。從圖2(a)可以看出,在振動激勵載荷作用下,鉭電容器整體隨著振動產生徑向位移,但各部位位移不一致,陽極塊前端相對位移較大,將與調整墊片及塞柱產生相對運動。圖2(b)顯示了鉭電容器內部應力分布情況,可以發現最大應力分布在陽極塊與陽極引線過渡處,說明該位置是電容器結構的薄弱環節,容易發生破壞。這主要是因為振動時此位置存在較大的相對位移,而陽極引線的運動受到塞柱的約束,導致產生應力集中。圖2(c)顯示了高頻振動時鉭電容器內部應變主要集中在由聚四氟乙烯制成的塞柱、下墊片和調整墊片,主要是因為聚四氟乙烯彈性模量比金屬鉭低,振動時容易產生變形。同時,由不同振動條件下有限元仿真結果發現,鉭電容器內部位移、應力、應變分布有類似的規律。

圖3 顯示了鉭電容器在不同加速度振動條件下的應力-時程曲線。從圖中可以看出,在振動開始的極短時間里鉭電容器的最大應力急劇增加,然后逐漸衰減,并最終達到穩態。當振動加速度為20g 時,其瞬態最大應力達到476.4 MPa,穩態最大應力為197.1 MPa。隨著振動加速度的增大,瞬態和穩態的最大應力均增大,應力波動也越大。當振動加速度為80g 時,其瞬態最大應力增加到1497.8 MPa,穩態最大應力增加到980.3 MPa。進入穩態振動后,各加速度條件下應力波動頻率均與其振動激勵的頻率保持一致,且應力峰峰值無明顯變化。

圖2 高頻振動條件下鉭電容器內部位移及應力應變分布Fig.2 Distribution of displacement,stress and strain in tantalum capacitor under high frequency vibration

2.3 鉭電容器高頻振動失效分析

隨著電子信息技術的不斷發展,鉭電容器使用越來越廣泛,工作環境也越來越復雜,要求其在各種惡劣的環境中能夠可靠地實現濾波、信號耦合等重要功能。鉭電容器工作時常常受到周期性的外力作用,其產生的振動為受迫振動。簡諧激勵作用下的受迫振動質點受到3種力的作用,分別是彈性力-kx,阻尼力-,簡諧激勵作用力F(t)=F0cos(ωt),其動力學方程為:

得到該方程的解為:

式中:x為位移;A為振幅;β為阻尼因子;φ為相位角。可以發現,鉭電容器受迫振動響應由兩部分組成,一是迅速衰減的阻尼振動x1=Ae-βcos(ω′t +α),稱為瞬態響應;二是持續的等幅振動x2=A0cos(ωt +φ),稱為穩態響應。有限元分析表明,鉭電容器高頻振動響應這兩部分總是同時并存,但由于阻尼的存在,瞬態響應迅速衰減,只剩下穩態受迫振動。

圖3 不同振動加速度條件下的應力-時程曲線Fig.3 Stress-time curves under different vibration accelerations

鉭電容器的失效通常表現為兩種形式:一種是突變性的致命失效,包括電容器的各種擊穿和開路;另一種是在外界應力作用下,電容器的電參數逐漸發生變化到超過允許偏差值的參數超差失效[13-14]。高頻振動仿真結果表明,在振動開始的極短時間內電容器內的最大應力會急劇增大,且應力集中在陽極引線與陽極塊的連接處。室溫下,鉭的抗拉強度為472 MPa[15]。陽極塊是采用電容器級鉭粉通過壓制、燒結的方法制作而成,內部呈多孔結構,其力學強度小于鉭絲的強度。當振動加速度達到20g 時,其瞬態最大應力高達476.4 MPa,振動會在陽極引線附近的陽極塊上產生微裂紋,從而導致瞬時短路、漏電流升高等電特性參數變化[7]。當振動減弱或停止,由于鉭電容器具有獨特的“自愈”特性,鉭電容器性能恢復,但振動造成鉭電容器性能的不穩定將對系統的可靠性造成影響。隨著振動的持續進行,鉭電容器結構可能同時產生振動和疲勞現象,兩者之間相互耦合將使得陽極塊上的裂紋逐漸擴展,鉭電容器固有的“自愈”特性已無法修補氧化膜,從而導致鉭電容器擊穿失效。同時,隨著振動加速度的增加,鉭電容器發生結構失效的可能性也迅速增加。當振動加速度為80g 時,其瞬態最大應力達到1497.8 MPa,遠遠超過鉭絲的抗拉強度,可能造成陽極引線出現“瞬斷”現象,造成開路失效。

3 鉭電容器結構優化與性能測試

鉭電容器高頻振動有限元分析結果表明,由于陽極塊前端在振動過程中相對位移過大,造成陽極引線及相鄰陽極塊區域應力集中與瞬態應力較大,使得鉭電容器易發生結構失效。這主要是由于鉭電容器內部結構中的圓片式調整墊片無法對陽極塊起到良好固定造成的。針對上述結構問題,為限制陽極塊前端的相對位移,本文設計了一種爪式墊片結構,并在相同條件下進行高頻振動有限元分析,其結果如圖4 所示。由優化前后的鉭電容器振動應力分析對比可以發現,相較于傳統圓片式調整墊片,爪式調整墊片能夠較好地限制陽極塊高頻振動時的相對位移,顯著地降低鉭電容器內部的瞬態及穩態最大應力值。采用爪式墊片結構的鉭電容器在振動加速度80g 的條件下瞬態最大應力為348.1 MPa,穩態最大應力為42.7 MPa,且應力呈現出較為平緩的變化趨勢,而未優化前分別為1497.8 MPa 和980.3 MPa。

圖4 優化前后應力—時程曲線Fig.4 Stress-time curves before and after optimization

為驗證爪式調整墊片的有效性,制備了一批該結構的某型號鉭電容器,如圖5 所示。根據GJB 360B-2009 《電子元器件高頻振動試驗條件》 在電磁振動試驗平臺(ES-80-445,蘇州東菱)進行高頻振動物理試驗。試驗結果顯示,該結構鉭電容器在高頻振動試驗下均未發生損壞,爪式調整墊片能有效地提高振動環境下鉭電容器的工作穩定性與可靠性。

圖5 采用爪式調整墊片的鉭電容器Fig.5 Tantalum capacitor with claw type gasket

4 結論

本文采用有限元法對鉭電容器高頻振動內部結構可靠性問題進行了分析,并據此優化了調整墊片結構,為鉭電容器的設計、制造及其在振動環境中的應用提供有益的參考。研究結果表明:

(1)鉭電容器高頻振動響應分為瞬態響應與穩態響應兩個部分,其瞬態應力遠大于穩態應力,且隨著振動加速度的增加,瞬態和穩態的最大應力均迅速增大。

(2)高頻振動應力主要集中在陽極塊與陽極引線過渡處,易導致陽極塊產生裂紋,并隨著振動的持續擴展甚至產生“瞬斷”現象,從而造成鉭電容器性能的不穩定或突變性失效。

(3)與傳統圓片式調整墊片結構相比,爪式墊片結構可以較好地限制陽極塊上端的相對位移,能夠顯著地降低高頻振動時鉭電容器內部的瞬態及穩態最大應力值,有效地提高振動環境下鉭電容器的工作穩定性與可靠性。