管狀濾波器結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)分析

深圳振華富電子有限公司 陳益芳 李凱文 李金輝 蔣忠益

管狀濾波器作為重要的整機(jī)配套濾波元器件，采用同軸結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)緊湊，適于寬帶、低損耗、大功率的場(chǎng)合，在電子整機(jī)內(nèi)部廣泛分布于各個(gè)系統(tǒng)，直接關(guān)系到整個(gè)電子系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

近年來，我國(guó)為擺脫電子信息飛速發(fā)展對(duì)關(guān)鍵元器件需求旺盛與國(guó)外對(duì)元器件嚴(yán)格控制這一矛盾局面，大力推動(dòng)元器件國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。管狀濾波器作為元器件國(guó)產(chǎn)化的一個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目分支，國(guó)產(chǎn)管狀濾波器實(shí)現(xiàn)了對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的完全替換，性能指標(biāo)等同甚至優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品。但由于國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)科研相對(duì)薄弱，國(guó)產(chǎn)管狀濾波器在應(yīng)用中仍有一部分問題的發(fā)生起因于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的固有可靠性。基于此目的，本文以常規(guī)的管狀濾波器為例，通過對(duì)其結(jié)構(gòu)可靠性分析，結(jié)合失效模式進(jìn)行分析，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為全面提高管狀濾波器系列產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性提供技術(shù)指導(dǎo)。

圖1 管狀濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

1 管狀濾波器結(jié)構(gòu)分析

管狀濾波器內(nèi)部是由金屬外殼、焊接端子、電感器及穿心電容器組裝而成，內(nèi)部電流信號(hào)通過電感器出線端進(jìn)行傳遞，電感器出線端穿過穿心電容器并與A、B兩端子進(jìn)行焊接，穿心電容器的外電極與外殼焊接，內(nèi)電極與電感器出線端焊接，內(nèi)部各器件之間用絕緣片隔離，并采用環(huán)氧樹脂灌封固化而成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，電路原理圖如圖2所示。

2 失效分析

2.1 穿心電容失效機(jī)理分析

陶瓷穿心電容因具有低ESR和ESL，在高頻段能提供較好的插入損耗特性，廣泛使用在管狀濾波器內(nèi)部，由于穿心電容的物理特性與陶瓷相似，均勻分布的高溫、低溫或相對(duì)緩慢溫變，均不會(huì)對(duì)電容體造成損傷，在產(chǎn)品組裝焊接過程中瓷體與烙鐵頭或熱風(fēng)槍等接觸，使瓷體受到突變的溫度應(yīng)力影響，內(nèi)部介質(zhì)層產(chǎn)生細(xì)微損傷，在后續(xù)的上機(jī)焊接安裝過程中受到較大的熱沖擊應(yīng)力而使電容器陶瓷體發(fā)生炸裂，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生短路現(xiàn)象，同時(shí)電容直接焊接在外殼上，外殼上受到的機(jī)械應(yīng)力都會(huì)傳導(dǎo)到電容器，導(dǎo)致電容開裂，如圖3所示。

機(jī)理分析：

電容的陶瓷結(jié)構(gòu)決定了其硬度和延展性較弱，對(duì)外部的溫度突變和機(jī)械應(yīng)力抵抗較差。當(dāng)高溫焊接時(shí)間過長(zhǎng)或機(jī)械應(yīng)力時(shí)，陶瓷體受應(yīng)力（溫度突變應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力）的影響發(fā)生輕微裂紋，導(dǎo)致內(nèi)部電極錯(cuò)位，如圖4所示，在高壓電應(yīng)力多次作用下使電容擊穿開裂。

圖2 管狀濾波器典型電路原理圖

圖3 穿心電容失效示意圖

圖4 電容器受損示意圖

2.2 端子旋轉(zhuǎn)、脫落失效機(jī)理分析

由于管狀濾波器安裝結(jié)構(gòu)的特殊性，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)期間，未考慮用戶安裝過程應(yīng)力分布的要求，導(dǎo)致安裝過程端子受應(yīng)力斷裂脫落，如圖5所示為濾波器端子受水平旋轉(zhuǎn)應(yīng)力而斷裂脫落，斷裂點(diǎn)為輸出端子與濾波器接合處。

機(jī)理分析：

濾波器引出端采用銅材加工而成，斷裂處位于輸出端子與內(nèi)部焊接點(diǎn)的連接處，此處為濾波器端子所受應(yīng)力集中點(diǎn)，機(jī)械強(qiáng)度最薄弱，如圖6所示。

當(dāng)濾波器端子按要求進(jìn)行橫向拉力試驗(yàn)時(shí)，因端子和濾波器內(nèi)部焊接在一起，試驗(yàn)的拉力不足以將端子拉至斷裂脫落，如圖7所示。

當(dāng)濾波器端子在纏線焊接時(shí)，端子受到拉力和搖擺力，這些應(yīng)力的支點(diǎn)為端子內(nèi)部和外部的連接處（端子最脆弱處），見圖6端子示意圖中的標(biāo)識(shí)，受力后端子來回彎折，該處金屬容易疲勞，端子從此處斷裂脫落，如圖8所示。

圖5 端子斷裂失效圖

圖6 端子示意圖

圖7 濾波器橫向拉力試驗(yàn)示意圖

圖8 濾波器水平旋轉(zhuǎn)應(yīng)力試驗(yàn)示意圖

圖9 PCB電容組件結(jié)構(gòu)圖

圖10 插入損耗曲線

從以上觀察和分析可知，濾波器端子斷裂脫落的原因是因?yàn)闉V波器端子在焊接裝配時(shí)受到橫向的應(yīng)力及水平旋轉(zhuǎn)力使端子材料疲勞后斷裂脫落。

圖11 管狀濾波器A端子與B端子

圖12 管狀濾波器A端與B端結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)構(gòu)可靠性提升設(shè)計(jì)

3.1 穿心電容結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

管狀濾波器電性能失效點(diǎn)主要集中在穿心電容的使用上，為了從根源上解決產(chǎn)品電性失效狀態(tài)，本文設(shè)計(jì)了一種PCB組件結(jié)構(gòu)對(duì)穿心電容進(jìn)行替代，通過PCB板組件的形式實(shí)現(xiàn)穿心電容的替代，通過片式陶瓷電容的并聯(lián)減小電容的ESR，通過PCB多重結(jié)構(gòu)形成小電容使高頻插入損耗性能穩(wěn)定，減小電容的ESL，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

通過該設(shè)計(jì)，產(chǎn)品插入損耗電性能完全達(dá)到改進(jìn)之前要求，且在高頻端性能有較好表現(xiàn)，如圖10所示，同時(shí)片式電容組件可以預(yù)制，不會(huì)受到安裝熱應(yīng)力影響；安裝完成后產(chǎn)品所有受到的機(jī)械應(yīng)力都傳導(dǎo)到PCB上，陶瓷電容不會(huì)受到影響。

3.2 端子防旋轉(zhuǎn)、防脫落結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)管狀濾波器端子旋轉(zhuǎn)與脫落問題，優(yōu)化了管狀濾波器的端子防旋轉(zhuǎn)、防脫落結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其特征在于以下方面：

如圖11所示，A端子設(shè)計(jì)為尾翼結(jié)構(gòu)，B端子在裝配過程對(duì)末端進(jìn)行打扁處理，管殼靠近A、B兩端子的開口內(nèi)壁設(shè)計(jì)為內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，如圖12所示，當(dāng)產(chǎn)品真空灌封固化后，膠液充滿內(nèi)螺紋間隙，使A、B端子具有防止水平旋轉(zhuǎn)的力，固化后對(duì)A、B端子進(jìn)行點(diǎn)膠加固，提高端子防橫向外拔的力。

根據(jù)管狀濾波器的穿心電容失效、端子旋轉(zhuǎn)、脫落問題，從結(jié)構(gòu)、材料方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了成本、提高了產(chǎn)品可靠性。

結(jié)語：本文結(jié)合失效模式對(duì)管狀濾波器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析出目前國(guó)產(chǎn)管狀濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，為管狀濾波器結(jié)構(gòu)可靠性提升研究奠定了基礎(chǔ)、明確了方向。