鐵氧體材料電感開裂問題研究及改進

何燕春，周少雄，張 翔

（中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

電感器具有篩選信號、過濾噪聲、穩定電流及抑制電磁波干擾等功能，因此被廣泛應用于印制電路組件中[1]。在航空印制電子組件中，由于對服役環境有要求，所以電感器面臨高低溫、振動等惡劣環境的考核要求，如何有效地解決電感器的可靠性問題，已成為提高產品使用壽命和降低故障率的關鍵技術之一，因此對電感器進行點膠加固顯得尤為重要[2]。本文采用ANSYS軟件仿真模擬各種工況在振動和溫循中電感器受應力情況、試驗驗證膠粘劑的材料類型和加固方式及本體結構對電感可靠性的影響。

1 概述

生產中發現，SD系列表面貼裝電感在經過溫度沖擊和隨機振動試驗后，其中有2/3以上的電感出現開裂問題，裂紋主要表現在“工”字形電感的頂蓋面，裂紋貫穿整個頂蓋，裂紋的起始端和終點為膠粘劑點膠位置。SD系列電感器由“工”字形磁芯、漆包線和底座組成，“工”字形磁芯的主要材料為鐵氧體。下底座表面設置貼裝焊點，以表面貼裝的方式組裝到模塊上。因為器件本體較重且表面貼裝的點較小，所以不能保證產品的可靠性，通常需在電感周圍施加膠粘劑進行加固[3]。

為了探究電感表面開裂的原因，本研究從“人、機、料、法、環、測”6個要素對電感開裂的原因進行排查。一是人員因素分析。由于電感為批次性開裂，對生產數據進行分析發現，雖然參與生產的操作人員的技能水平參差不齊，但是開裂電感分布與操作人員的技能水平無關，其電感開裂與操作人員之間不存在相關性，因此排除人員因素的影響。二是分析生產中設備對電感的影響。電感在加工完成后，經過篩選、電裝、“三防”等環節的檢驗，檢驗結果均為合格，并且產品在進行環境試驗前對電感進行專項檢驗也未發現問題，所以可以排除生產過程中設備對電感造成的直接性損傷因素。三是分析組成電感的相關材料因素的影響。因為電感的表貼焊接技術存在一定的缺陷，不能保證焊接電感的穩固性，所以需要在其周邊點采用加固膠進行加固。加固膠為環氧類，固化后形成較大內應力，電感本體材料為脆性材料鐵氧體，鐵氧體材料與環氧類膠粘劑的膨脹系數存在較大的差異且與周圍的加固膠熱膨脹系數不匹配，產生的熱應力超過材料耐受極限，導致電感表面開裂[3-4]。因此，環氧膠粘劑是導致鐵氧體開裂的因素之一。四是分析電感的“工”字形結構和加固材料的點膠高度因素的影響。首先，電感的“工”字形結構中，上頂蓋面積較大，“工”字形中間體環繞線圈，環繞線圈的數量和大小決定了“工”字形結構的大小。當“工”字形結構的中間體繞線圈較少時，中間體小，上頂蓋外露面積較大；當上頂蓋外露邊緣受應力時，可使上頂蓋產生貫穿性裂紋。因此，當上頂蓋的大小一定時，“工”字形結構的中間體大小、線圈繞線的多少是導致頂蓋開裂的因素。其次，分析加固膠的加固工藝發現，加固膠在電感裝焊的兩側邊對稱位置進行加固，當點膠高度至頂蓋的下底面時，膠體在溫度循環過程中的熱脹冷縮產生的熱應力直接作用在頂蓋板上，當頂蓋板的兩側受到膠體的不斷拉伸力作用后導致頂蓋板開裂。因此，點膠高度是導致頂蓋板開裂的因素之一。五是電感的生產環境在一定的受控范圍內，電感加工完成后，經過篩選、電裝、“三防”等環節的檢驗，結果均為合格，產品在進行環境試驗前對電感進行檢查并未發現問題，因此電感生產過程環境影響不是導致電感頂蓋開裂的因素。六是對開裂的電感采用目視法進行檢查，檢測過程中將開裂和未開裂的電感混在一起，然后分為10組且由不同的檢驗員進行判定，其判定結果均一致，因此可以排除檢驗因素的影響。

分析上述“人、機、料、法、環、測”6個方面的影響因素可知，導致電感開裂的主要影響因素如下：第一，在材料方面，環氧加固膠材料與鐵氧體材料存在熱匹配問題，電感頂蓋在加固膠熱應力的作用下有可能出現開裂。第二，在工藝方面，電感的“工”字形結構繞線圈的多少會影響中間體的大小，這可能是導致電感頂蓋開裂的因素。第三，點膠加固的高度會影響膠粘劑的應力是否作用于頂蓋板，這可能是導致電感頂蓋板開裂的因素。以上3個方面均可能導致電感開裂。因此，為探究膠粘劑類型、點膠方式及電感結構對電感表面開裂問題的影響，采用有限元仿真和試驗驗證方法進行分析研究。

2 理論分析

2.1 仿真模型理論

為了驗證以上分析結果，使用ANSYS軟件進行仿真分析，設置6種工況和3個對比組，其仿真過程結合模態理論[5]進行隨機振動仿真，模態分析的振動方程如下：

式（1）中：[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{U}為位移矢量；｛F（t）｝為力矢量；為速度矢量；為加速度矢量。

根據熱應力理論依據[6-7]，探究環氧膠與鐵氧體電感之間的熱應力，熱應力計算方程如下：

式（2）中，σ為熱應力，D為彈性矩陣，ε和ε0分別為溫度變化引起的溫度應變和初應變。

為理解膠粘劑對鐵氧體電感點膠的正向或失效效果，利用ANSYS模擬實際電感受力情況，設置3個對比組，分別為環氧膠與硅橡膠對比、“工”字形柱體大小對比（兩種規格的“工”字形柱體，結構1的直徑為5.46 mm，結構2的直徑為7.1 mm）、兩種點膠方式對比（膠粘劑是否接觸“工”字形柱頂蓋，方式1為膠粘劑接觸頂蓋，方式2為膠粘劑不接觸頂蓋），分別對6種電感開裂情況進行建模分析。建模圖形如圖1所示。

圖1 電感點膠的仿真模型1～6

2.2 振動仿真方面分析

模擬實際產品在以上環境試驗的條件，隨機振動條件的頻率范圍為10～2 000 Hz，加速度譜密度為0.1 g2/Hz，振動阻尼系數為0.05。對以下6種影響電感開裂的情況進行隨機振動仿真分析，其頂蓋在振動時承受的應力分別如下：①環氧膠+結構1+方式1為4.127 8 MPa；②環氧膠+結構1+方式2為6.506 MPa；③環氧膠+結構2+方式1為3.934 MPa；④環氧膠+結構2+方式2為3.988 MPa；⑤硅橡膠+結構1為2.620 8 MPa；⑥硅橡膠+結構2為2.257 7 MPa。從振動的仿真數據模型上看，首先，硅橡膠加固方式對頂蓋起到整體支撐和緩沖振動的作用，硅橡膠加固比環氧膠加固對頂蓋的應力低；其次，“工”字形結構中間體較大的頂蓋所受應力影響較小，中間體小的頂蓋受振動影響較大，中間體較大的對頂蓋起到很好的支撐作用；最后，環氧膠點膠膠體接觸頂蓋（點膠方式1）對頂蓋的加固起到一定支撐作用，降低了頂蓋所受應力。因此，在振動環境下，硅橡膠點膠對頂蓋加固起到一定的緩沖作用，“工”字形結構中間體較大和環氧膠接觸頂蓋的點膠方式均可以降低頂蓋所受振動應力。

2.3 熱沖擊仿真方面分析

依據產品的試驗環境條件，溫度沖擊條件為初始溫度25℃、低溫-55℃、高溫85℃，極限溫度保持時間均為1 h；高低溫轉換時間小于5 min，循環次數為3次，一個循環周期為130 min。對6種影響電感開裂的情況進行溫度沖擊仿真分析，其頂蓋在溫度沖擊時承受的應力分別如下：①環氧膠+結構1+方式1為419.47MPa；②環氧膠+結構1+方式2為169.83 MPa；③環氧膠+結構2+方式1為284.98 MPa；④環氧膠+結構2+方式2為148.62 MPa；⑤硅橡膠+結構1為22.596 MPa；⑥硅橡膠+結構2為20.572 MPa。從溫度沖擊仿真數據模型來看，首先，硅橡膠加固方式對頂蓋起到整體支撐和振動緩沖作用的同時，在溫度沖擊中可降低電感頂蓋所受應力；其次，環氧膠加固中點膠加固方式2的膠粘劑不接觸頂蓋，膠粘劑不會對頂蓋起作用且有溫度沖擊時，頂蓋所受應力為自身抗溫度沖擊中所需承受的應力；最后，在中間體較小時即結構1中，環氧膠粘劑接觸頂蓋的點膠方式使電感頂蓋所受應力增加2.5倍，在中間體較大時即結構2中，環氧膠粘劑接觸頂蓋的點膠方式使電感頂蓋所受應力增加1.9倍，硅橡膠加固比環氧膠加固對頂蓋的應力低，“工”字形結構中間體較大的頂蓋所受應力較小，環氧膠對頂蓋的加固起到反作用，由此判斷導致頂蓋開裂的主要原因。

2.4 仿真結果

通過上述振動和溫度循環仿真，結果如下：

（1）溫度循環過程中，電感頂蓋在振動過程中所受應力較小，隨機振動時，電感上最小應力為2.257 7 MPa，最大應力為6.506 MPa，溫度沖擊造成最小應力為20.572 MPa，最大應力為419.47 MPa，隨機振動對電感本體造成的應力遠小于溫度沖擊對電感造成的損傷，相比溫度循環對電感造成的應力，隨機振動的應力影響可忽略。

（2）硅橡膠全部包裹的方式不僅可以降低電感頂蓋在振動環境中所受應力，而且可以使其在溫度循環過程中頂蓋所受應力下降7倍左右。

（3）“工”字形結構中間體較大時，無論是在振動環境，還是在溫度循環中，頂蓋所受應力都較小。

（4）環氧膠點膠加固方式雖然降低電感頂蓋在振動應力中所受應力，但是在溫度沖擊中所受應力增加了1.9—2.5倍，并且溫度沖擊過程對電感頂蓋造成的應力高于振動環境所受應力一個數量級。

因此，對電感在振動過程和溫度沖擊過程所受應力情況進行分析，硅橡膠點膠加固方式模型5、模型6，“工”字形結構中間體較大的模型3、模型4，點膠方式2膠粘劑不接觸頂蓋模型2、模型4，均可降低頂蓋所受應力。

3 實驗驗證

依據仿真實驗結果分析得出，相對溫度循環，隨機振動對電感本體造成的應力遠小于溫度沖擊對電感造成的損傷，隨機振動的應力影響可忽略，因此設計溫度沖擊實驗進行驗證。其中，溫度沖擊條件為初始溫度25℃，低溫-55℃，高溫85℃，極限溫度保持時間均為1 h；高低溫轉換時間小于5 min，循環次數為3次，一個循環周期為130 min。依據仿真數據可知，溫度沖擊條件下模型1及模型3受到的應力最大，點膠方式2的環氧膠粘劑接觸頂蓋時電感結構1和結構2的受力最大，可能導致電感開裂。因此，按模型1及模型3各準備樣件12件進行溫度沖擊實驗，實驗發現，模型1樣件表面均產生開裂，但模型3均未發生開裂現象。因此，采用環氧膠點膠且膠粘劑接觸頂蓋時，電感結構1易開裂，而結構2無開裂問題，電感頂蓋所能承受應力應為419.47～284.98 MPa，其他模型應力均小于284.98 MPa，不會出現開裂問題。為驗證結論的準確性，為模型2、模型4、模型5、模型6各準備樣件6件同上述實驗條件進行溫度沖擊實驗，實驗結果為模型2、模型4、模型5、模型6樣件均未出現電感頂蓋開裂問題。

由以上實驗結果得出，模型1～6共計6種工況中，只有模型1，即環氧膠加固“工”字形電感、膠粘劑接觸電感頂蓋、“工”字形結構中間體較小的情況下，電感在溫度沖擊實驗中出現了頂蓋開裂的情況，其他模型工況均未出現電感開裂的情況。

4 結論

通過對鐵氧體材料電感在隨機振動和溫度劇變條件下進行仿真分析和驗證鐵氧體電感加固用膠粘劑、點膠加固高度和鐵氧體電感的“工”字形結構3個方面對電感頂蓋開裂的影響，得出以下結論：

（1）鐵氧體材料電感“工”字形結構中間體較小時，使用環氧膠加固“工”字形結構電感且膠粘劑接觸電感頂蓋的情況下，鐵氧體材料電感在溫度沖擊環境下，頂蓋出現開裂問題。

（2）鐵氧體材料電感“工”字形結構中間體增大、使用硅橡膠代替環氧膠加固電感和降低環氧膠點膠高度使其不接觸鐵氧體頂蓋的3種改善方式均不會使鐵氧體材料電感的頂蓋在溫度沖擊環境實驗條件下出現開裂問題。

（3）鐵氧體材料電感頂蓋開裂的原因是鐵氧體材料與環氧膠粘劑之間膨脹系數存在較大的差異、“工”字形電感柱體直徑較小和環氧膠粘劑點膠高度高（膠粘劑接觸電感頂蓋）三者共同作用的結果。

（4）使用硅橡膠加固方式代替環氧膠加固方式，不僅可以改善電感所受振動應力，而且可以使其在溫度沖擊條件下的應力下降7倍左右，該工法的改進是避免電感開裂的最優選擇。