管狀濾波器結構可靠性設計分析

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配套濾波元器件，采用同軸結構，其結構緊湊，適于寬帶、低損耗、大功率的場合，在電子整機內(nèi)部廣泛分布于各個系統(tǒng)，直接關系到整個電子系統(tǒng)的安全可靠運行。

近年來，我國為擺脫電子信息飛速發(fā)展對關鍵元器件需求旺盛與國外對元器件嚴格控制這一矛盾局面，大力推動元器件國產(chǎn)化進程。管狀濾波器作為元器件國產(chǎn)化的一個重點項目分支，國產(chǎn)管狀濾波器實現(xiàn)了對進口產(chǎn)品的完全替換，性能指標等同甚至優(yōu)于國外產(chǎn)品。但由于國內(nèi)基礎科研相對薄弱，國產(chǎn)管狀濾波器在應用中仍有一部分問題的發(fā)生起因于產(chǎn)品結構的固有可靠性?；诖四康模疚囊猿Ｒ?guī)的管狀濾波器為例，通過對其結構可靠性分析，結合失效模式進行分析，提出結構優(yōu)化設計，為全面提高管狀濾波器系列產(chǎn)品的結構可靠性提供技術指導。

圖1 管狀濾波器結構示意圖

1 管狀濾波器結構分析

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)部電流信號通過電感器出線端進行傳遞，電感器出線端穿過穿心電容器并與A、B兩端子進行焊接，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，其結構如圖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、低溫或相對緩慢溫變，均不會對電容體造成損傷，在產(chǎn)品組裝焊接過程中瓷體與烙鐵頭或熱風槍等接觸，使瓷體受到突變的溫度應力影響，內(nèi)部介質(zhì)層產(chǎn)生細微損傷，在后續(xù)的上機焊接安裝過程中受到較大的熱沖擊應力而使電容器陶瓷體發(fā)生炸裂，進而導致產(chǎn)品發(fā)生短路現(xiàn)象，同時電容直接焊接在外殼上，外殼上受到的機械應力都會傳導到電容器，導致電容開裂，如圖3所示。

機理分析：

電容的陶瓷結構決定了其硬度和延展性較弱，對外部的溫度突變和機械應力抵抗較差。當高溫焊接時間過長或機械應力時，陶瓷體受應力（溫度突變應力或機械應力）的影響發(fā)生輕微裂紋，導致內(nèi)部電極錯位，如圖4所示，在高壓電應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)、脫落失效機理分析

由于管狀濾波器安裝結構的特殊性，在產(chǎn)品設計期間，未考慮用戶安裝過程應力分布的要求，導致安裝過程端子受應力斷裂脫落，如圖5所示為濾波器端子受水平旋轉(zhuǎn)應力而斷裂脫落，斷裂點為輸出端子與濾波器接合處。

機理分析：

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)部焊接點的連接處，此處為濾波器端子所受應力集中點，機械強度最薄弱，如圖6所示。

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

當濾波器端子在纏線焊接時，端子受到拉力和搖擺力，這些應力的支點為端子內(nèi)部和外部的連接處（端子最脆弱處），見圖6端子示意圖中的標識，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示意圖

圖8 濾波器水平旋轉(zhuǎn)應力試驗示意圖

圖9 PCB電容組件結構圖

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為濾波器端子在焊接裝配時受到橫向的應力及水平旋轉(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端結構圖

3 結構可靠性提升設計

3.1 穿心電容結構優(yōu)化設計

管狀濾波器電性能失效點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)，本文設計了一種PCB組件結構對穿心電容進行替代，通過PCB板組件的形式實現(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多重結構形成小電容使高頻插入損耗性能穩(wěn)定，減小電容的ESL，設計結構如圖9所示。

通過該設計，產(chǎn)品插入損耗電性能完全達到改進之前要求，且在高頻端性能有較好表現(xiàn)，如圖10所示，同時片式電容組件可以預制，不會受到安裝熱應力影響；安裝完成后產(chǎn)品所有受到的機械應力都傳導到PCB上，陶瓷電容不會受到影響。

3.2 端子防旋轉(zhuǎn)、防脫落結構優(yōu)化設計

針對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)、防脫落結構設計，其特征在于以下方面：

如圖11所示，A端子設計為尾翼結構，B端子在裝配過程對末端進行打扁處理，管殼靠近A、B兩端子的開口內(nèi)壁設計為內(nèi)螺紋結構，如圖12所示，當產(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A、B端子進行點膠加固，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，從結構、材料方面進行優(yōu)化設計，降低了成本、提高了產(chǎn)品可靠性。

結語：本文結合失效模式對管狀濾波器的結構進行了研究，詳細分析出目前國產(chǎn)管狀濾波器結構設計缺陷，為管狀濾波器結構可靠性提升研究奠定了基礎、明確了方向。