鉭電容器高頻振動(dòng)結(jié)構(gòu)可靠性分析與設(shè)計(jì)

伍 權(quán) ,鄭 躍 ,舒啟佳 ,田東斌

(1.貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院,貴州貴陽(yáng) 550025;2.中國(guó)振華(集團(tuán))新云電子元器件有限責(zé)任公司,貴州貴陽(yáng) 550018)

鉭電容器是一種重要的基礎(chǔ)電子元件,具有體積小、容量高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天、移動(dòng)通訊、儀器儀表等領(lǐng)域[1]。鉭電容器使用過(guò)程中,常常經(jīng)歷惡劣、復(fù)雜的高頻振動(dòng)環(huán)境。振動(dòng)產(chǎn)生的變形和應(yīng)力將對(duì)電容器的結(jié)構(gòu)和工作性能造成影響,嚴(yán)重危及裝備系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此,振動(dòng)條件下的電容器可靠性問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注[1-3]。Alexander[4]研究了機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力對(duì)片式固體鉭電容漏電流等電參數(shù)特性的影響,發(fā)現(xiàn)應(yīng)力作用下鉭電容器的故障概率增加。程融等[5]通過(guò)錘擊實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鉭電容器在經(jīng)受突發(fā)性沖擊應(yīng)力時(shí)易出現(xiàn)瞬時(shí)短路的現(xiàn)象。張世莉等[6]分析了固體鉭電容的失效特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)鉭電容的失效與應(yīng)力相關(guān)。何榮華等[7]研究發(fā)現(xiàn)電容器在高過(guò)載實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了引線脆硬折斷的失效現(xiàn)象。目前,振動(dòng)作用下電容器可靠性研究主要集中于電參數(shù)特性的變化,較少涉及振動(dòng)應(yīng)力對(duì)元器件結(jié)構(gòu)的影響,缺少對(duì)振動(dòng)失效的理論分析。因此,開(kāi)展鉭電容器振動(dòng)條件下的結(jié)構(gòu)可靠性研究具有重要意義。

為評(píng)定鉭電容器高頻振動(dòng)的適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)完整性,通常需要利用振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行高頻振動(dòng)試驗(yàn)[8]。但由于鉭電容器尺寸小及特殊的封裝形式,傳統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)很難獲取內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變等動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的抗振能力測(cè)試受到較大的限制。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,有限元技術(shù)能夠準(zhǔn)確反映電子元件在復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),可以對(duì)結(jié)構(gòu)是否存在損傷進(jìn)行及時(shí)的診斷和評(píng)估,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)工作中的薄弱環(huán)節(jié)并找出改進(jìn)方向,被廣泛使用于電子器件與設(shè)備振動(dòng)問(wèn)題的科學(xué)研究和工程應(yīng)用[9-12],為鉭電容高頻振動(dòng)特性分析提供了有力工具。

論文采用COMSOL Multiphysics 多物理場(chǎng)仿真軟件對(duì)鉭電容器進(jìn)行高頻振動(dòng)仿真模擬,分析鉭電容器的固有頻率,研究振動(dòng)過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變等動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化規(guī)律與特性,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)工作中的薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行改進(jìn),為鉭電容器的設(shè)計(jì)、制造及其在振動(dòng)環(huán)境中的應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,主要由鉭外殼、鉭蓋、塞柱、調(diào)整墊片、陽(yáng)極塊、陽(yáng)極引線、下墊片等組成。由于鉭電容器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,為減少計(jì)算時(shí)間,提高效率,有限元建模過(guò)程中對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。將鉭蓋與鉭外殼設(shè)置為一體結(jié)構(gòu),略去鉭管與滾壓圈結(jié)構(gòu)(滾壓圈起著壓緊內(nèi)部各個(gè)零部件的作用,可以通過(guò)邊界條件設(shè)置來(lái)約束),陽(yáng)極塊是利用鉭粉壓制、燒結(jié)而成的具有較高強(qiáng)度的多孔體,建模時(shí)以實(shí)體代替。采用Solidworks 軟件建立簡(jiǎn)化后的電容器模型,然后導(dǎo)入到COMSOL Multiphysics 5.3 有限元軟件中,利用自由四面體單元進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分,并對(duì)陽(yáng)極引線、陽(yáng)極塊左端面、調(diào)整墊片右端面的網(wǎng)格進(jìn)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(gè)單元。鉭電容器外殼、鉭蓋、陽(yáng)極引線、陽(yáng)極塊材料為鉭,塞柱、下墊片、調(diào)整墊片材料為聚四氟乙烯,相關(guān)材料參數(shù)如表1 所示。在多體動(dòng)力學(xué)模塊中,將鉭電容器外殼與塞柱及下墊片、陽(yáng)極塊與陽(yáng)極引線設(shè)置為固定關(guān)節(jié)副連接,陽(yáng)極引線與調(diào)整墊片、塞柱之間設(shè)定為圓柱副連接。

在實(shí)際使用過(guò)程中,鉭電容器會(huì)受到不同頻率振動(dòng)的影響。當(dāng)激振頻率與鉭電容器的固有頻率相同或相近時(shí),將會(huì)引起電容器的共振,從而產(chǎn)生破壞。因此,根據(jù)鉭電容器結(jié)構(gòu)特性和材料參數(shù),利用COMSOL Multiphysics 模態(tài)分析模塊對(duì)鉭電容器進(jìn)行模態(tài)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(guò)程中所經(jīng)受的振動(dòng)大多不是簡(jiǎn)諧振動(dòng),但研究表明電子元件的簡(jiǎn)諧振動(dòng)分析可以較好地反映振動(dòng)對(duì)元件結(jié)構(gòu)和性能的影響,并為元件的振動(dòng)防護(hù)提供必要的資料[8]。依據(jù)電子元器件高頻振動(dòng)試驗(yàn)條件(GJB 360B-2009),采用正弦振動(dòng)來(lái)分析高頻振動(dòng)對(duì)鉭電容器結(jié)構(gòu)和性能的影響,其中,振動(dòng)頻率f=1200 Hz,振動(dòng)加速度20g～80g,分析鉭電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)在振動(dòng)條件下的位移、應(yīng)力、應(yīng)變分布及變化規(guī)律。

圖1 鉭電容器典型結(jié)構(gòu)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(shù)Tab.1 Material parameters of tantalum capacitor parts

2 鉭電容器高頻振動(dòng)有限元分析

2.1 模態(tài)分析

表2 顯示了該鉭電容器的固有頻率。由分析結(jié)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(zhì)量、形狀、材料等特性有關(guān),可以為鉭電容器的振動(dòng)特性設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)損傷分析提供基礎(chǔ)。因此,在鉭電容器設(shè)計(jì)制造時(shí),應(yīng)充分考慮實(shí)際使用環(huán)境避開(kāi)固有頻率,以免發(fā)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(dòng)結(jié)構(gòu)可靠性分析

圖2 顯示了振動(dòng)條件下(a=20g)鉭電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、應(yīng)變分布。從圖2(a)可以看出,在振動(dòng)激勵(lì)載荷作用下,鉭電容器整體隨著振動(dòng)產(chǎn)生徑向位移,但各部位位移不一致,陽(yáng)極塊前端相對(duì)位移較大,將與調(diào)整墊片及塞柱產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。圖2(b)顯示了鉭電容器內(nèi)部應(yīng)力分布情況,可以發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力分布在陽(yáng)極塊與陽(yáng)極引線過(guò)渡處,說(shuō)明該位置是電容器結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),容易發(fā)生破壞。這主要是因?yàn)檎駝?dòng)時(shí)此位置存在較大的相對(duì)位移,而陽(yáng)極引線的運(yùn)動(dòng)受到塞柱的約束,導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力集中。圖2(c)顯示了高頻振動(dòng)時(shí)鉭電容器內(nèi)部應(yīng)變主要集中在由聚四氟乙烯制成的塞柱、下墊片和調(diào)整墊片,主要是因?yàn)榫鬯姆蚁椥阅Ａ勘冉饘巽g低,振動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生變形。同時(shí),由不同振動(dòng)條件下有限元仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),鉭電容器內(nèi)部位移、應(yīng)力、應(yīng)變分布有類(lèi)似的規(guī)律。

圖3 顯示了鉭電容器在不同加速度振動(dòng)條件下的應(yīng)力-時(shí)程曲線。從圖中可以看出,在振動(dòng)開(kāi)始的極短時(shí)間里鉭電容器的最大應(yīng)力急劇增加,然后逐漸衰減,并最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)。當(dāng)振動(dòng)加速度為20g 時(shí),其瞬態(tài)最大應(yīng)力達(dá)到476.4 MPa,穩(wěn)態(tài)最大應(yīng)力為197.1 MPa。隨著振動(dòng)加速度的增大,瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的最大應(yīng)力均增大,應(yīng)力波動(dòng)也越大。當(dāng)振動(dòng)加速度為80g 時(shí),其瞬態(tài)最大應(yīng)力增加到1497.8 MPa,穩(wěn)態(tài)最大應(yīng)力增加到980.3 MPa。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)振動(dòng)后,各加速度條件下應(yīng)力波動(dòng)頻率均與其振動(dòng)激勵(lì)的頻率保持一致,且應(yīng)力峰峰值無(wú)明顯變化。

圖2 高頻振動(dòng)條件下鉭電容器內(nèi)部位移及應(yīng)力應(yīng)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(dòng)失效分析

隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展,鉭電容器使用越來(lái)越廣泛,工作環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜,要求其在各種惡劣的環(huán)境中能夠可靠地實(shí)現(xiàn)濾波、信號(hào)耦合等重要功能。鉭電容器工作時(shí)常常受到周期性的外力作用,其產(chǎn)生的振動(dòng)為受迫振動(dòng)。簡(jiǎn)諧激勵(lì)作用下的受迫振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)受到3種力的作用,分別是彈性力-kx,阻尼力-,簡(jiǎn)諧激勵(lì)作用力F(t)=F0cos(ωt),其動(dòng)力學(xué)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(fā)現(xiàn),鉭電容器受迫振動(dòng)響應(yīng)由兩部分組成,一是迅速衰減的阻尼振動(dòng)x1=Ae-βcos(ω′t +α),稱(chēng)為瞬態(tài)響應(yīng);二是持續(xù)的等幅振動(dòng)x2=A0cos(ωt +φ),稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。有限元分析表明,鉭電容器高頻振動(dòng)響應(yīng)這兩部分總是同時(shí)并存,但由于阻尼的存在,瞬態(tài)響應(yīng)迅速衰減,只剩下穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)。

圖3 不同振動(dòng)加速度條件下的應(yīng)力-時(shí)程曲線Fig.3 Stress-time curves under different vibration accelerations

鉭電容器的失效通常表現(xiàn)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(kāi)路;另一種是在外界應(yīng)力作用下,電容器的電參數(shù)逐漸發(fā)生變化到超過(guò)允許偏差值的參數(shù)超差失效[13-14]。高頻振動(dòng)仿真結(jié)果表明,在振動(dòng)開(kāi)始的極短時(shí)間內(nèi)電容器內(nèi)的最大應(yīng)力會(huì)急劇增大,且應(yīng)力集中在陽(yáng)極引線與陽(yáng)極塊的連接處。室溫下,鉭的抗拉強(qiáng)度為472 MPa[15]。陽(yáng)極塊是采用電容器級(jí)鉭粉通過(guò)壓制、燒結(jié)的方法制作而成,內(nèi)部呈多孔結(jié)構(gòu),其力學(xué)強(qiáng)度小于鉭絲的強(qiáng)度。當(dāng)振動(dòng)加速度達(dá)到20g 時(shí),其瞬態(tài)最大應(yīng)力高達(dá)476.4 MPa,振動(dòng)會(huì)在陽(yáng)極引線附近的陽(yáng)極塊上產(chǎn)生微裂紋,從而導(dǎo)致瞬時(shí)短路、漏電流升高等電特性參數(shù)變化[7]。當(dāng)振動(dòng)減弱或停止,由于鉭電容器具有獨(dú)特的“自愈”特性,鉭電容器性能恢復(fù),但振動(dòng)造成鉭電容器性能的不穩(wěn)定將對(duì)系統(tǒng)的可靠性造成影響。隨著振動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行,鉭電容器結(jié)構(gòu)可能同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和疲勞現(xiàn)象,兩者之間相互耦合將使得陽(yáng)極塊上的裂紋逐漸擴(kuò)展,鉭電容器固有的“自愈”特性已無(wú)法修補(bǔ)氧化膜,從而導(dǎo)致鉭電容器擊穿失效。同時(shí),隨著振動(dòng)加速度的增加,鉭電容器發(fā)生結(jié)構(gòu)失效的可能性也迅速增加。當(dāng)振動(dòng)加速度為80g 時(shí),其瞬態(tài)最大應(yīng)力達(dá)到1497.8 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鉭絲的抗拉強(qiáng)度,可能造成陽(yáng)極引線出現(xiàn)“瞬斷”現(xiàn)象,造成開(kāi)路失效。

3 鉭電容器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能測(cè)試

鉭電容器高頻振動(dòng)有限元分析結(jié)果表明,由于陽(yáng)極塊前端在振動(dòng)過(guò)程中相對(duì)位移過(guò)大,造成陽(yáng)極引線及相鄰陽(yáng)極塊區(qū)域應(yīng)力集中與瞬態(tài)應(yīng)力較大,使得鉭電容器易發(fā)生結(jié)構(gòu)失效。這主要是由于鉭電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的圓片式調(diào)整墊片無(wú)法對(duì)陽(yáng)極塊起到良好固定造成的。針對(duì)上述結(jié)構(gòu)問(wèn)題,為限制陽(yáng)極塊前端的相對(duì)位移,本文設(shè)計(jì)了一種爪式墊片結(jié)構(gòu),并在相同條件下進(jìn)行高頻振動(dòng)有限元分析,其結(jié)果如圖4 所示。由優(yōu)化前后的鉭電容器振動(dòng)應(yīng)力分析對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),相較于傳統(tǒng)圓片式調(diào)整墊片,爪式調(diào)整墊片能夠較好地限制陽(yáng)極塊高頻振動(dòng)時(shí)的相對(duì)位移,顯著地降低鉭電容器內(nèi)部的瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)最大應(yīng)力值。采用爪式墊片結(jié)構(gòu)的鉭電容器在振動(dòng)加速度80g 的條件下瞬態(tài)最大應(yīng)力為348.1 MPa,穩(wěn)態(tài)最大應(yīng)力為42.7 MPa,且應(yīng)力呈現(xiàn)出較為平緩的變化趨勢(shì),而未優(yōu)化前分別為1497.8 MPa 和980.3 MPa。

圖4 優(yōu)化前后應(yīng)力—時(shí)程曲線Fig.4 Stress-time curves before and after optimization

為驗(yàn)證爪式調(diào)整墊片的有效性,制備了一批該結(jié)構(gòu)的某型號(hào)鉭電容器,如圖5 所示。根據(jù)GJB 360B-2009 《電子元器件高頻振動(dòng)試驗(yàn)條件》 在電磁振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)(ES-80-445,蘇州東菱)進(jìn)行高頻振動(dòng)物理試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,該結(jié)構(gòu)鉭電容器在高頻振動(dòng)試驗(yàn)下均未發(fā)生損壞,爪式調(diào)整墊片能有效地提高振動(dòng)環(huán)境下鉭電容器的工作穩(wěn)定性與可靠性。

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

4 結(jié)論

本文采用有限元法對(duì)鉭電容器高頻振動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)可靠性問(wèn)題進(jìn)行了分析,并據(jù)此優(yōu)化了調(diào)整墊片結(jié)構(gòu),為鉭電容器的設(shè)計(jì)、制造及其在振動(dòng)環(huán)境中的應(yīng)用提供有益的參考。研究結(jié)果表明:

(1)鉭電容器高頻振動(dòng)響應(yīng)分為瞬態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)兩個(gè)部分,其瞬態(tài)應(yīng)力遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)應(yīng)力,且隨著振動(dòng)加速度的增加,瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的最大應(yīng)力均迅速增大。

(2)高頻振動(dòng)應(yīng)力主要集中在陽(yáng)極塊與陽(yáng)極引線過(guò)渡處,易導(dǎo)致陽(yáng)極塊產(chǎn)生裂紋,并隨著振動(dòng)的持續(xù)擴(kuò)展甚至產(chǎn)生“瞬斷”現(xiàn)象,從而造成鉭電容器性能的不穩(wěn)定或突變性失效。

(3)與傳統(tǒng)圓片式調(diào)整墊片結(jié)構(gòu)相比,爪式墊片結(jié)構(gòu)可以較好地限制陽(yáng)極塊上端的相對(duì)位移,能夠顯著地降低高頻振動(dòng)時(shí)鉭電容器內(nèi)部的瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)最大應(yīng)力值,有效地提高振動(dòng)環(huán)境下鉭電容器的工作穩(wěn)定性與可靠性。