钽电容器高频振动结构可靠性分析与设计

伍 权 ,郑 跃 ,舒启佳 ,田东斌

(1.贵州师范大学机械与电气工程学院,贵州贵阳 550025;2.中国振华(集团)新云电子元器件有限责任公司,贵州贵阳 550018)

钽电容器是一种重要的基础电子元件,具有体积小、容量高、性能稳定等特点,被广泛应用于航空航天、移动通讯、仪器仪表等领域[1]。钽电容器使用过程中,常常经历恶劣、复杂的高频振动环境。振动产生的变形和应力将对电容器的结构和工作性能造成影响,严重危及装备系统的稳定性和可靠性。因此,振动条件下的电容器可靠性问题越来越受到关注[1-3]。Alexander[4]研究了机械振动应力对片式固体钽电容漏电流等电参数特性的影响,发现应力作用下钽电容器的故障概率增加。程融等[5]通过锤击实验发现钽电容器在经受突发性冲击应力时易出现瞬时短路的现象。张世莉等[6]分析了固体钽电容的失效特点,发现钽电容的失效与应力相关。何荣华等[7]研究发现电容器在高过载实验中出现了引线脆硬折断的失效现象。目前,振动作用下电容器可靠性研究主要集中于电参数特性的变化,较少涉及振动应力对元器件结构的影响,缺少对振动失效的理论分析。因此,开展钽电容器振动条件下的结构可靠性研究具有重要意义。

为评定钽电容器高频振动的适应性和结构完整性,通常需要利用振动试验台对其进行高频振动试验[8]。但由于钽电容器尺寸小及特殊的封装形式,传统的振动试验很难获取内部结构的应力、应变等动态响应情况,其内部结构的抗振能力测试受到较大的限制。随着计算机仿真技术的发展,有限元技术能够准确反映电子元件在复杂振动环境中的动力学响应,可以对结构是否存在损伤进行及时的诊断和评估,发现设计工作中的薄弱环节并找出改进方向,被广泛使用于电子器件与设备振动问题的科学研究和工程应用[9-12],为钽电容高频振动特性分析提供了有力工具。

论文采用COMSOL Multiphysics 多物理场仿真软件对钽电容器进行高频振动仿真模拟,分析钽电容器的固有频率,研究振动过程中内部应力、应变等动态响应变化规律与特性,发现设计工作中的薄弱环节并进行改进,为钽电容器的设计、制造及其在振动环境中的应用提供有益的参考。

1 钽电容器有限元建模

钽电容器的典型结构如图1(a)所示,主要由钽外壳、钽盖、塞柱、调整垫片、阳极块、阳极引线、下垫片等组成。由于钽电容器结构较为复杂,为减少计算时间,提高效率,有限元建模过程中对其结构进行了简化。将钽盖与钽外壳设置为一体结构,略去钽管与滚压圈结构(滚压圈起着压紧内部各个零部件的作用,可以通过边界条件设置来约束),阳极块是利用钽粉压制、烧结而成的具有较高强度的多孔体,建模时以实体代替。采用Solidworks 软件建立简化后的电容器模型,然后导入到COMSOL Multiphysics 5.3 有限元软件中,利用自由四面体单元进行自动网格划分,并对阳极引线、阳极块左端面、调整垫片右端面的网格进行局部加密,得到的有限元模型如图1(b)所示,该模型包含76832 个单元。钽电容器外壳、钽盖、阳极引线、阳极块材料为钽,塞柱、下垫片、调整垫片材料为聚四氟乙烯,相关材料参数如表1 所示。在多体动力学模块中,将钽电容器外壳与塞柱及下垫片、阳极块与阳极引线设置为固定关节副连接,阳极引线与调整垫片、塞柱之间设定为圆柱副连接。

在实际使用过程中,钽电容器会受到不同频率振动的影响。当激振频率与钽电容器的固有频率相同或相近时,将会引起电容器的共振,从而产生破坏。因此,根据钽电容器结构特性和材料参数,利用COMSOL Multiphysics 模态分析模块对钽电容器进行模态分析,确定钽电容器的1～6 阶固有频率。虽然钽电容器工作过程中所经受的振动大多不是简谐振动,但研究表明电子元件的简谐振动分析可以较好地反映振动对元件结构和性能的影响,并为元件的振动防护提供必要的资料[8]。依据电子元器件高频振动试验条件(GJB 360B-2009),采用正弦振动来分析高频振动对钽电容器结构和性能的影响,其中,振动频率f=1200 Hz,振动加速度20g～80g,分析钽电容器内部结构在振动条件下的位移、应力、应变分布及变化规律。

图1 钽电容器典型结构与有限元模型Fig.1 Typical structure and finite element model of tantalum capacitor

表1 钽电容器零件材料参数Tab.1 Material parameters of tantalum capacitor parts

2 钽电容器高频振动有限元分析

2.1 模态分析

表2 显示了该钽电容器的固有频率。由分析结果可知,钽电容器的1～6 阶固有频率依次为3858.1,4102.9,4835.7,10132.4,12166.9 和13552.3 Hz。固有频率只与元件的质量、形状、材料等特性有关,可以为钽电容器的振动特性设计和结构损伤分析提供基础。因此,在钽电容器设计制造时,应充分考虑实际使用环境避开固有频率,以免发生共振。

表2 钽电容器的固有频率Tab.2 Natural frequencies of tantalum capacitor

2.2 高频振动结构可靠性分析

图2 显示了振动条件下(a=20g)钽电容器内部结构位移、应力、应变分布。从图2(a)可以看出,在振动激励载荷作用下,钽电容器整体随着振动产生径向位移,但各部位位移不一致,阳极块前端相对位移较大,将与调整垫片及塞柱产生相对运动。图2(b)显示了钽电容器内部应力分布情况,可以发现最大应力分布在阳极块与阳极引线过渡处,说明该位置是电容器结构的薄弱环节,容易发生破坏。这主要是因为振动时此位置存在较大的相对位移,而阳极引线的运动受到塞柱的约束,导致产生应力集中。图2(c)显示了高频振动时钽电容器内部应变主要集中在由聚四氟乙烯制成的塞柱、下垫片和调整垫片,主要是因为聚四氟乙烯弹性模量比金属钽低,振动时容易产生变形。同时,由不同振动条件下有限元仿真结果发现,钽电容器内部位移、应力、应变分布有类似的规律。

图3 显示了钽电容器在不同加速度振动条件下的应力-时程曲线。从图中可以看出,在振动开始的极短时间里钽电容器的最大应力急剧增加,然后逐渐衰减,并最终达到稳态。当振动加速度为20g 时,其瞬态最大应力达到476.4 MPa,稳态最大应力为197.1 MPa。随着振动加速度的增大,瞬态和稳态的最大应力均增大,应力波动也越大。当振动加速度为80g 时,其瞬态最大应力增加到1497.8 MPa,稳态最大应力增加到980.3 MPa。进入稳态振动后,各加速度条件下应力波动频率均与其振动激励的频率保持一致,且应力峰峰值无明显变化。

图2 高频振动条件下钽电容器内部位移及应力应变分布Fig.2 Distribution of displacement,stress and strain in tantalum capacitor under high frequency vibration

2.3 钽电容器高频振动失效分析

随着电子信息技术的不断发展,钽电容器使用越来越广泛,工作环境也越来越复杂,要求其在各种恶劣的环境中能够可靠地实现滤波、信号耦合等重要功能。钽电容器工作时常常受到周期性的外力作用,其产生的振动为受迫振动。简谐激励作用下的受迫振动质点受到3种力的作用,分别是弹性力-kx,阻尼力-,简谐激励作用力F(t)=F0cos(ωt),其动力学方程为:

得到该方程的解为:

式中:x为位移;A为振幅;β为阻尼因子;φ为相位角。可以发现,钽电容器受迫振动响应由两部分组成,一是迅速衰减的阻尼振动x1=Ae-βcos(ω′t +α),称为瞬态响应;二是持续的等幅振动x2=A0cos(ωt +φ),称为稳态响应。有限元分析表明,钽电容器高频振动响应这两部分总是同时并存,但由于阻尼的存在,瞬态响应迅速衰减,只剩下稳态受迫振动。

图3 不同振动加速度条件下的应力-时程曲线Fig.3 Stress-time curves under different vibration accelerations

钽电容器的失效通常表现为两种形式:一种是突变性的致命失效,包括电容器的各种击穿和开路;另一种是在外界应力作用下,电容器的电参数逐渐发生变化到超过允许偏差值的参数超差失效[13-14]。高频振动仿真结果表明,在振动开始的极短时间内电容器内的最大应力会急剧增大,且应力集中在阳极引线与阳极块的连接处。室温下,钽的抗拉强度为472 MPa[15]。阳极块是采用电容器级钽粉通过压制、烧结的方法制作而成,内部呈多孔结构,其力学强度小于钽丝的强度。当振动加速度达到20g 时,其瞬态最大应力高达476.4 MPa,振动会在阳极引线附近的阳极块上产生微裂纹,从而导致瞬时短路、漏电流升高等电特性参数变化[7]。当振动减弱或停止,由于钽电容器具有独特的“自愈”特性,钽电容器性能恢复,但振动造成钽电容器性能的不稳定将对系统的可靠性造成影响。随着振动的持续进行,钽电容器结构可能同时产生振动和疲劳现象,两者之间相互耦合将使得阳极块上的裂纹逐渐扩展,钽电容器固有的“自愈”特性已无法修补氧化膜,从而导致钽电容器击穿失效。同时,随着振动加速度的增加,钽电容器发生结构失效的可能性也迅速增加。当振动加速度为80g 时,其瞬态最大应力达到1497.8 MPa,远远超过钽丝的抗拉强度,可能造成阳极引线出现“瞬断”现象,造成开路失效。

3 钽电容器结构优化与性能测试

钽电容器高频振动有限元分析结果表明,由于阳极块前端在振动过程中相对位移过大,造成阳极引线及相邻阳极块区域应力集中与瞬态应力较大,使得钽电容器易发生结构失效。这主要是由于钽电容器内部结构中的圆片式调整垫片无法对阳极块起到良好固定造成的。针对上述结构问题,为限制阳极块前端的相对位移,本文设计了一种爪式垫片结构,并在相同条件下进行高频振动有限元分析,其结果如图4 所示。由优化前后的钽电容器振动应力分析对比可以发现,相较于传统圆片式调整垫片,爪式调整垫片能够较好地限制阳极块高频振动时的相对位移,显著地降低钽电容器内部的瞬态及稳态最大应力值。采用爪式垫片结构的钽电容器在振动加速度80g 的条件下瞬态最大应力为348.1 MPa,稳态最大应力为42.7 MPa,且应力呈现出较为平缓的变化趋势,而未优化前分别为1497.8 MPa 和980.3 MPa。

图4 优化前后应力—时程曲线Fig.4 Stress-time curves before and after optimization

为验证爪式调整垫片的有效性,制备了一批该结构的某型号钽电容器,如图5 所示。根据GJB 360B-2009 《电子元器件高频振动试验条件》 在电磁振动试验平台(ES-80-445,苏州东菱)进行高频振动物理试验。试验结果显示,该结构钽电容器在高频振动试验下均未发生损坏,爪式调整垫片能有效地提高振动环境下钽电容器的工作稳定性与可靠性。

图5 采用爪式调整垫片的钽电容器Fig.5 Tantalum capacitor with claw type gasket

4 结论

本文采用有限元法对钽电容器高频振动内部结构可靠性问题进行了分析,并据此优化了调整垫片结构,为钽电容器的设计、制造及其在振动环境中的应用提供有益的参考。研究结果表明:

(1)钽电容器高频振动响应分为瞬态响应与稳态响应两个部分,其瞬态应力远大于稳态应力,且随着振动加速度的增加,瞬态和稳态的最大应力均迅速增大。

(2)高频振动应力主要集中在阳极块与阳极引线过渡处,易导致阳极块产生裂纹,并随着振动的持续扩展甚至产生“瞬断”现象,从而造成钽电容器性能的不稳定或突变性失效。

(3)与传统圆片式调整垫片结构相比,爪式垫片结构可以较好地限制阳极块上端的相对位移,能够显著地降低高频振动时钽电容器内部的瞬态及稳态最大应力值,有效地提高振动环境下钽电容器的工作稳定性与可靠性。