管状滤波器结构可靠性设计分析

2021-06-03深圳振华富电子有限公司陈益芳李凯文李金辉蒋忠益

电子世界 2021年9期

深圳振华富电子有限公司陈益芳李凯文李金辉蒋忠益

管状滤波器作为重要的整机配套滤波元器件，采用同轴结构，其结构紧凑，适于宽带、低损耗、大功率的场合，在电子整机内部广泛分布于各个系统，直接关系到整个电子系统的安全可靠运行。

近年来，我国为摆脱电子信息飞速发展对关键元器件需求旺盛与国外对元器件严格控制这一矛盾局面，大力推动元器件国产化进程。管状滤波器作为元器件国产化的一个重点项目分支，国产管状滤波器实现了对进口产品的完全替换，性能指标等同甚至优于国外产品。但由于国内基础科研相对薄弱，国产管状滤波器在应用中仍有一部分问题的发生起因于产品结构的固有可靠性。基于此目的，本文以常规的管状滤波器为例，通过对其结构可靠性分析，结合失效模式进行分析，提出结构优化设计，为全面提高管状滤波器系列产品的结构可靠性提供技术指导。

图1 管状滤波器结构示意图

1 管状滤波器结构分析

管状滤波器内部是由金属外壳、焊接端子、电感器及穿心电容器组装而成，内部电流信号通过电感器出线端进行传递，电感器出线端穿过穿心电容器并与A、B两端子进行焊接，穿心电容器的外电极与外壳焊接，内电极与电感器出线端焊接，内部各器件之间用绝缘片隔离，并采用环氧树脂灌封固化而成，其结构如图1所示，电路原理图如图2所示。

2 失效分析

2.1 穿心电容失效机理分析

陶瓷穿心电容因具有低ESR和ESL，在高频段能提供较好的插入损耗特性，广泛使用在管状滤波器内部，由于穿心电容的物理特性与陶瓷相似，均匀分布的高温、低温或相对缓慢温变，均不会对电容体造成损伤，在产品组装焊接过程中瓷体与烙铁头或热风枪等接触，使瓷体受到突变的温度应力影响，内部介质层产生细微损伤，在后续的上机焊接安装过程中受到较大的热冲击应力而使电容器陶瓷体发生炸裂，进而导致产品发生短路现象，同时电容直接焊接在外壳上，外壳上受到的机械应力都会传导到电容器，导致电容开裂，如图3所示。

机理分析：

电容的陶瓷结构决定了其硬度和延展性较弱，对外部的温度突变和机械应力抵抗较差。当高温焊接时间过长或机械应力时，陶瓷体受应力（温度突变应力或机械应力）的影响发生轻微裂纹，导致内部电极错位，如图4所示，在高压电应力多次作用下使电容击穿开裂。

图2 管状滤波器典型电路原理图

图3 穿心电容失效示意图

图4 电容器受损示意图

2.2 端子旋转、脱落失效机理分析

由于管状滤波器安装结构的特殊性，在产品设计期间，未考虑用户安装过程应力分布的要求，导致安装过程端子受应力断裂脱落，如图5所示为滤波器端子受水平旋转应力而断裂脱落，断裂点为输出端子与滤波器接合处。

机理分析：

滤波器引出端采用铜材加工而成，断裂处位于输出端子与内部焊接点的连接处，此处为滤波器端子所受应力集中点，机械强度最薄弱，如图6所示。

当滤波器端子按要求进行横向拉力试验时，因端子和滤波器内部焊接在一起，试验的拉力不足以将端子拉至断裂脱落，如图7所示。

当滤波器端子在缠线焊接时，端子受到拉力和摇摆力，这些应力的支点为端子内部和外部的连接处（端子最脆弱处），见图6端子示意图中的标识，受力后端子来回弯折，该处金属容易疲劳，端子从此处断裂脱落，如图8所示。

图5 端子断裂失效图

图6 端子示意图

图7 滤波器横向拉力试验示意图

图8 滤波器水平旋转应力试验示意图

图9 PCB电容组件结构图

图10 插入损耗曲线

从以上观察和分析可知，滤波器端子断裂脱落的原因是因为滤波器端子在焊接装配时受到横向的应力及水平旋转力使端子材料疲劳后断裂脱落。

图11 管状滤波器A端子与B端子

图12 管状滤波器A端与B端结构图

3 结构可靠性提升设计

3.1 穿心电容结构优化设计

管状滤波器电性能失效点主要集中在穿心电容的使用上，为了从根源上解决产品电性失效状态，本文设计了一种PCB组件结构对穿心电容进行替代，通过PCB板组件的形式实现穿心电容的替代，通过片式陶瓷电容的并联减小电容的ESR，通过PCB多重结构形成小电容使高频插入损耗性能稳定，减小电容的ESL，设计结构如图9所示。

通过该设计，产品插入损耗电性能完全达到改进之前要求，且在高频端性能有较好表现，如图10所示，同时片式电容组件可以预制，不会受到安装热应力影响；安装完成后产品所有受到的机械应力都传导到PCB上，陶瓷电容不会受到影响。