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LC滤波器的可靠性研究.doc

LC滤波器的可靠性研究

Bennett斌文
2019-02-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《LC滤波器的可靠性研究doc》,可适用于IT/计算机领域

小型化LC滤波器可靠性研究杜银波 许悦(中国电子科技集团公司第十三研究所 石家庄)摘要:小型化LC滤波器在使用过程中曾多次出现插损变大、功率下降等失效现象通过进行失效机理的分析发现导致产品出现故障的主要原因有元器件自身存在缺陷、LC滤波器生产过程的工艺控制不规范以及用户对小型化LC滤波器的使用不当等。本文通过对小型化LC滤波器的失效原因的深入分析提出了如何加强筛选检验剔除存在缺陷的元器件、改进过程的工艺方法以及加强对产品的售后服务等方面措施从而有效地降低了产品失效率和提高产品可靠性给用户提供满足使用要求的产品。关键词:LC滤波器微缺陷可靠性小型化插损二次熔融StudyofcompactLCFilterReliabilityDuYinbo XuYue(ThethResearchInstitute,CETC,Shijiazhuang,China)Abstract: IntheapplicationofcompactLCfilters,failurephenomenonsofInsertionlossincreasingandpowerdecreasingoftenoccurBasedonanalysisoffailuremodes,failuretheapplicationofcompactLCfiltersweremainlyduetothedefectivecomponents,nonstandardoperationduringthemanufactureprocess,andtheimproperuseoftheproductsInthispaper,failuremodesofcompactLCfiltersaredeeplyanalyzedandcorrespondingmethodsareproposed,suchasscreeningtesttookforthecomponentsoftheproducts,advanceofproductsoperationprocessandinspectionprocesstoreducehumanerror,strengtheningtheafterserviceandtechnicalguidanceByeffectivelyreducingfailurerateinapplicationoftheproductsandImprovingthereliability,theproductswillmeettherequirementsofcustomerswellKeywords:compactLCfilter microdefect reliability InsertionLoss remelting引言小型化LC滤波器是为了适应无线通讯设备向小体积、多功能、高稳定、高可靠的要求而研制的由于需工作于各种不同应力条件的严酷环境中对小型化LC滤波器产品的耐机械冲击、耐环境冲击、长期稳定可靠工作提出了很高的要求。由于小型化LC滤波器产品的高度集成化、小型化和调试工作的繁杂如何保证产品的可靠性成为研制和生产中的关注点。同时在近年来应用过程中曾多次出现滤波器插损变大、驻波增加等问题导致整机输出功率指标下降现象造成产品出现故障的原因有元器件失效、工艺缺陷和使用不当等。本文通过对小型化LC滤波器在使用中出现的失效原因进行深入分析提出了降低产品失效率的改进措施。LC滤波器的结构和应用小型化LC滤波器运用微波集总元件设计方法实现谐振电路使滤波器具有很小的体积、便于安装的结构且以及可控(且很远)的寄生通带同时具有设计灵活、成本低、研制周期短、适于批量生产等优点。小型化LC滤波器大量应用于GHz以下、低插损、高矩形度、各种带宽、小体积的场合。产品的封装选用了DIP系列、SMT系列、TO系列、SMA*系列等封装形式。工作温度为℃~℃。图给出了一个节(切比雪夫)LC滤波器典型的电路原理图和实物照片。图a典型的节LC滤波器电路原理图        图bLC滤波器典型实物照片FigaTypicalcircuitdiagramofLCfiltercircuitdiagram    FigaPictureofTypicalrealproduct  图 一个典型的节LC滤波器电路原理图及实物照片FigTypicalcircuitdiagramofLCfiltercircuitdiagramandPictureofpracticality目前该类产品的生产已大量采用了表面贴装、回流焊接的方式提高了产品的可靠性但是由于产品的设计和生产的需要还存在部分元器件共用焊盘的问题同时还需要在局部进行手工焊接这样存在了二次焊接和元件单端加热等影响元器件可靠性的问题。由于元器件参数的离散性为了实现滤波器工作所需的谐振频率范围还需手工对电感元件的线圈的间距进行调整。影响小型LC滤波器可靠性因素分析通过对小型LC滤波器产品出现质量问题的原因进行的统计发现影响产品可靠性的因素主要是由元器件、生产装配、用户使用等三方面因素。元器件本身的质量问题LC滤波器使用的元器件主要是多层瓷介电容器和绕线电感。多层瓷介电容器(MLCC),是由印好电极的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片而在芯片的两端封上金属电极。瓷介电容器主要包括三大部分:陶瓷介质、金属内电极、金属外电极如图所示。其中陶瓷介质是一种结构陶瓷其主要成分为钛酸钡(BaTiO)特点是介电常数特别高一般数千甚至上万一般在℃~℃左右烧结而成。图 电容器结构图FigstructureofChipCeramicCapacitor多层瓷介电容器(MLCC)存在的失效模式主要是陶瓷本体断裂或微裂问题和电容的电性能问题。断裂现象较明显而微裂一般出在内部不容易观察到这涉及到片状电容的材质、加工工艺和片状电容使用过程中的机械、热应力等作用因素影响。片状电容微裂纹是由于内电极与陶瓷介质在烧结过程中收缩不一致造成的。片状电容制造过程中第一道工序陶瓷粉料、有机黏合剂和溶剂混合配料时有机黏合剂的选型和在瓷浆中的比例决定了瓷浆干燥后瓷膜的收缩率第三道工序丝印时内电极金属层也较关键否则易产生强的收缩应力烧结是形成瓷体和产生片状电容电性能的决定性工序烧结不良可以直接影响到电性能且内电极金属层与陶瓷介质烧结时收缩不一致导致瓷体内部产生了微裂纹这些微裂纹对一般电性能不会产生影响但影响产品的可靠性。电容器的陶瓷介质上存在的微缺陷(微裂纹、孔洞等)在后续使用过程中内部银电极材料在电场作用下沿微缺陷产生迁移形成漏电通道使电容器漏电流增大。使用一段时间后出现绝缘电阻下降、漏电。电容器的绝缘电阻是一项重要的参数衡量着工作中片状电容漏电流大小。漏电流大片状电容储存不了电量片状电容两端电压下降。往往由于漏电流大导致了片状电容失效。线绕电感是在铁氧体磁环上使用漆包线绕制而成的。由于电感绕制过程或电感的传递过程操作存在不规范行为也会导致漆膜破损。之后由于瑕疵过于微小产品的检验未能及时发现和处理导致该电感仍进入用户产品的装配环节在使用中出现电感短路使得电感量下降。生产过程导致失效的因素LC滤波器的电路是根据产品的技术指标要求进行初步设计使用计算机仿真软件进行模拟仿真得到比较接近实际需要的元器件值由于电容的生产时其容值是分档的单个规格容值电容无法满足设计需求因此采用了电容并联达到目的。电感通过调节电感的疏密来获得需要的电感值。大部分元器件的装配焊接采用贴装和回流焊工艺的方式由于工艺设计的需要个别元器件还需要手工焊接。产品元器件的手工焊接和元件调整会对产品的可靠性产生影响。焊接导致的电容裂纹按照电容器焊接工艺规范要求为了避免电烙铁骤然对电容器的升温电容器内部变形导致机械损伤一般要求焊接时同时给基板和电容器预热保证电容器和焊料之间的温度差很小并且焊接完成后缓慢冷却。但是由于调试和元器件装配顺序的要求部分元件需在整个电路板经过回流焊接完成后进行产品电性能参数调试时进行更换或焊装使得电容的端电极产生了二次焊接这样会出现产品不加基板底温或底温不够问题而且电容的两端电极受热不均匀在瞬间高温作用下造成电容的介质受损。我们对LC滤波器故障产品上失效电容进行了失效分析图为一个端电极存在裂纹的电容X光照片。图 焊接导致电容裂纹的典型X光照片FigTypicalXrayphotoofAcrackcausedbySolderinthecapacitor将故障电容制成金相试样磨制后发现在电容器一端电极内部陶瓷介质存在一条裂纹该裂纹与端电极处于平行位置且已将介质贯穿。该裂纹终止于电容器端电极约一半位置处端电极内部的该部分陶瓷体已与电容器断开使得约一半内电极与端电极脱开。分析认为由于电容器受到热应力作用造成电容的端电极出现裂纹并且裂纹不断扩展导致陶瓷断裂使得部分内电极与端电极脱开引起电容器容值下降。电感存在漆皮脱落导致短路虽然通过仿真设计可以使得元器件的值选择的比较准确但要保证滤波器的性能指标满足技术协议等的要求还需要对谐振电感等进行适当调整和固定。在电感进行调整和固定工序会对电感造成损伤导致电感短路。由于电感参与谐振器的谐振其值变化会使谐振器失谐对传输、驻波指标造成较大影响直接的现象就是插损明显变大驻波也变大。电感器线圈短路导致匝间短路造成感值减小导致滤波器的电特性变差。经过分析电感出现损伤是由以下原因导致的。首先在电感量调整工序由于工艺操作的不规范会造成电感线圈出现破损。在滤波器调试过程中调试工具为手术刀或镊子在操作不规范时会损伤漆包线的某部位的漆膜这种损伤也会是很微小的。电感在调试结束后进行固定时与电路板上的焊盘、元器件的电极等接触当漆膜破损点与焊盘等接触时会造成电感短路。另外一种原因是可调电感在调试结束后电感磁环由竖立状态压付于电路板上方正好摆放在电路板进行固定时磁环的漆包线与其下面的元器件或电路板之间的距离比较近同时二者之间没有增加绝缘隔离层使得在后续的温度和力学试验中应力使得漆包线的漆膜和元器件的边缘或印制电路板的边发生摩擦而使漆膜破损进而短路。图为一只造成滤波器插损变大的短路电感的分析照片电感上的漆膜存在破损处(示意见图)继续阅读

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