鐵氧體材料電感開裂問題研究及改進(jìn)

何燕春，周少雄，張 翔

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

電感器具有篩選信號(hào)、過濾噪聲、穩(wěn)定電流及抑制電磁波干擾等功能，因此被廣泛應(yīng)用于印制電路組件中[1]。在航空印制電子組件中，由于對(duì)服役環(huán)境有要求，所以電感器面臨高低溫、振動(dòng)等惡劣環(huán)境的考核要求，如何有效地解決電感器的可靠性問題，已成為提高產(chǎn)品使用壽命和降低故障率的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此對(duì)電感器進(jìn)行點(diǎn)膠加固顯得尤為重要[2]。本文采用ANSYS軟件仿真模擬各種工況在振動(dòng)和溫循中電感器受應(yīng)力情況、試驗(yàn)驗(yàn)證膠粘劑的材料類型和加固方式及本體結(jié)構(gòu)對(duì)電感可靠性的影響。

1 概述

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，SD系列表面貼裝電感在經(jīng)過溫度沖擊和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后，其中有2/3以上的電感出現(xiàn)開裂問題，裂紋主要表現(xiàn)在“工”字形電感的頂蓋面，裂紋貫穿整個(gè)頂蓋，裂紋的起始端和終點(diǎn)為膠粘劑點(diǎn)膠位置。SD系列電感器由“工”字形磁芯、漆包線和底座組成，“工”字形磁芯的主要材料為鐵氧體。下底座表面設(shè)置貼裝焊點(diǎn)，以表面貼裝的方式組裝到模塊上。因?yàn)槠骷倔w較重且表面貼裝的點(diǎn)較小，所以不能保證產(chǎn)品的可靠性，通常需在電感周圍施加膠粘劑進(jìn)行加固[3]。

為了探究電感表面開裂的原因，本研究從“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”6個(gè)要素對(duì)電感開裂的原因進(jìn)行排查。一是人員因素分析。由于電感為批次性開裂，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，雖然參與生產(chǎn)的操作人員的技能水平參差不齊，但是開裂電感分布與操作人員的技能水平無關(guān)，其電感開裂與操作人員之間不存在相關(guān)性，因此排除人員因素的影響。二是分析生產(chǎn)中設(shè)備對(duì)電感的影響。電感在加工完成后，經(jīng)過篩選、電裝、“三防”等環(huán)節(jié)的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果均為合格，并且產(chǎn)品在進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)前對(duì)電感進(jìn)行專項(xiàng)檢驗(yàn)也未發(fā)現(xiàn)問題，所以可以排除生產(chǎn)過程中設(shè)備對(duì)電感造成的直接性損傷因素。三是分析組成電感的相關(guān)材料因素的影響。因?yàn)殡姼械谋碣N焊接技術(shù)存在一定的缺陷，不能保證焊接電感的穩(wěn)固性，所以需要在其周邊點(diǎn)采用加固膠進(jìn)行加固。加固膠為環(huán)氧類，固化后形成較大內(nèi)應(yīng)力，電感本體材料為脆性材料鐵氧體，鐵氧體材料與環(huán)氧類膠粘劑的膨脹系數(shù)存在較大的差異且與周圍的加固膠熱膨脹系數(shù)不匹配，產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過材料耐受極限，導(dǎo)致電感表面開裂[3-4]。因此，環(huán)氧膠粘劑是導(dǎo)致鐵氧體開裂的因素之一。四是分析電感的“工”字形結(jié)構(gòu)和加固材料的點(diǎn)膠高度因素的影響。首先，電感的“工”字形結(jié)構(gòu)中，上頂蓋面積較大，“工”字形中間體環(huán)繞線圈，環(huán)繞線圈的數(shù)量和大小決定了“工”字形結(jié)構(gòu)的大小。當(dāng)“工”字形結(jié)構(gòu)的中間體繞線圈較少時(shí)，中間體小，上頂蓋外露面積較大；當(dāng)上頂蓋外露邊緣受應(yīng)力時(shí)，可使上頂蓋產(chǎn)生貫穿性裂紋。因此，當(dāng)上頂蓋的大小一定時(shí)，“工”字形結(jié)構(gòu)的中間體大小、線圈繞線的多少是導(dǎo)致頂蓋開裂的因素。其次，分析加固膠的加固工藝發(fā)現(xiàn)，加固膠在電感裝焊的兩側(cè)邊對(duì)稱位置進(jìn)行加固，當(dāng)點(diǎn)膠高度至頂蓋的下底面時(shí)，膠體在溫度循環(huán)過程中的熱脹冷縮產(chǎn)生的熱應(yīng)力直接作用在頂蓋板上，當(dāng)頂蓋板的兩側(cè)受到膠體的不斷拉伸力作用后導(dǎo)致頂蓋板開裂。因此，點(diǎn)膠高度是導(dǎo)致頂蓋板開裂的因素之一。五是電感的生產(chǎn)環(huán)境在一定的受控范圍內(nèi)，電感加工完成后，經(jīng)過篩選、電裝、“三防”等環(huán)節(jié)的檢驗(yàn)，結(jié)果均為合格，產(chǎn)品在進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)前對(duì)電感進(jìn)行檢查并未發(fā)現(xiàn)問題，因此電感生產(chǎn)過程環(huán)境影響不是導(dǎo)致電感頂蓋開裂的因素。六是對(duì)開裂的電感采用目視法進(jìn)行檢查，檢測(cè)過程中將開裂和未開裂的電感混在一起，然后分為10組且由不同的檢驗(yàn)員進(jìn)行判定，其判定結(jié)果均一致，因此可以排除檢驗(yàn)因素的影響。

分析上述“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”6個(gè)方面的影響因素可知，導(dǎo)致電感開裂的主要影響因素如下：第一，在材料方面，環(huán)氧加固膠材料與鐵氧體材料存在熱匹配問題，電感頂蓋在加固膠熱應(yīng)力的作用下有可能出現(xiàn)開裂。第二，在工藝方面，電感的“工”字形結(jié)構(gòu)繞線圈的多少會(huì)影響中間體的大小，這可能是導(dǎo)致電感頂蓋開裂的因素。第三，點(diǎn)膠加固的高度會(huì)影響膠粘劑的應(yīng)力是否作用于頂蓋板，這可能是導(dǎo)致電感頂蓋板開裂的因素。以上3個(gè)方面均可能導(dǎo)致電感開裂。因此，為探究膠粘劑類型、點(diǎn)膠方式及電感結(jié)構(gòu)對(duì)電感表面開裂問題的影響，采用有限元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證方法進(jìn)行分析研究。

2 理論分析

2.1 仿真模型理論

為了驗(yàn)證以上分析結(jié)果，使用ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析，設(shè)置6種工況和3個(gè)對(duì)比組，其仿真過程結(jié)合模態(tài)理論[5]進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真，模態(tài)分析的振動(dòng)方程如下：

式（1）中：[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{U}為位移矢量；｛F（t）｝為力矢量；為速度矢量；為加速度矢量。

根據(jù)熱應(yīng)力理論依據(jù)[6-7]，探究環(huán)氧膠與鐵氧體電感之間的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力計(jì)算方程如下：

式（2）中，σ為熱應(yīng)力，D為彈性矩陣，ε和ε0分別為溫度變化引起的溫度應(yīng)變和初應(yīng)變。

為理解膠粘劑對(duì)鐵氧體電感點(diǎn)膠的正向或失效效果，利用ANSYS模擬實(shí)際電感受力情況，設(shè)置3個(gè)對(duì)比組，分別為環(huán)氧膠與硅橡膠對(duì)比、“工”字形柱體大小對(duì)比（兩種規(guī)格的“工”字形柱體，結(jié)構(gòu)1的直徑為5.46 mm，結(jié)構(gòu)2的直徑為7.1 mm）、兩種點(diǎn)膠方式對(duì)比（膠粘劑是否接觸“工”字形柱頂蓋，方式1為膠粘劑接觸頂蓋，方式2為膠粘劑不接觸頂蓋），分別對(duì)6種電感開裂情況進(jìn)行建模分析。建模圖形如圖1所示。

圖1 電感點(diǎn)膠的仿真模型1～6

2.2 振動(dòng)仿真方面分析

模擬實(shí)際產(chǎn)品在以上環(huán)境試驗(yàn)的條件，隨機(jī)振動(dòng)條件的頻率范圍為10～2 000 Hz，加速度譜密度為0.1 g2/Hz，振動(dòng)阻尼系數(shù)為0.05。對(duì)以下6種影響電感開裂的情況進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，其頂蓋在振動(dòng)時(shí)承受的應(yīng)力分別如下：①環(huán)氧膠+結(jié)構(gòu)1+方式1為4.127 8 MPa；②環(huán)氧膠+結(jié)構(gòu)1+方式2為6.506 MPa；③環(huán)氧膠+結(jié)構(gòu)2+方式1為3.934 MPa；④環(huán)氧膠+結(jié)構(gòu)2+方式2為3.988 MPa；⑤硅橡膠+結(jié)構(gòu)1為2.620 8 MPa；⑥硅橡膠+結(jié)構(gòu)2為2.257 7 MPa。從振動(dòng)的仿真數(shù)據(jù)模型上看，首先，硅橡膠加固方式對(duì)頂蓋起到整體支撐和緩沖振動(dòng)的作用，硅橡膠加固比環(huán)氧膠加固對(duì)頂蓋的應(yīng)力低；其次，“工”字形結(jié)構(gòu)中間體較大的頂蓋所受應(yīng)力影響較小，中間體小的頂蓋受振動(dòng)影響較大，中間體較大的對(duì)頂蓋起到很好的支撐作用；最后，環(huán)氧膠點(diǎn)膠膠體接觸頂蓋（點(diǎn)膠方式1）對(duì)頂蓋的加固起到一定支撐作用，降低了頂蓋所受應(yīng)力。因此，在振動(dòng)環(huán)境下，硅橡膠點(diǎn)膠對(duì)頂蓋加固起到一定的緩沖作用，“工”字形結(jié)構(gòu)中間體較大和環(huán)氧膠接觸頂蓋的點(diǎn)膠方式均可以降低頂蓋所受振動(dòng)應(yīng)力。

2.3 熱沖擊仿真方面分析

依據(jù)產(chǎn)品的試驗(yàn)環(huán)境條件，溫度沖擊條件為初始溫度25℃、低溫-55℃、高溫85℃，極限溫度保持時(shí)間均為1 h；高低溫轉(zhuǎn)換時(shí)間小于5 min，循環(huán)次數(shù)為3次，一個(gè)循環(huán)周期為130 min。對(duì)6種影響電感開裂的情況進(jìn)行溫度沖擊仿真分析，其頂蓋在溫度沖擊時(shí)承受的應(yīng)力分別如下：①環(huán)氧膠+結(jié)構(gòu)1+方式1為419.47MPa；②環(huán)氧膠+結(jié)構(gòu)1+方式2為169.83 MPa；③環(huán)氧膠+結(jié)構(gòu)2+方式1為284.98 MPa；④環(huán)氧膠+結(jié)構(gòu)2+方式2為148.62 MPa；⑤硅橡膠+結(jié)構(gòu)1為22.596 MPa；⑥硅橡膠+結(jié)構(gòu)2為20.572 MPa。從溫度沖擊仿真數(shù)據(jù)模型來看，首先，硅橡膠加固方式對(duì)頂蓋起到整體支撐和振動(dòng)緩沖作用的同時(shí)，在溫度沖擊中可降低電感頂蓋所受應(yīng)力；其次，環(huán)氧膠加固中點(diǎn)膠加固方式2的膠粘劑不接觸頂蓋，膠粘劑不會(huì)對(duì)頂蓋起作用且有溫度沖擊時(shí)，頂蓋所受應(yīng)力為自身抗溫度沖擊中所需承受的應(yīng)力；最后，在中間體較小時(shí)即結(jié)構(gòu)1中，環(huán)氧膠粘劑接觸頂蓋的點(diǎn)膠方式使電感頂蓋所受應(yīng)力增加2.5倍，在中間體較大時(shí)即結(jié)構(gòu)2中，環(huán)氧膠粘劑接觸頂蓋的點(diǎn)膠方式使電感頂蓋所受應(yīng)力增加1.9倍，硅橡膠加固比環(huán)氧膠加固對(duì)頂蓋的應(yīng)力低，“工”字形結(jié)構(gòu)中間體較大的頂蓋所受應(yīng)力較小，環(huán)氧膠對(duì)頂蓋的加固起到反作用，由此判斷導(dǎo)致頂蓋開裂的主要原因。

2.4 仿真結(jié)果

通過上述振動(dòng)和溫度循環(huán)仿真，結(jié)果如下：

（1）溫度循環(huán)過程中，電感頂蓋在振動(dòng)過程中所受應(yīng)力較小，隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，電感上最小應(yīng)力為2.257 7 MPa，最大應(yīng)力為6.506 MPa，溫度沖擊造成最小應(yīng)力為20.572 MPa，最大應(yīng)力為419.47 MPa，隨機(jī)振動(dòng)對(duì)電感本體造成的應(yīng)力遠(yuǎn)小于溫度沖擊對(duì)電感造成的損傷，相比溫度循環(huán)對(duì)電感造成的應(yīng)力，隨機(jī)振動(dòng)的應(yīng)力影響可忽略。

（2）硅橡膠全部包裹的方式不僅可以降低電感頂蓋在振動(dòng)環(huán)境中所受應(yīng)力，而且可以使其在溫度循環(huán)過程中頂蓋所受應(yīng)力下降7倍左右。

（3）“工”字形結(jié)構(gòu)中間體較大時(shí)，無論是在振動(dòng)環(huán)境，還是在溫度循環(huán)中，頂蓋所受應(yīng)力都較小。

（4）環(huán)氧膠點(diǎn)膠加固方式雖然降低電感頂蓋在振動(dòng)應(yīng)力中所受應(yīng)力，但是在溫度沖擊中所受應(yīng)力增加了1.9—2.5倍，并且溫度沖擊過程對(duì)電感頂蓋造成的應(yīng)力高于振動(dòng)環(huán)境所受應(yīng)力一個(gè)數(shù)量級(jí)。

因此，對(duì)電感在振動(dòng)過程和溫度沖擊過程所受應(yīng)力情況進(jìn)行分析，硅橡膠點(diǎn)膠加固方式模型5、模型6，“工”字形結(jié)構(gòu)中間體較大的模型3、模型4，點(diǎn)膠方式2膠粘劑不接觸頂蓋模型2、模型4，均可降低頂蓋所受應(yīng)力。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，相對(duì)溫度循環(huán)，隨機(jī)振動(dòng)對(duì)電感本體造成的應(yīng)力遠(yuǎn)小于溫度沖擊對(duì)電感造成的損傷，隨機(jī)振動(dòng)的應(yīng)力影響可忽略，因此設(shè)計(jì)溫度沖擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。其中，溫度沖擊條件為初始溫度25℃，低溫-55℃，高溫85℃，極限溫度保持時(shí)間均為1 h；高低溫轉(zhuǎn)換時(shí)間小于5 min，循環(huán)次數(shù)為3次，一個(gè)循環(huán)周期為130 min。依據(jù)仿真數(shù)據(jù)可知，溫度沖擊條件下模型1及模型3受到的應(yīng)力最大，點(diǎn)膠方式2的環(huán)氧膠粘劑接觸頂蓋時(shí)電感結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的受力最大，可能導(dǎo)致電感開裂。因此，按模型1及模型3各準(zhǔn)備樣件12件進(jìn)行溫度沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模型1樣件表面均產(chǎn)生開裂，但模型3均未發(fā)生開裂現(xiàn)象。因此，采用環(huán)氧膠點(diǎn)膠且膠粘劑接觸頂蓋時(shí)，電感結(jié)構(gòu)1易開裂，而結(jié)構(gòu)2無開裂問題，電感頂蓋所能承受應(yīng)力應(yīng)為419.47～284.98 MPa，其他模型應(yīng)力均小于284.98 MPa，不會(huì)出現(xiàn)開裂問題。為驗(yàn)證結(jié)論的準(zhǔn)確性，為模型2、模型4、模型5、模型6各準(zhǔn)備樣件6件同上述實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行溫度沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為模型2、模型4、模型5、模型6樣件均未出現(xiàn)電感頂蓋開裂問題。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，模型1～6共計(jì)6種工況中，只有模型1，即環(huán)氧膠加固“工”字形電感、膠粘劑接觸電感頂蓋、“工”字形結(jié)構(gòu)中間體較小的情況下，電感在溫度沖擊實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了頂蓋開裂的情況，其他模型工況均未出現(xiàn)電感開裂的情況。

4 結(jié)論

通過對(duì)鐵氧體材料電感在隨機(jī)振動(dòng)和溫度劇變條件下進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證鐵氧體電感加固用膠粘劑、點(diǎn)膠加固高度和鐵氧體電感的“工”字形結(jié)構(gòu)3個(gè)方面對(duì)電感頂蓋開裂的影響，得出以下結(jié)論：

（1）鐵氧體材料電感“工”字形結(jié)構(gòu)中間體較小時(shí)，使用環(huán)氧膠加固“工”字形結(jié)構(gòu)電感且膠粘劑接觸電感頂蓋的情況下，鐵氧體材料電感在溫度沖擊環(huán)境下，頂蓋出現(xiàn)開裂問題。

（2）鐵氧體材料電感“工”字形結(jié)構(gòu)中間體增大、使用硅橡膠代替環(huán)氧膠加固電感和降低環(huán)氧膠點(diǎn)膠高度使其不接觸鐵氧體頂蓋的3種改善方式均不會(huì)使鐵氧體材料電感的頂蓋在溫度沖擊環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件下出現(xiàn)開裂問題。

（3）鐵氧體材料電感頂蓋開裂的原因是鐵氧體材料與環(huán)氧膠粘劑之間膨脹系數(shù)存在較大的差異、“工”字形電感柱體直徑較小和環(huán)氧膠粘劑點(diǎn)膠高度高（膠粘劑接觸電感頂蓋）三者共同作用的結(jié)果。

（4）使用硅橡膠加固方式代替環(huán)氧膠加固方式，不僅可以改善電感所受振動(dòng)應(yīng)力，而且可以使其在溫度沖擊條件下的應(yīng)力下降7倍左右，該工法的改進(jìn)是避免電感開裂的最優(yōu)選擇。