贴片式铝电解电容器带安装支座结构

　　做消费类通讯终端电路板设计快十二年，经手的板级被动元件选型、结构适配案例数不过来，这次做的这款带卧式安装支座的铝电解电容结构，是针对高振动工况下的板级供电滤波场景专门优化的，和常规直插、普通贴片电容的设计逻辑有很明确的差异。先从实际应用场景说，这类电容主要用在手持通讯终端、车载通讯模块、工业数传电台的电源输入回路里，这类场景有个共性问题：设备要么长期处于手持移动的磕碰振动状态，要么车载、工业现场持续有低频振动传导到PCB板，常规立式贴片电解电容的重心偏高，焊盘仅靠底部两个引脚承受剪切力，长期振动下很容易出现焊盘开裂、电容本体歪斜甚至脱落的问题，之前做一款户外手持对讲机的时候就踩过这个坑，样机做高低温振动测试的时候，三个电源回路的立式电解电容有两个出现焊盘虚裂，导致供电纹波超标，后来就是改用这种带侧装固定支座的结构才解决问题。

　　从功能特性上看，这个电容本体还是采用卷绕式铝电解芯子结构，保留了电解电容单位体积容量大、成本低的优势，适合做电源输入侧的大容量滤波，吸收供电回路的低频纹波，和陶瓷电容搭配做高低频滤波组合的时候，能有效降低电源回路的纹波噪声，保证通讯射频模块的供电稳定性，避免出现射频灵敏度下降、通讯丢包的问题。和普通贴片电解不同的是，这个结构在电容本体的焊接端集成了一体式的黑色绝缘安装支座，支座上预留了两个定位安装孔，还有两个伸出的焊接引脚，相当于把原来仅靠端面引脚受力的结构，改成了侧面支座贴合PCB板面、双引脚加定位孔辅助固定的形式，受力结构从悬臂梁变成了简支梁结构，抗振动、抗冲击的能力提升非常明显。

　　设计思路上，首先要考虑的是电容本体和安装支座的同轴度问题，铝壳电容的本体外径公差一般控制在±0.2mm以内，支座的内孔和电容本体的配合采用小间隙过渡配合，装配的时候涂少量环氧胶固定，避免本体和支座之间出现相对窜动。然后是安装支座的材质选择，采用耐高温的LCP工程塑料，能承受波峰焊、回流焊的260℃高温，不会出现焊接过程中支座变形、移位的问题，同时LCP材料的绝缘性能优异，不会和PCB板面的其他走线出现短路风险。支座上的两个定位孔，设计的时候和PCB板上的定位柱做间隙配合，定位柱的直径比孔小0.1mm，装配的时候可以快速定位，同时焊接的时候能辅助固定，避免过炉的时候元件偏移。两个焊接引脚的宽度和厚度，按照常规贴片元件的焊盘标准设计，引脚表面做镀锡处理，保证焊接的润湿性，焊盘的长度比引脚长0.3mm，宽度宽0.2mm，留出足够的焊锡浸润空间，保证焊接强度。

　　外形尺寸和安装边界这块，是结构设计的时候最需要抠细节的地方，电容本体的直径是6.3mm，本体长度是11mm，加上安装支座之后，整体的安装高度只有5.5mm，比同容量的立式贴片电解电容的高度低了将近4mm，非常适合现在轻薄化的通讯终端设计，不会因为元件高度过高影响整机的厚度控制。安装支座的外形是带切角的矩形，切角是用来做极性标识的，对应PCB板上的丝印极性标记，避免装配的时候极性装反——电解电容极性装反是很严重的生产问题，轻则电容鼓包漏液，重则板级电路短路烧坏，所以设计的时候特意把支座的一个角做了45度切角，和电容本体的负极标记对应，生产的时候不管是机贴还是手焊，都能快速识别极性，降低装反的概率。安装孔的中心距是8mm，孔的直径是1.2mm，对应的PCB定位柱高度是1.5mm，装配的时候定位柱穿过安装孔之后，顶端做热铆固定，进一步提升元件的固定强度，哪怕是在10-2000Hz的随机振动测试条件下，元件也不会出现移位。两个焊接引脚的中心距是2.5mm，和常规贴片元件的引脚间距兼容，不需要在PCB上做特殊的焊盘设计，能直接适配通用的SMT生产工艺，不用额外改钢网、调整贴片机的吸嘴参数，生产端的适配成本很低。

　　另外在细节设计上，电容本体的铝壳和安装支座之间预留了0.1mm的溢胶槽，装配的时候打环氧胶固定，多余的胶水会溢到槽里，不会流到引脚或者安装孔的位置，影响焊接和定位装配。支座的底部做了0.05mm的微凸点，过回流焊的时候，焊锡融化的过程中凸点能和PCB板面保持微小的间隙，避免出现浮高、虚焊的问题，同时也能让焊锡更好地浸润到引脚的整个接触面，提升焊接的可靠性。还有就是电容的防爆阀设计，在本体的尾部预留了十字型的防爆刻痕，当电容内部因为过压、过温出现压力升高的时候，防爆阀会优先从刻痕位置裂开泄压，避免电容出现爆炸、漏液喷溅的问题，损坏板上的其他元件。

　　做这类被动元件的三维建模的时候，最容易忽略的就是安装公差和工艺适配的细节，很多新手建模的时候只会把外形画出来，不会考虑焊盘的适配、定位孔的配合间隙、极性标识的位置，导致建出来的模型看着像，实际导到PCB设计里做装配干涉检查的时候，会出现和周边元件干涉、焊盘对不上、定位柱穿不过去的问题。这个模型在建模的时候，所有尺寸都是按照实际量产的元件规格书来做的，包括引脚的折弯角度、安装孔的倒角、支座的拔模斜度都做了还原，导到结构设计软件里做整机堆叠的时候，可以直接用来检查安装空间，做干涉校验，不用再反复核对样品尺寸，能省不少选型和结构校核的时间。尤其是做高可靠性要求的通讯类产品的时候，这类带固定支座的电容是电源回路的常用选型，模型的准确性直接影响到后期PCB打样、整机装配的成功率，要是模型尺寸不准，打样之后发现元件装不上，或者和周边的结构件、屏蔽罩干涉，耽误的项目周期成本远高于元件本身的成本。