電容毀滅性故障造成的慘劇…

作者 : Jim Keith,EDN

這並不是簡單的電容故障,而是災難性的故障,導致PCB板無法修復。究竟是什麼原因導致了故障?我們不知所措,找不到合理的解釋,更讓人不爽的是,供應商還怪罪我們…

那年我在一家製造廠工作,當時遇到了讓人不知所措的鉭電容故障。這並不是簡單的電容故障,而是災難性的故障,致使PCB板無法修復。這種小型專用微型電腦PCB並不存在使用不當的問題,究竟是什麼原因導致了故障?我們找不到任何合理的解釋。讓人不爽的是,供應商還怪罪我們。

電容提供直流輸入電源旁路的功能。分析顯示,這些元件雖然有明顯的波紋電流,但是仍在其額定電流範圍之內。在40℃的額定環境溫度下,其溫度僅升高13℃,遠遠低於85℃的電容規格。工作電壓為27V,也遠低於50V的額定電壓,因此沒有問題。

我們首先注意到兩個不太嚴重的故障,接著就發生了第一次爆炸。有一些貼片電容仍然是完整的。我向電容供應商送交了一顆從PCB上炸下來的電容和一塊完整的PCB進行分析,最後它們被送到了製造部門。製造部門得出了一個看似合理的診斷結果:電容小球(pellet)上的蛇形燃燒痕跡清楚地表示爆炸原因是電壓過高。

我自己也透過網際網路對鉭電容的故障進行了一些研究,發現鉭電容的小球有一些應在製造過程中被清除的小缺陷。在板子工作中,電壓透過電阻逐漸升至額定電壓加上保護帶,串聯電阻可防止因為熱失控而破壞電容小球。我還瞭解到,在製造過程中,高溫下焊接PCB所產生的應力可能導致電容小球內部出現小裂紋,這些小裂紋反過來可能導致低阻抗應用中出現故障,小裂紋還會降低設備的額定電壓,因此故障分析顯示出爆炸原因是常見的過電壓故障。

引線框可減少電容小球上產生的應力,從而提高了可靠性。如果電容小球不帶引線框,則必須直接焊接到PCB上,這樣會產生機械應力,應力隨電容小球的尺寸而顯著增加。尺寸較大的鉭電容的現代構造技術是使用多個較小的小球,這些小球連接到公共的引線框。我們同時具備了所有這些條件:大電容小球、不帶引線框、低阻抗電壓源和過壓故障。

一位技術支援注意到第一代產品是可靠的,但這時又出人意料地發生了第二次爆炸。進一步的檢查發現,第一代PCB並聯了四個6.8μF鉭電容,而後來的PCB並聯了兩個6.8μF電容和一個15μF電容,以節省電路板空間,而15μF電容正是發生故障的電容。

現在我們找到了可能的原因,但是還沒有解決的辦法。供應商仍然沒有回應,因為這個產品是專用的,所以我們的工作只能停下來。如果無法控制產品,怎麼可能解決問題或管理現場的所有元件?

我的想法是做一個電容後處理夾具,用來緩慢增加施加到PCB上的電壓,並具有足夠大的電流容量為PCB上的所有元件供電,同時又有夠大的內部電阻來限制瞬態電容故障清除電流。沒想到後處理夾具真的管用!在對倉庫或現場的元件進行後處理時,沒有再發生故障。這一發現說明,串聯元件成功地限制了故障清除電流,假設其中有10~20%的元件可能會發生故障。

事實是最好的證據:從前大約每個月都會出現一兩次故障,現在超過18個月了,一次故障也沒有發生。確實有用!

(參考原文:What a cap-astrophe!,by Bruce Trump,EDN China Jenny Liao編譯)

 

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