為什麼電容燒毀了?

作者 : Shilpa Jadhav,EDN

為了簡化PCB組裝並提高生產速度,我們改變了一款產品的PCB佈局,卻導致頻繁出現電容燒毀的故障。如果是電阻燒了還可以理解,但是電容燒了,就讓人很吃驚了......

多年前,我在一家做汽車嵌入式控制系統的公司工作,我和同事為一款產品設計了新的PCB佈局。這款產品原本工作狀況良好,不過需要簡化PCB組裝並提高生產速度。

我們完全改變了PCB佈局,並對新的PCB進行了驗證測試。結果讓人滿意,我們倍受鼓舞,將PCB投入批量生產。

該PCB零件開始安裝到車輛中。過了幾天,生產線電話來了,說有一個元件完全不能正常工作。我們在實驗室對這個元件進行了檢查,發現其電路中有一個多層陶瓷(MLC)電容燒毀了。很快我們接到更多電話,都是反映同樣的故障,如果是電阻這樣燒了還可以理解,但在電容中發現這種故障就很讓人很吃驚了。

我們首先懷疑電容的品質有問題,於是詢問了電容製造商,電容製造商說他們之前只檢查了產品的一個樣本,現在同意在製造時檢查每一個電容。但是即使在這樣做了之後,電容的故障率仍然沒有跟原來一樣。

我們接著檢查了新的佈局,以便進一步弄清到底是什麼原因引起了這一問題。這個MLC電容是用來對其中一個數位輸入進行ESD保護,它在原來的佈局中也是這樣使用。我們檢查了電容的額定電壓,沒有問題,我們還注意到,同一塊板子的不同輸入使用了多個相同規格的電容,都是用來進行ESD保護的,但是只有這個位置的電容壞了。最後,我們換回到以前的PCB,並未發生任何故障。

透過進一步的研究發現,我們在重新設計PCB佈局時改變了電容的位置。在新的PCB佈局中,它的位置是在一個表面黏著孔附近,所有故障都是為PCB裝上外殼以後發生。

查閱了幾篇關於MLC電容的應用筆記,瞭解到由於多層陶瓷電容的易脆特性,與表面黏著中使用的其他元件相比,MLC電容更容易受到過大的機械應力。在這個例子中,當我們轉緊安裝的螺絲釘時,PCB會稍微彎曲。電路板的過度彎曲會使陶瓷電容內部產生機械裂紋,時間久了,濕氣慢慢滲透到裂縫中,導致絕緣電阻降低,而濕度和溫度會加速絕緣電阻的降低,從而產生導電通路。結果電容短路了,並且由於流過電容的電流較大,使電容燒毀。儘管在最終的組裝測試中這些機械裂紋可能不會導致電容故障,但一旦產品投入使用,就可能發生故障,這時候再改正錯誤不僅浪費時間,而且代價高昂。

為了證實這一推論,我們從一塊工作正常的電路板上拆下了一個電容,但是我們猜測這個電容已經在安裝過程中受到了擠壓。我們把這個電容送去進行截面分析,發現電容中確實有裂紋,在現場使用中可能會損壞。後來我們再次修改了PCB佈局,讓這個電容的安裝位置遠離安裝孔。完成修改後,與機械應力有關的所有關鍵測試均很成功,後來再也沒有出現這種故障了。

汽車嵌入式控制系統的硬體設計人員非常重視電氣過應力,同時他們還需要考慮電阻和電容等小元件的機械過應力。儘管許多國際標準都提供了保護元件免受過應力的指南,但由於缺乏類似的機械過應力標準,這一問題引起了人們的關注。

(參考原文:Stressed out over capacitor failure,by Shilpa Jadhav,EDN China Jenny Liao編譯)

 

 

 

 

 

 

 

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