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电容器毁灭性故障,让PCB板直接报废!

2020-10-22 Jim Keith 阅读:
这并不是简单的电容器故障,而是灾难性的故障,致使PCB板无法修复。究竟是什么原因导致了故障?我们不知所措。让人不爽的是,供应商还怪罪我们。

那年我在一家制造厂工作,当时遇到了让人不知所措的钽电容器故障。这并不是简单的电容器故障,而是灾难性的故障,致使PCB板无法修复。这种小型专用微型计算机PCB并不存在使用不当的问题,究竟是什么原因导致了故障?我们找不到任何合理的解释。让人不爽的是,供应商还怪罪我们。hFwednc

电容器提供直流输入电源旁路的功能。分析显示,这些元件虽然有明显的纹波电流,但是仍在其额定电流范围之内。在40°C的额定环境温度下,其温度仅升高13°C,远远低于85°C的电容器规格。工作电压为27V,也远低于50V的额定电压,因此没有问题。hFwednc

我们首先注意到两个不太严重的故障,接着就发生了第一次爆炸。有一些贴片电容仍然是完整的。我向电容器供应商送交了一颗从PCB上炸下来的电容器和一块完整的PCB进行分析,最后它们被送到了制造部门。制造部门得出了一个看似合理的诊断结果:电容芯子上的蛇形燃烧痕迹清楚地表明爆炸原因是电压过高。hFwednc

我自己也通过互联网对钽电容器的故障做了一些研究,发现钽电容器的芯子有一些应在制造过程中被清除的小缺陷。在板子工作中,电压通过电阻器逐渐升至额定电压加上保护带。串联电阻可防止因为热失控而破坏电容芯子。我还了解到,在制造过程中,高温下焊接PCB所产生的应力可能导致电容芯子内部出现小裂纹,这些小裂纹反过来可能导致低阻抗应用中出现故障。小裂纹还会降低设备的额定电压,因此故障分析显示出爆炸原因是常见的过电压故障。hFwednc

引线框可减少电容芯子上产生的应力,从而提高了可靠性。如果电容芯子不带引线框,则必须直接焊接到PCB上,这样会产生机械应力,应力随电容芯子的尺寸而显著增加。尺寸较大的钽电容器的现代构造技术是使用多个较小的芯子,这些芯子连接到公共的引线框。我们同时具备了所有这些条件:大电容芯子、不带引线框、低阻抗电压源和过压故障。hFwednc

一个技术支持注意到第一代产品是可靠的,这时又出人意料地发生了第二次爆炸。进一步的检查发现,第一代PCB并联了四个6.8μF钽电容,而后来的PCB并联了两个6.8μF电容和一个15μF电容,以节省电路板空间。15μF电容正是发生故障的电容。hFwednc

现在我们找到了可能的原因,但是还没有解决办法。供应商仍然没有回应,因为这个产品是专用的,所以我们的工作只能停下来。如果无法控制产品,我们怎么可能解决问题或管理现场的所有元件?hFwednc

我的想法是做一个电容器后处理夹具,用来缓慢增加施加到PCB上的电压,并具有足够大的电流容量为PCB上的所有元件供电,同时又有足够大的内部电阻来限制瞬态电容故障清除电流。没想到后处理夹具真的管用!在对仓库或现场的元件进行后处理时,没有再发生故障。这一发现表明,串联部件成功地限制了故障清除电流,假定10%到20%的元件可能会发生故障。hFwednc

事实是最好的证据:从前大约每个月都会出现一两次故障,现在超过18个月了,一次故障也没有发生。确实有用!hFwednc

原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站,参考链接:What a cap-astrophe! ,由Jenny Liao编译。hFwednc

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