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改变PCB布局,为什么电容器却烧毁了呢?

2021-03-04 Shilpa Jadhav 阅读:
改变PCB布局,为什么电容器却烧毁了呢?
为了简化PCB组装并提高生产速度,我们改变了一款产品的PCB布局,却导致频繁出现电容器烧毁的故障。如果是电阻烧了还可以理解,但是电容烧了,就让人很吃惊了......

多年前,我在一家做汽车嵌入式控制系统的公司工作,我和同事为一款产品设计了新的PCB布局。这款产品原本工作良好,不过需要简化PCB组装并提高生产速度。FLgednc

我们完全改变了PCB布局,并对新的PCB进行了验证测试。结果让人满意,我们倍受鼓舞,将PCB投入批量生产。FLgednc

该PCB组件开始安装到车辆中。过了几天,生产线打来电话,说有一个组件完全不能正常工作。我们在实验室对这个组件进行了检查,发现其电路中有一个多层陶瓷(MLC)电容烧毁了。很快我们接到更多电话,都是反映同样的故障。如果是电阻这样烧了还可以理解,但在电容器中发现这种故障就很让人很吃惊了。FLgednc

我们首先怀疑电容器的质量有问题,于是询问了电容器制造商,电容器制造商说他们之前只检查了产品的一个样本,现在同意在制造时检查每一个电容器。但是即使在这样做了之后,电容器的故障率仍然没有跟原来一样。FLgednc

我们接着检查了新的布局,以便进一步弄清到底是什么原因引起了这一问题。这个MLC电容器是用来对其中一个数字输入进行ESD保护的,它在原来的布局中也是这样使用的。我们检查了电容器的额定电压,没有问题。我们还注意到,同一块板子的不同输入使用了多个相同规格的电容器,都是用来进行ESD保护的,但是只有这个位置的电容器坏了。最后,我们换回到以前的PCB,不会发生任何故障。FLgednc

通过进一步的研究发现,我们在重新设计PCB布局时改变了电容器的位置。在新的PCB布局中,它的位置是在一个表面安装孔附近,所有故障都是给PCB装上外壳以后发生的。FLgednc

我们查阅了几篇关于MLC电容器的应用笔记,了解到由于多层陶瓷电容的易脆特性,与表面安装中使用的其他组件相比,MLC电容器更容易受到过大的机械应力。在这个例子中,当我们拧紧安装螺钉时,PCB会稍微弯曲。电路板的过度弯曲会使陶瓷电容器内部产生机械裂纹。时间久了,湿气慢慢渗透到裂缝中,导致绝缘电阻降低,而湿度和温度会加速绝缘电阻的降低,从而产生导电通路。结果电容器短路了,并且由于流过电容器的电流较大,使电容器烧毁。尽管在最终的组装测试中这些机械裂纹可能不会导致电容器故障,但一旦产品投入使用,就可能发生故障,这时候再改正错误不仅浪费时间,而且代价昂贵。FLgednc

为了证实这一推论,我们从一块工作正常的电路板上拆下了一个电容器,但是我们猜测这个电容器已经在安装过程中受到了挤压。我们把这个电容器送去进行截面分析,发现电容器中确实有裂纹,在现场使用中可能会损坏。后来我们再次修改了PCB布局,让这个电容器的安装位置远离安装孔。完成修改后,与机械应力有关的所有关键测试均很成功,后来再也没有出现这种故障了。FLgednc

汽车嵌入式控制系统的硬件设计人员非常重视电气过应力,同时他们还需要考虑电阻和电容器等小元件的机械过应力。尽管许多国际标准都提供了保护元件免受过应力的指南,但由于缺乏类似的机械过应力标准,这一问题引起了人们的关注。FLgednc

(原文刊登于Aspencore旗下EDN英文网站,参考链接:Stressed out over capacitor failure,由Jenny Liao编译。)FLgednc

  • 之前一段时间,我们的PCB板在现场运用过程中,5V转3.3电路中10UF的陶瓷电容也总是发生短路,把5V拉死。后面我们查明,也是板卡在组装过程中,电容受到机械应力
  • 常识性的错误
  • 机械力导致损坏,这锅得让结构工程师来背。电路板安装时本不应该有应力。
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