PCB布局卻導(dǎo)致電容器燒毀的原因

很多年前，我在一家從事汽車嵌入式控制系統(tǒng)的公司工作，我和同事為一款產(chǎn)品設(shè)計了新的PCB布局。這個產(chǎn)品本來效果不錯，但是需要簡化PCB組裝，提高生產(chǎn)速度。
我們徹底改變了PCB的布局，測試了新的PCB。結(jié)果令人滿意，鼓勵我們將印刷電路板投入大規(guī)模生產(chǎn)。
印刷電路板組件開始安裝在車輛上。幾天后，生產(chǎn)線打來電話，說一個部件根本不能正常工作。我們在實驗室檢查了這個組件，發(fā)現(xiàn)它電路中的一個多層陶瓷(MLC)電容器燒壞了。很快我們接到了更多的電話，都反映了同樣的錯誤。電阻燒成這樣可以理解，但是在電容里發(fā)現(xiàn)這個故障就很奇怪了。
我們一開始懷疑電容器質(zhì)量有問題，就問電容器廠家。電容器制造商表示，他們之前只檢查了產(chǎn)品的一個樣本，現(xiàn)在同意在制造過程中檢查每個電容器。但是即使這樣做了，電容器的故障率還是和以前不一樣。
然后我們檢查了新的布局，找出問題的原因。該MLC電容用于其中一個數(shù)字輸入的靜電放電保護，也用于原始布局。我們檢查了電容器的額定電壓，沒有問題。我們還注意到，在同一板的不同輸入端，使用了許多相同規(guī)格的電容進(jìn)行靜電放電保護，但只有該位置的電容損壞。最后我們毫無困難的切換回了之前的PCB。
通過進(jìn)一步的研究，我們發(fā)現(xiàn)在重新設(shè)計PCB布局時，我們改變了電容的位置。在新的PCB布局中，它位于一個表面安裝孔附近，所有的故障都發(fā)生在安裝了外殼的PCB之后。
我們查閱了幾個關(guān)于MLC電容器的應(yīng)用筆記，了解到由于多層陶瓷電容器的脆性，MLC電容器比表面安裝中使用的其他元件更容易受到過大的機械應(yīng)力。在這個例子中，當(dāng)我們擰緊安裝螺釘時，印刷電路板會稍微彎曲。電路板過度彎曲會導(dǎo)致陶瓷電容器產(chǎn)生機械裂紋。時間長了，水分慢慢滲入裂縫，導(dǎo)致絕緣電阻降低，而濕度和溫度會加速絕緣電阻降低，產(chǎn)生導(dǎo)電通路。結(jié)果，電容器短路，流過電容器的電流很大，導(dǎo)致電容器燒壞。雖然這些機械裂紋在最終組裝測試中不一定會導(dǎo)致電容器失效，但是一旦產(chǎn)品投入使用，就有可能發(fā)生失效，而且糾正錯誤不僅浪費時間，而且成本高昂。
為了證實這個推論，我們從一個工作的電路板上取下一個電容器，但我們猜測電容器在安裝過程中受到擠壓。我們把這個電容器送去做截面分析，發(fā)現(xiàn)電容器有裂紋，可能是現(xiàn)場使用時損壞的。后來我們又修改了PCB布局，讓這個電容的安裝位置遠(yuǎn)離安裝孔。改造后，所有與機械應(yīng)力相關(guān)的關(guān)鍵試驗都成功了，這種故障再也沒有發(fā)生過。
汽車嵌入式控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計人員非常重視電氣過應(yīng)力，還需要考慮電阻、電容等小元件的機械過應(yīng)力。雖然許多國際標(biāo)準(zhǔn)提供了保護元件免受過應(yīng)力的指南，但由于缺乏類似的機械過應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，這個問題引起了人們的關(guān)注。