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(jì)了新的PCB布局。這個(gè)產(chǎn)品本來(lái)效果不錯(cuò)，但是需要簡(jiǎn)化PCB組裝，提高生產(chǎn)速度。
我們徹底改變了PCB的布局，測(cè)試了新的PCB。結(jié)果令人滿意，鼓勵(lì)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(kāi)始安裝在車輛上。幾天后，生產(chǎn)線打來(lái)電話，說(shuō)一個(gè)部件根本不能正常工作。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室檢查了這個(gè)組件，發(fā)現(xiàn)它電路中的一個(gè)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(cuò)誤。電阻燒成這樣可以理解，但是在電容里發(fā)現(xiàn)這個(gè)故障就很奇怪了。
我們一開(kāi)始懷疑電容器質(zhì)量有問(wèn)題，就問(wèn)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(gè)樣本，現(xiàn)在同意在制造過(guò)程中檢查每個(gè)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(wèn)題的原因。該MLC電容用于其中一個(gè)數(shù)字輸入的靜電放電保護(hù)，也用于原始布局。我們檢查了電容器的額定電壓，沒(méi)有問(wèn)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(hù)，但只有該位置的電容損壞。最后我們毫無(wú)困難的切換回了之前的PCB。
通過(guò)進(jìn)一步的研究，我們發(fā)現(xiàn)在重新設(shè)計(jì)PCB布局時(shí)，我們改變了電容的位置。在新的PCB布局中，它位于一個(gè)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(gè)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(guò)大的機(jī)械應(yīng)力。在這個(gè)例子中，當(dāng)我們擰緊安裝螺釘時(shí)，印刷電路板會(huì)稍微彎曲。電路板過(guò)度彎曲會(huì)導(dǎo)致陶瓷電容器產(chǎn)生機(jī)械裂紋。時(shí)間長(zhǎng)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(huì)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(guò)電容器的電流很大，導(dǎo)致電容器燒壞。雖然這些機(jī)械裂紋在最終組裝測(cè)試中不一定會(huì)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(cuò)誤不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且成本高昂。
為了證實(shí)這個(gè)推論，我們從一個(gè)工作的電路板上取下一個(gè)電容器，但我們猜測(cè)電容器在安裝過(guò)程中受到擠壓。我們把這個(gè)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(chǎng)使用時(shí)損壞的。后來(lái)我們又修改了PCB布局，讓這個(gè)電容的安裝位置遠(yuǎn)離安裝孔。改造后，所有與機(jī)械應(yīng)力相關(guān)的關(guān)鍵試驗(yàn)都成功了，這種故障再也沒(méi)有發(fā)生過(guò)。
汽車嵌入式控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)人員非常重視電氣過(guò)應(yīng)力，還需要考慮電阻、電容等小元件的機(jī)械過(guò)應(yīng)力。雖然許多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提供了保護(hù)元件免受過(guò)應(yīng)力的指南，但由于缺乏類似的機(jī)械過(guò)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)問(wèn)題引起了人們的關(guān)注。