PCB布局却导致电容器烧毁的原因

很多年前，我在一家从事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。这个产品本来效果不错，但是需要简化PCB组装，提高生产速度。
我们彻底改变了PCB的布局，测试了新的PCB。结果令人满意，鼓励我们将印刷电路板投入大规模生产。
印刷电路板组件开始安装在车辆上。几天后，生产线打来电话，说一个部件根本不能正常工作。我们在实验室检查了这个组件，发现它电路中的一个多层陶瓷(MLC)电容器烧坏了。很快我们接到了更多的电话，都反映了同样的错误。电阻烧成这样可以理解，但是在电容里发现这个故障就很奇怪了。
我们一开始怀疑电容器质量有问题，就问电容器厂家。电容器制造商表示，他们之前只检查了产品的一个样本，现在同意在制造过程中检查每个电容器。但是即使这样做了，电容器的故障率还是和以前不一样。
然后我们检查了新的布局，找出问题的原因。该MLC电容用于其中一个数字输入的静电放电保护，也用于原始布局。我们检查了电容器的额定电压，没有问题。我们还注意到，在同一板的不同输入端，使用了许多相同规格的电容进行静电放电保护，但只有该位置的电容损坏。最后我们毫无困难的切换回了之前的PCB。
通过进一步的研究，我们发现在重新设计PCB布局时，我们改变了电容的位置。在新的PCB布局中，它位于一个表面安装孔附近，所有的故障都发生在安装了外壳的PCB之后。
我们查阅了几个关于MLC电容器的应用笔记，了解到由于多层陶瓷电容器的脆性，MLC电容器比表面安装中使用的其他元件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，印刷电路板会稍微弯曲。电路板过度弯曲会导致陶瓷电容器产生机械裂纹。时间长了，水分慢慢渗入裂缝，导致绝缘电阻降低，而湿度和温度会加速绝缘电阻降低，产生导电通路。结果，电容器短路，流过电容器的电流很大，导致电容器烧坏。虽然这些机械裂纹在最终组装测试中不一定会导致电容器失效，但是一旦产品投入使用，就有可能发生失效，而且纠正错误不仅浪费时间，而且成本高昂。
为了证实这个推论，我们从一个工作的电路板上取下一个电容器，但我们猜测电容器在安装过程中受到挤压。我们把这个电容器送去做截面分析，发现电容器有裂纹，可能是现场使用时损坏的。后来我们又修改了PCB布局，让这个电容的安装位置远离安装孔。改造后，所有与机械应力相关的关键试验都成功了，这种故障再也没有发生过。
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，还需要考虑电阻、电容等小元件的机械过应力。虽然许多国际标准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，这个问题引起了人们的关注。