Обходной конденсатор MLCC емкостью 100 нФ самопроизвольно взрывается на шине 3,3 В, как это вообще происходит?

Многослойный керамический чип-конденсатор 1608/0603 работал в качестве обходного конденсатора для питания 3,3 В 6-осевого МЭМС-датчика InvenSense MPU-6050 (гироскоп + акселерометр). Он каким-то образом взорвался, образовав разомкнутую цепь, не повредив микросхему датчика или любой другой компонент на плате и не повлияв на его работу.

макрофото взорванного компонента

Иллюстрация типичной схемы из таблицы данных InvenSense :

иллюстративное типичное использование MPU-6050 из таблицы данных

Некоторые части керамического материала все еще прикреплены к печатной плате, а обломки разбросаны повсюду. Крышка была припаяна производителем бессвинцовым припоем, а печатная плата не подвергалась переработке. Я почти уверен, что компонент был цел, когда я впервые получил плату.

Мне любопытно, что это был за режим отказа и как предотвратить такие отказы в платах собственной разработки. Это обычное явление в массовом производстве? Я думал, что это довольно надежные компоненты.

Для чего именно используется эта печатная плата? Такой датчик, как MPU-6050, можно найти в телефоне, но более вероятное использование (для схемы, о которой кто-то будет задавать вопросы) — это радиоуправляемый квадрокоптер, самобалансирующийся одноколесный велосипед или «ховерборд», то есть вещи с высокой мощностью. приводы двигателей, которые могут распространять неприятные импульсные нагрузки на плохо спроектированную плату.
Это единственный блок, который вышел из строя? Это могла быть треснувшая крышка, которая частично вышла из строя при высоком ESR и полностью вышла из строя под нагрузкой. Вам нужно будет провести расследование, чтобы устранить другие источники отказов, такие как индуктивные пики и значительный шум питания. Если конденсатор неисправен, распространенными причинами являются изгиб (изгиб), плохой запас компонентов и технологические дефекты, такие как слишком большое усилие на месте пикинга или мусор на печатной плате во время установки.
Наиболее вероятным объяснением является либо скрытая неисправность в конденсаторе, либо механическое воздействие, приводящее к разрушению и короткому замыканию слоев.
Что касается механического воздействия, это опора печатной платы рядом с вышедшим из строя конденсатором, справа на картинке?
@Chris Stratton, хорошая догадка, это плата управления полетом мультикоптера naze32 rev5.
@crasic Я не думаю, что он подвергается воздействию больших переходных процессов напряжения, поскольку он подключен к регулируемой шине 3,3 В, а регулятор питается от 5 В от понижающего преобразователя.
Крышка с номиналом 4 В на 3,3 В? Звучит как дизайнерская оплошность. Как правило, конденсаторы выбираются так, чтобы они имели удвоенное номинальное напряжение как для некоторого запаса прочности, так и для повышения производительности.
Индуктивные пики @jms могут значительно превышать напряжение питания. Вы можете исследовать шум при включении или увеличить ограничение, если это повторяющаяся проблема в дизайне.
О, да, ориентация колпачка, его размер и массивный опорный элемент делают его готовым к разрушению под действием механического напряжения. Если это ваш дизайн, вам следует изучить пределы изгиба млсс, они удивительно хрупкие компоненты.
@ user1582568 да, это нейлоновая гайка на нейлоновой стойке m3, но я не думаю, что она настолько тугая . Плата подвергалась воздействию перепадов температур (20°C -> -20°C при выносе на улицу), не могли ли термические напряжения привести к растрескиванию крышек?
@rdtsc Я не знаю, какие именно конденсаторы они использовали на самом деле, «схема» взята из таблицы данных InvenSense.
Кроме того, сколько продержалась плата до поломки?
@whatroughbeast около часа
Стоит отметить, что при 3,3 В постоянного тока конденсатор с номиналом 4 В может фактически потерять 50% или более своей номинальной емкости. Вот аккуратный небольшой документ.
Учитывая 1 час работы до отказа, я бы пошел на детскую смертность. Наверное плохая часть. Ключевым моментом, конечно же, является использование еще нескольких плат, чтобы увидеть, быстро ли они выйдут из строя. Если это так, вам следует рассмотреть либо плохую партию колпачков, либо проблему с платой. Например, если опора платы, подразумеваемая соседней нейлоновой гайкой, смещена, плата может быть деформирована гайкой, а механическое напряжение может повредить колпачок.

Ответы (2)

Причиной перегрева могут быть высокие пульсирующие токи (или плохое охлаждение и умеренные пульсирующие токи). Или это может быть один или несколько механических повреждений/дефектов, упомянутых в комментариях, или комбинация таких факторов. Не зная, склонен ли конденсатор к взрыву на более чем одной копии платы, трудно сказать наверняка. Посмертный анализ одного отказа без обширных подтверждающих данных не является окончательным.

Ниже приведена заметка о приложении TDK, размещенная на Digi-Key, которая в значительной степени объясняет, что, хотя MLCC часто не имеют точного номинального пульсирующего тока, пульсирующие токи влияют на них, но это больше связано с температурой, чем с удельным током. Они также упоминают, что пульсирующие токи измеряются на MLCC обычно при комнатной температуре, так что вполне возможно, что какой-то ленивый разработчик нашел число, проигнорировал связанное с ним значение «25°C» и сказал: «У-у-у, вот мой пульсирующий ток — пусть ее разрыв - при 65°С.

http://www.digikey.com/en/pdf/t/tdk/ripple-current-mlccs

«Конденсатор 4 В при питании 3,3 В» (также упомянутый в комментариях после того, как я написал выше) также является плохим выбором конструкции, который вполне может внести свой вклад, но неясно, соответствует ли спецификация фактическому конденсатору, поскольку вы указываете источник, который очевидно, не производитель платы (чипмейкер? в этом случае они сумасшедшие, чтобы указать это) для спецификации.

У TDK есть дополнительные белые листы, размещенные на digikey, о сбоях MLCC при физических и термических нагрузках. Общие режимы взлома в MLCC для поверхностного монтажа и руководство по взлому MLCC Flex.

Скорее всего, часть треснула, и это обычно приводит к короткому замыканию. Находясь на рельсах, будет задействован дым.

Обходной конденсатор MLCC емкостью 100 нФ самопроизвольно взрывается на шине 3,3 В, как это вообще происходит?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v