新的PCB布局

gaosmile

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。