电容器毁灭性故障，让PCB板直接报废

那年我在一家制造厂工作，当时遇到了让人不知所措的钽电容器故障。这并不是简单的电容器故障，而是灾难性的故障，致使 PCB 板无法修复。这种小型专用微型计算机 PCB 并不存在使用不当的问题，究竟是什么原因导致了故障？我们找不到任何合理的解释。让人不爽的是，供应商还怪罪我们。

电容器提供直流输入电源旁路的功能。分析显示，这些元件虽然有明显的纹波电流，但是仍在其额定电流范围之内。在 40°C 的额定环境温度下，其温度仅升高 13°C，远远低于 85°C 的电容器规格。工作电压为 27V，也远低于 50V 的额定电压，因此没有问题。

我们首先注意到两个不太严重的故障，接着就发生了第一次爆炸。有一些贴片电容仍然是完整的。我向电容器供应商送交了一颗从 PCB 上炸下来的电容器和一块完整的 PCB 进行分析，最后它们被送到了制造部门。制造部门得出了一个看似合理的诊断结果：电容芯子上的蛇形燃烧痕迹清楚地表明爆炸原因是电压过高。

我自己也通过互联网对钽电容器的故障做了一些研究，发现钽电容器的芯子有一些应在制造过程中被清除的小缺陷。在板子工作中，电压通过电阻器逐渐升至额定电压加上保护带。串联电阻可防止因为热失控而破坏电容芯子。我还了解到，在制造过程中，高温下焊接 PCB 所产生的应力可能导致电容芯子内部出现小裂纹，这些小裂纹反过来可能导致低阻抗应用中出现故障。小裂纹还会降低设备的额定电压，因此故障分析显示出爆炸原因是常见的过电压故障。

引线框可减少电容芯子上产生的应力，从而提高了可靠性。如果电容芯子不带引线框，则必须直接焊接到 PCB 上，这样会产生机械应力，应力随电容芯子的尺寸而显著增加。尺寸较大的钽电容器的现代构造技术是使用多个较小的芯子，这些芯子连接到公共的引线框。我们同时具备了所有这些条件：大电容芯子、不带引线框、低阻抗电压源和过压故障。

一个技术支持注意到第一代产品是可靠的，这时又出人意料地发生了第二次爆炸。进一步的检查发现，第一代 PCB 并联了四个 6.8μF 钽电容，而后来的 PCB 并联了两个 6.8μF 电容和一个 15μF 电容，以节省电路板空间。15μF 电容正是发生故障的电容。

现在我们找到了可能的原因，但是还没有解决办法。供应商仍然没有回应，因为这个产品是专用的，所以我们的工作只能停下来。如果无法控制产品，我们怎么可能解决问题或管理现场的所有元件？

我的想法是做一个电容器后处理夹具，用来缓慢增加施加到 PCB 上的电压，并具有足够大的电流容量为 PCB 上的所有元件供电，同时又有足够大的内部电阻来限制瞬态电容故障清除电流。没想到后处理夹具真的管用！在对仓库或现场的元件进行后处理时，没有再发生故障。这一发现表明，串联部件成功地限制了故障清除电流，假定 10％到 20％的元件可能会发生故障。

事实是最好的证据：从前大约每个月都会出现一两次故障，现在超过 18 个月了，一次故障也没有发生。确实有用！

审核编辑 黄昊宇