100-nF-MLCC-Bypass-Kondensator explodiert spontan auf 3,3-V-Bus, wie passiert das überhaupt?

Ein 1608/0603 Mehrschicht-Keramik-Chip-Kondensator fungierte als Bypass-Kondensator für die 3,3-V-Versorgung eines InvenSense MPU-6050 6-Achsen-MEMS-Sensors (Kreisel + Beschleunigungsmesser). Es explodierte irgendwie und bildete einen offenen Stromkreis, ohne den Sensor-IC oder eine andere Komponente auf der Platine zu beschädigen und ohne seinen Betrieb zu beeinträchtigen.

Makrofoto der durchgebrannten Komponente

Abbildung einer typischen Schaltung aus dem InvenSense- Datenblatt :

beispielhafte typische Verwendung von MPU-6050 aus dem Datenblatt

Einige Teile des Keramikmaterials sind noch an der Platine befestigt und Teile des Wracks sind überall verstreut. Die Kappe wurde vom Hersteller mit bleifreiem Lötzinn reflowgelötet und die Platine wurde nicht nachbearbeitet. Ich bin mir ziemlich sicher, dass die Komponente intakt war, als ich das Board zum ersten Mal bekam.

Ich bin neugierig, welcher Fehlermodus dies war und wie ich solche Fehler in Platinen meines eigenen Designs verhindern kann. Ist dies ein häufiges Vorkommen in der Massenproduktion? Ich dachte, das seien ziemlich zuverlässige Komponenten.

Wofür genau wird diese Leiterplatte verwendet? Ein Sensor wie ein MPU-6050 könnte in einem Telefon zu finden sein, aber eine wahrscheinlichere Verwendung (für eine Schaltung, zu der jemand Fragen stellen würde) ist ein RC-Quadcopter oder ein selbstausgleichendes Einrad oder "Hoverboard" - dh Dinge mit hoher Leistung Motorantriebe, die unangenehme Impulslasten auf einer schlecht konstruierten Platine verteilen können.
Ist das die einzige Einheit, die ausgefallen ist? Es könnte eine gerissene Kappe gewesen sein und mit hohem ESR teilweise versagt haben und unter Last vollständig versagt haben. Sie müssen nachforschen, um andere Fehlerquellen wie induktive Spannungsspitzen und erhebliches Versorgungsrauschen zu eliminieren. Wenn der Kondensator fehlerhaft ist, sind häufige Ursachen Biegung (Verbiegung), schlechtes Komponentenlager und Prozessfehler wie zu viel Kraft auf der Bestückungsstelle oder Ablagerungen auf der Leiterplatte während der Platzierung
Die wahrscheinlichste Erklärung ist entweder ein latenter Fehler im Kondensator oder eine mechanische Belastung, die zu einem Bruch und einem Kurzschluss der Schichten führt.
Apropos mechanischer Stress, ist das rechts im Bild neben dem ausgefallenen Kondensator ein Platinenträger?
@Chris Stratton gute Vermutung, es ist eine Naze32 rev5 Multicopter Flight Control Board.
@crasic Ich glaube nicht, dass es großen Spannungsspitzen ausgesetzt ist, da es sich an einem geregelten 3,3-V-Bus befindet und der Regler mit 5 V von einem Abwärtswandler gespeist wird.
Eine 4-V-Kappe bei 3,3 V? Das klingt nach Designversehen. Typischerweise werden Kappen so gewählt, dass sie die doppelte Nennspannung haben, sowohl für einen gewissen Sicherheitsspielraum als auch für eine erhöhte Leistung.
@jms induktive Spitzen können die Versorgungsspannung erheblich überschreiten. Sie können das Einschaltrauschen untersuchen oder die Obergrenze erhöhen, wenn es sich um ein wiederholtes Problem im Design handelt.
Oh ja, die Ausrichtung der Kappe, ihre Größe und das massive Stützelement machen sie reif für ein Versagen durch mechanische Beanspruchung. Wenn dies Ihr Design ist, sollten Sie die mlcc-Biegegrenzen untersuchen, da es sich um überraschend zerbrechliche Komponenten handelt
@ user1582568 Ja, das ist eine Nylonmutter auf einem m3-Nylon-Abstandshalter, aber ich glaube nicht, dass sie so fest sitzt. Das Board wurde Temperaturschwankungen ausgesetzt (20 °C -> -20 °C, wenn es nach draußen gebracht wird). Könnte die thermische Belastung tatsächlich die Kappen brechen?
@rdtsc Ich weiß nicht, welche genauen Kondensatoren sie tatsächlich verwendet haben, das "Schema" stammt aus dem InvenSense-Datenblatt
Und wie lange hat das Board vor dem Ausfall gehalten?
@whatroughbeast etwa eine Stunde
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass ein 4-V-Nennkondensator bei 3,3 V DC tatsächlich 50 % oder mehr seiner Nennkapazität verlieren kann. Hier ist ein nettes kleines Dokument.
Bei einer Betriebsstunde von 1 Stunde vor dem Ausfall würde ich mich für Kindersterblichkeit entscheiden. Wahrscheinlich ein schlechtes Teil. Der Schlüssel ist natürlich, mehrere weitere Boards zu betreiben, um zu sehen, ob sie auch schnell ausfallen. Wenn dies der Fall ist, sollten Sie entweder eine schlechte Charge von Kappen oder ein Problem mit der Platine in Betracht ziehen. Wenn beispielsweise die Platinenhalterung, die durch die nahe gelegene Nylonmutter impliziert wird, falsch ausgerichtet ist, kann die Platine durch die Mutter und die mechanische Belastung verzerrt werden, die die Kappe beschädigt.

Antworten (2)

Könnten hohe Ripple-Ströme (oder schlechte Kühlung und moderate Ripple-Ströme) sein, die eine Überhitzung verursachen. Oder es könnte eine oder mehrere der in den Kommentaren erwähnten mechanischen Belastungen/Defektarten oder eine Kombination solcher Faktoren sein. Ohne zu wissen, ob der Kondensator dazu neigt, auf mehr als einer Kopie der Platine zu explodieren, ist es schwer mit Sicherheit zu sagen. Post-Mortem-Analyse eines einzelnen Fehlers ohne umfangreiche unterstützende Daten ist nicht endgültig.

Unten verlinkt ist ein bei Digi-Key gehosteter TDK-App-Hinweis, der ziemlich genau erklärt, dass MLCCs zwar oft nicht genau für den Ripple-Strom ausgelegt sind, Ripple-Ströme sie jedoch beeinflussen - aber es ist eher eine Temperatursache als ein bestimmter Strom. Sie erwähnen auch, dass Ripple-Ströme bei der Messung von Ripple-Strömen an MLCCs normalerweise bei Raumtemperatur sind - es ist also durchaus möglich, dass ein fauler Designer eine Zahl gefunden, die zugehörigen "25 ° C" ignoriert und gesagt hat: Whoo-hoo, hier ist mein Ripple-Strom - lass ihr Riss – bei 65°C.

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

Der "4-V-Kondensator an 3,3-V-Versorgung" (auch in Kommentaren erwähnt, nachdem ich das oben Gesagte geschrieben habe) ist ebenfalls eine schlechte Designwahl, die durchaus einen Beitrag leisten kann, aber es ist unklar, ob die Spezifikation dem tatsächlichen Kondensator entspricht, da Sie eine Quelle dafür angeben ist offensichtlich nicht der Hersteller des Boards (Chiphersteller? In diesem Fall sind sie verrückt, das zu spezifizieren) für die Spezifikation.

TDK hat auf digikey zusätzliche White Sheets zu MLCC-Ausfällen unter physikalischer und thermischer Belastung gehostet, Common Cracking Modes in Surface Mount MLCC und Guide to MLCC Flex Cracking

Höchstwahrscheinlich ist das Teil gerissen und das führt normalerweise zu einem Kurzschluss. Auf einer Schiene wird Rauch involviert sein.

100-nF-MLCC-Bypass-Kondensator explodiert spontan auf 3,3-V-Bus, wie passiert das überhaupt?
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