Condensador de derivación MLCC de 100nF que explota espontáneamente en un bus de 3.3V, ¿cómo sucede esto?

Un capacitor de chip cerámico multicapa 1608/0603 funcionaba como capacitor de derivación para el suministro de 3,3 V de un sensor MEMS InvenSense MPU-6050 de 6 ejes (giroscopio + acelerómetro). De alguna manera explotó formando un circuito abierto, sin dañar el sensor IC ni ningún otro componente de la placa, y sin afectar su funcionamiento.

foto macro del componente quemado

Ilustración de un circuito típico de la hoja de datos de InvenSense :

uso típico ilustrativo de MPU-6050 de la hoja de datos

Algunas partes del material cerámico todavía están unidas a la PCB y los restos están esparcidos por todas partes. La tapa fue soldada por reflujo con soldadura sin plomo por el fabricante y la PCB no ha sido reelaborada. Estoy bastante seguro de que el componente estaba intacto cuando obtuve la placa por primera vez.

Tengo curiosidad sobre qué modo de falla fue este y cómo prevenir tales fallas en tableros de mi propio diseño. ¿Es esto una ocurrencia común en la producción en masa? Pensé que estos eran componentes bastante confiables.

¿Para qué se usa exactamente esta PCB? Se podría encontrar un sensor como un MPU-6050 en un teléfono, pero un uso más probable (para un circuito sobre el que alguien haría preguntas) es un cuadricóptero RC o un monociclo autoequilibrado o "hoverboard", es decir, cosas con alta potencia. impulsores de motor que pueden estar propagando cargas de pulso desagradables alrededor de un tablero mal diseñado.
¿Es esta la única unidad que falló? Podría haber sido una tapa rota y falló parcialmente con ESR alto y falló completamente con carga. Deberá investigar para eliminar otras fuentes de falla, como picos inductivos y ruido de suministro significativo. Si el condensador tiene la falla, las causas comunes son la flexión (doblado), el stock de componentes defectuosos y los defectos del proceso, como demasiada fuerza en el lugar de selección o residuos en la placa de circuito impreso durante la colocación.
La explicación más probable es una falla latente en el capacitor o una tensión mecánica que da como resultado una fractura y un cortocircuito entre las capas.
Sobre el tema del estrés mecánico, ¿es un soporte de PCB justo al lado del capacitor defectuoso, a la derecha de la imagen?
@Chris stratton buena suposición, es una placa de control de vuelo multicóptero naze32 rev5.
@crasic No creo que esté expuesto a grandes transitorios de voltaje, ya que está en un bus regulado de 3.3 V, y el regulador recibe alimentación de 5 V de un convertidor reductor.
¿Un límite nominal de 4v a 3.3v? Eso suena como un descuido de diseño. Por lo general, las tapas se eligen para tener el doble de la clasificación de voltaje tanto para un margen de seguridad como para un mayor rendimiento.
Los picos inductivos de @jms pueden exceder significativamente el voltaje de suministro. Podría investigar activar el ruido o aumentar la calificación de límite si es un problema repetido en el diseño.
Oh, sí, la orientación de la tapa, su tamaño y el miembro de soporte masivo hacen que esto esté listo para la falla por estrés mecánico. Si este es su diseño, debe investigar los límites de flexión de mlcc, son componentes sorprendentemente frágiles.
@ user1582568 sí, es una tuerca de nailon en un separador de nailon m3, pero no creo que esté tan apretado. La placa ha estado expuesta a variaciones de temperatura (20C -> -20C al sacarla al exterior), ¿podría el estrés térmico romper las tapas?
@rdtsc No sé qué capacitores exactamente usaron, el "esquema" es de la hoja de datos de InvenSense
Además, ¿cuánto tiempo duró la placa antes de fallar?
@whatroughbeast alrededor de una hora
Vale la pena señalar que a 3,3 V CC, un capacitor nominal de 4 V en realidad puede perder el 50 % o más de su capacitancia nominal. Aquí hay un pequeño documento ordenado.
Dada 1 hora de operación antes de la falla, optaría por la mortalidad infantil. Probablemente una mala parte. La clave, por supuesto, es operar varias placas más para ver si también fallan rápidamente. Si es así, debe considerar un lote defectuoso de tapas o un problema en la placa. Por ejemplo, si el soporte de la placa implícito en la tuerca de nylon cercana está desalineado, la placa podría estar distorsionada por la tuerca y la tensión mecánica dañando la tapa.

Respuestas (2)

Podrían ser corrientes de ondulación altas (o enfriamiento deficiente y corrientes de ondulación moderadas) que causan sobrecalentamiento. O podría ser uno o varios del tipo de estrés/defecto mecánico mencionado en los comentarios, o una combinación de tales factores. Sin saber si el condensador es propenso a explotar en más de una copia de la placa, es difícil decirlo con seguridad. El análisis post-mortem de una sola falla sin datos de respaldo extensos no es definitivo.

En el enlace a continuación hay una nota de la aplicación TDK alojada en Digi-Key que explica en gran medida que, si bien los MLCC a menudo no tienen exactamente una clasificación de corriente de ondulación, las corrientes de ondulación los afectan, pero es más una cuestión de temperatura que una corriente específica. También mencionan que cuando las corrientes de ondulación se miden en los MLCC, generalmente están a temperatura ambiente, por lo que es muy posible que algún diseñador perezoso haya encontrado un número, ignoró los "25 ° C" asociados y dijo ¡guau, aquí está mi corriente de ondulación! su rasgadura - a 65°C.

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

El "condensador de 4 V con suministro de 3,3 V" (también mencionado en los comentarios después de que escribí lo anterior) también es una mala elección de diseño que bien puede contribuir, pero no está claro si la especificación es cuál es el condensador real, ya que indica una fuente que evidentemente no es el fabricante de la placa (¿fabricante de chips? en cuyo caso están locos al especificar eso) para la especificación.

TDK tiene hojas blancas adicionales alojadas en digikey sobre fallas de MLCC bajo tensión física y térmica Modos de agrietamiento comunes en MLCC de montaje en superficie y guía para agrietamiento flexible de MLCC

Lo más probable es que la parte se rompa y eso generalmente provocará un cortocircuito. Al estar en un riel, el humo estará involucrado.

Condensador de derivación MLCC de 100nF que explota espontáneamente en un bus de 3.3V, ¿cómo sucede esto?
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