Tại sao tụ điện MLCC bị hỏng? 7 nguyên nhân thường gặp và cách phòng ngừa

Tụ điện MLCC là một thành phần nhỏ nhưng nếu hỏng có thể gây ra vấn đề lớn.

Một sản phẩm có thể đột ngột ngừng hoạt động. PCB có thể thất bại trong quá trình kiểm tra. Nguồn điện có thể không ổn định. Đôi khi, sự cố chỉ xuất hiện sau khi sản phẩm đã hoạt động được nhiều tuần hoặc nhiều tháng.

Khi điều này xảy ra, các kỹ sư thường hỏi:

Tại sao tụ MLCC bị hỏng?

Câu trả lời không phải lúc nào cũng đơn giản.

Lỗi MLCC có thể liên quan đến ứng suất điện, hư hỏng cơ học, nhiệt độ, mối hàn, thiết kế PCB hoặc thậm chí là cách xử lý linh kiện trong quá trình sản xuất.

Trong bài viết này, chúng tôi giải thích7 nguyên nhân phổ biến khiến tụ MLCC bị hỏngbằng những thuật ngữ đơn giản và chỉ ra những gì nhà sản xuất có thể làm để giảm thiểu rủi ro.

Thất bại MLCC có nghĩa là gì?

Trước khi xem xét nguyên nhân, sẽ rất hữu ích nếu bạn hiểu “thất bại” nghĩa là gì.

MLCC có thể thất bại theo nhiều cách khác nhau.

Ví dụ: nó có thể phát triển:

• Ngắn mạch
• Dòng rò cao
• Điện trở cách điện thấp
• Mất điện dung
• Điện dung ngoài dung sai quy định
• Các vết nứt trên thân gốm
• Giảm độ tin cậy theo thời gian

Đôi khi tụ điện ngừng hoạt động ngay lập tức.

Trong các trường hợp khác, nó tiếp tục hoạt động nhưng trở nên kém tin cậy hơn.

Điều này làm cho việc khắc phục lỗi MLCC trở nên đặc biệt khó khăn.

1. Điện áp quá mức

Một trong những nguyên nhân đơn giản nhất gây ra hỏng tụ điện là điện áp quá cao.

Mỗi MLCC đều có điện áp định mức.

Nếu điện áp đặt vào tụ điện cao hơn mức mà thành phần được thiết kế để xử lý, chất điện môi gốm có thể gặp ứng suất điện quá mức.

Vấn đề không chỉ giới hạn ở điện áp hoạt động bình thường.

Các kỹ sư cũng nên xem xét:

• Điện áp tăng đột biến
• Chuyển đổi quá độ
• Điều kiện khởi động
• Điều kiện tắt máy
• Điều kiện hoạt động bất thường

Ví dụ, một mạch thường có thể hoạt động ở điện áp tương đối ổn định nhưng lại gặp phải hiện tượng tăng vọt điện áp ngắn trong quá trình chuyển mạch.

Nếu tụ điện không thể chịu được ứng suất điện thì độ tin cậy lâu dài của tụ điện có thể bị ảnh hưởng.

Làm thế nào để giảm thiểu rủi ro

Kiểm tra điện áp tối đa mà tụ điện thực sự có thể gặp trong mạch chứ không chỉ điện áp hoạt động trung bình.

Đồng thời xem xét các điều kiện nhất thời trong quá trình thử nghiệm.

2. Bẻ khóa MLCC

Cracking là một nguyên nhân quan trọng khác gây ra lỗi MLCC.

Như chúng tôi đã thảo luận trong bài viết trước, MLCC được làm từ vật liệu gốm.

Gốm có ích về điện nhưng lại cứng về mặt cơ học.

Nếu PCB bị uốn cong hoặc tác dụng lực quá mạnh lên bộ phận, vết nứt có thể phát triển bên trong thân gốm.

Nguyên nhân có thể bao gồm:

• uốn PCB
• Depanelization
• Chèn đầu nối
• Xử lý thành phần không chính xác
• Căng thẳng lắp ráp cơ khí
• Rung quá mức

Điều khó khăn là một vết nứt nhỏ có thể không nhìn thấy được khi kiểm tra bằng mắt thông thường.

Bộ phận này có thể trông hoàn toàn bình thường mặc dù đã có hư hỏng bên trong.

Làm thế nào để giảm thiểu rủi ro

Hãy chú ý đến:

• bố trí PCB
• Vị trí thành phần
• Phương pháp khử nhiễu
• Xử lý bảng
• Cài đặt kết nối

Đối với các ứng dụng có yêu cầu cơ học cao hơn, các kỹ sư cũng có thể thảo luận về các tùy chọn MLCC đầu cuối mềm hoặc linh hoạt với nhà cung cấp của họ.

3. Hàn sai

Quá trình hàn có thể ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy của MLCC.

Trong quá trình hàn nóng chảy lại, linh kiện tiếp xúc với nhiệt độ cao.

Nếu quá trình làm nóng hoặc làm mát quá mạnh, ứng suất nhiệt có thể phát triển bên trong MLCC.

Vấn đề hàn cũng có thể xảy ra khi các mối hàn không cân bằng.

Ví dụ: nếu một mặt của MLCC gặp các điều kiện khác biệt đáng kể so với mặt kia, ứng suất cơ học có thể được truyền vào thân gốm.

Làm thế nào để giảm thiểu rủi ro

Thực hiện theo hồ sơ hàn được khuyến nghị do nhà sản xuất MLCC cung cấp.

Hãy chú ý đến:

• Tốc độ gia nhiệt
• Nhiệt độ cao nhất
• Tốc độ làm mát
• Khối lượng hàn
• Thiết kế đệm
• Vị trí thành phần

Đừng cho rằng mọi MLCC đều có thể được hàn bằng cùng một quy trình.

4. Căng thẳng nhiệt độ

Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của MLCC theo nhiều cách.

Một tụ điện hoạt động liên tục ở nhiệt độ cao có thể gặp nhiều ứng suất về điện và vật liệu hơn so với tụ điện hoạt động ở nhiệt độ phòng.

Sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng cũng có thể tạo ra ứng suất cơ học vì các vật liệu khác nhau giãn nở và co lại với tốc độ khác nhau.

Ví dụ:

Làm nóng → Mở rộng → Làm mát → Co lại

Nếu những thay đổi này xảy ra nhiều lần, các bộ phận và mối hàn có thể bị căng thêm.

Điều này đặc biệt quan trọng trong:

• Điện tử ô tô
• Thiết bị công nghiệp
• Nguồn điện
• Hệ thống pin
• Thiết bị ngoài trời

Làm thế nào để giảm thiểu rủi ro

Kiểm tra phạm vi nhiệt độ thực tế của ứng dụng.

Không chọn MLCC chỉ dựa trên thông số kỹ thuật ở nhiệt độ phòng.

Thành phần này phải được đánh giá trong điều kiện vận hành thực tế của thành phẩm.

5. Độ lệch DC và tổn thất điện dung

Loại sự cố này khác với vết nứt vật lý.

Một số loại điện môi gốm có thể bị giảm điện dung khi đặt điện áp DC.

Hiện tượng này thường được gọithiên vị DC.

Hãy tưởng tượng rằng một kỹ sư cần một điện dung nhất định cho mạch điện.

Điện dung danh nghĩa được liệt kê trên bảng dữ liệu MLCC có thể trông đủ.

Tuy nhiên, sau khi linh kiện được đặt dưới điện áp hoạt động thực tế của nó, điện dung hiệu dụng có thể thấp hơn.

Mạch sau đó có thể hoạt động khác với những gì được mong đợi.

Điều này không nhất thiết có nghĩa là MLCC bị lỗi.

Nó có thể đơn giản có nghĩa là thành phần đó không được đánh giá trong điều kiện vận hành chính xác.

Làm thế nào để giảm thiểu rủi ro

Kiểm tra điện dung hiệu dụng dưới đây:

• Điện áp hoạt động thực tế
• Nhiệt độ thực tế
• Tần số yêu cầu

Đừng chỉ nhìn vào điện dung danh nghĩa.

6. Lão hóa và thay đổi điện dung dài hạn

Một số vật liệu điện môi MLCC có điện dung thay đổi dần dần theo thời gian.

Điều này được gọi làlão hóa.

Hiệu ứng này phụ thuộc vào vật liệu điện môi và điều kiện hoạt động.

Đối với nhiều ứng dụng, sự thay đổi có thể quản lý được.

Tuy nhiên, đối với các mạch yêu cầu điện dung ổn định trong thời gian dài, cần tính đến sự lão hóa trong tính toán thiết kế.

Điều này đặc biệt quan trọng khi dung sai điện dung ban đầu đã rất chặt chẽ.

Làm thế nào để giảm thiểu rủi ro

Các kỹ sư nên xem xét sự thay đổi điện dung dự kiến ​​trong suốt thời gian sử dụng của sản phẩm.

Nếu độ ổn định lâu dài là quan trọng, hãy chọn thông số kỹ thuật điện môi và thành phần thích hợp cho ứng dụng.

7. Bố cục PCB kém

Đôi khi MLCC không phải là vấn đề thực sự.

Thiết kế PCB có thể góp phần gây ra sự thất bại.

Ví dụ: đặt MLCC quá gần:

• Một cạnh PCB
• Một lỗ vít
• Một đầu nối
• Một dòng depanelization
• Khu vực căng thẳng cao

có thể làm tăng ứng suất cơ học.

Bộ phận này có thể hoạt động hoàn hảo trong thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhưng lại thất bại trong quá trình lắp ráp thực tế.

Đây là lý do tại sao độ tin cậy của MLCC nên được xem xét cùng với thiết kế PCB.

Làm thế nào để giảm thiểu rủi ro

Trước khi sản xuất hàng loạt, hãy xem xét:

• Vị trí thành phần
• độ dày PCB
• uốn ván
• điểm lắp đặt
• Depanelization
• Lực chèn đầu nối

Một thay đổi nhỏ về bố cục đôi khi có thể làm giảm đáng kể vấn đề về độ tin cậy.

Làm thế nào bạn có thể biết tại sao MLCC thất bại?

Việc tìm ra nguyên nhân thường khó hơn việc tìm tụ điện bị hỏng.

Việc thay thế linh kiện ngay lập tức có thể khiến sản phẩm hoạt động trở lại nhưng chưa hẳn đã giải quyết được vấn đề thực sự.

Quy trình khắc phục sự cố tốt hơn là hỏi:

Sự cố xảy ra khi nào?

Có phải là:

• Trong quá trình hàn?
• Trong quá trình thử nghiệm PCB?
• Trong quá trình lắp ráp cuối cùng?
• Trong quá trình vận chuyển?
• Sau vài giờ hoạt động?
• Sau vài tháng sử dụng?

Thời điểm có thể cung cấp một đầu mối quan trọng.

MLCC bị lỗi nằm ở đâu?

Nếu một số tụ điện bị hỏng nằm trong cùng một khu vực của PCB, hãy kiểm tra xem khu vực đó có gặp phải ứng suất cơ hoặc nhiệt bất thường hay không.

Loại sự cố điện nào đã xảy ra?

Kiểm tra xem vấn đề có phải là:

• Đoản mạch
• Sự rò rỉ
• điện dung thấp
• Hở mạch
• Lỗi cách điện

Các dạng lỗi khác nhau có thể chỉ ra các nguyên nhân khác nhau.

Quy trình khắc phục sự cố lỗi MLCC đơn giản

Khi MLCC không thành công, bạn có thể sử dụng quy trình sau.

Bước 1: Ghi lại lỗi

Ghi lại thành phần bị lỗi:

• Số phần
• điện dung
• Điện áp
• Bưu kiện
• Điện môi
• vị trí PCB

Bước 2: Kiểm tra điều kiện điện

Đo lường:

• Điện áp làm việc
• Điện áp tăng đột biến
• Hiện hành
• Nhiệt độ
• Tính thường xuyên

Bước 3: Kiểm tra PCB

Hãy tìm:

• uốn
• vết nứt
• Mối hàn kém
• Thiết kế miếng đệm không chính xác
• Vị trí căng thẳng cao

Bước 4: Xem lại quy trình lắp ráp

Kiểm tra xem lỗi có bắt đầu sau:

• Chỉnh lại dòng
• Hàn sóng
• Depanelization
• Cài đặt kết nối
• Lắp ráp cơ khí

Bước 5: So sánh các thành phần bình thường và thất bại

Việc kiểm tra MLCC bị lỗi cùng với mẫu bình thường có thể giúp xác định sự khác biệt.

Bước 6: Làm việc với nhà cung cấp

Nếu lỗi không thể giải thích được bằng quy trình ứng dụng hoặc lắp ráp, hãy cung cấp cho nhà cung cấp thông tin thử nghiệm liên quan.

Nhà cung cấp có khả năng hỗ trợ kỹ thuật có thể giúp điều tra lỗi thay vì chỉ thay thế các bộ phận.

Làm thế nào bạn có thể ngăn ngừa thất bại MLCC?

Thời điểm tốt nhất để giải quyết vấn đề về độ tin cậy của MLCC làtrước khi sản xuất hàng loạt.

Một vài thực hành đơn giản có thể giúp ích.

Chọn thành phần dựa trên ứng dụng thực tế

Không chọn MLCC chỉ sử dụng điện dung và điện áp.

Coi như:

• Nhiệt độ
• Tính thường xuyên
• thiên vị DC
• Ứng suất cơ học
• điều kiện PCB
• Yêu cầu về độ tin cậy

Thực hiện theo các khuyến nghị hàn của nhà sản xuất

Một bộ phận đúng vẫn có thể bị hỏng do quy trình lắp ráp không phù hợp.

Luôn xem lại các điều kiện hàn được khuyến nghị.

Tránh căng thẳng PCB không cần thiết

Hãy cẩn thận khi:

• Cắt PCB
• Cài đặt đầu nối
• Vít siết chặt
• Bảng xử lý
• Đóng gói thành phẩm

Kiểm tra trước khi sản xuất hàng loạt

Thử nghiệm nguyên mẫu có thể xác định các vấn đề trước khi chúng trở thành những lỗi sản xuất tốn kém.

Nếu ứng dụng đòi hỏi khắt khe, hãy kiểm tra MLCC trong các điều kiện gần giống với sản phẩm cuối cùng.

Bạn nên hỏi nhà cung cấp MLCC điều gì?

Nếu bạn đang mua MLCC cho một dự án mới, một số câu hỏi có thể giúp bạn đánh giá nhà cung cấp.

Hỏi về:

Thông số sản phẩm

• điện dung
• Điện áp
• Sức chịu đựng
• Điện môi
• Kích thước gói
• Phạm vi nhiệt độ

Độ tin cậy

• Kiểm tra độ tin cậy
• Kiểm soát chất lượng
• Phương pháp kiểm tra
• Hỗ trợ phân tích lỗi

Sản xuất

• Năng lực sản xuất hàng tháng
• thời gian dẫn
• Sự sẵn có của mẫu
• Bao bì
• Truy xuất nguồn gốc

Hỗ trợ kỹ thuật

• Đề xuất ứng dụng
• Hướng dẫn hàn
• Phân tích lỗi
• Khuyến nghị thay thế

Một nhà cung cấp có thể trả lời những câu hỏi này một cách rõ ràng có thể làm cho quá trình phát triển và mua hàng trở nên dễ dàng hơn nhiều.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân phổ biến nhất của sự thất bại MLCC là gì?

Không có nguyên nhân duy nhất cho mọi ứng dụng. Nứt cơ học, ứng suất điện quá mức, các vấn đề về hàn, ứng suất nhiệt độ và điều kiện vận hành không phù hợp là một trong những nguyên nhân quan trọng cần điều tra.

MLCC có thể bị hỏng ngay cả khi điện áp nằm trong giá trị định mức không?

Đúng. Độ tin cậy của MLCC phụ thuộc nhiều hơn vào điện áp. Ứng suất cơ học, nhiệt độ, mối hàn, thiết kế PCB và các điều kiện vận hành khác cũng có thể ảnh hưởng đến thành phần.

MLCC bị bẻ khóa vẫn có thể hoạt động được không?

Đúng. MLCC bị nứt có thể tiếp tục hoạt động tạm thời. Tuy nhiên, hư hỏng bên trong có thể làm tăng rò rỉ hoặc tạo ra rủi ro đoản mạch trong tương lai.

Làm cách nào để ngăn ngừa lỗi MLCC trong quá trình lắp ráp PCB?

Kiểm soát quá trình chỉnh lại dòng chảy, giảm độ cong của PCB, sử dụng các phương pháp khử màu thích hợp và tránh đặt MLCC ở những khu vực chịu áp lực cơ học cao.

Tôi có nên thay thế MLCC khi PCB bị lỗi không?

Việc thay thế tụ điện có thể khôi phục hoạt động nhưng tốt hơn hết là bạn nên xác định nguyên nhân tại sao linh kiện ban đầu bị hỏng trước tiên. Nếu không, việc thay thế có thể thất bại vì lý do tương tự.

Nhà cung cấp MLCC có thể giúp điều tra các lỗi không?

Đúng. Tùy thuộc vào khả năng kỹ thuật của nhà cung cấp, họ có thể cung cấp phân tích lỗi, tư vấn ứng dụng, thông tin kiểm tra hoặc đề xuất thành phần thay thế.

Phần kết luận

Tụ điện MLCC có thể bị hỏng vì nhiều lý do khác nhau.

Đôi khi vấn đề là về điện. Đôi khi nó là máy móc. Đôi khi nó đến từ việc hàn hoặc thiết kế PCB.

Điểm quan trọng nhất đó làlỗi MLCC không nên tự động đổ lỗi cho chính tụ điện.

Nhìn vào hệ thống hoàn chỉnh:

MLCC + PCB + Quy trình lắp ráp + Điều kiện điện + Nhiệt độ + Ứng suất cơ học

Khi các yếu tố này được xem xét cùng nhau, việc tìm ra nguyên nhân thực sự và ngăn chặn vấn đề tương tự xảy ra lần nữa sẽ trở nên dễ dàng hơn nhiều.

Đối với các kỹ sư và nhóm mua hàng, việc làm việc với nhà cung cấp MLCC có thể cung cấp cả sản phẩm ổn định và hỗ trợ kỹ thuật cũng có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể trong quá trình phát triển sản phẩm và sản xuất hàng loạt.