MLCC电容裂纹,BYD召回公告有感

科技   科技   2024-10-12 08:01   广东  
BYD汽车在国庆节前发布召回公告。有一前同事23年刚从日系换成BYD电车,发消息问我怎么看,我很难评,只觉得哪个车主赶上这种情况都烦。

公告节选如下。

根据公告,影响范围是部分车,22~23年产的部分元Plus和23年产的部分海豚两款。导致召回的部件是CEPS控制器。现象(失效模式)是电容器微裂纹;失效机理是某个工装太紧,上下盖夹持控制器时,工装跟电路板电容器机械干涉,硬碰硬,导致电容器受损;根本原因是制造工艺原因;改善措施是加一个绝缘垫片。

对这个公告我有两个疑虑。

首先,根本原因可能不“根本”。真正原因是啥呢?我推测是BYD自主搞的零件出问题,之前外采的没事。自主零件出这种问题的原因,有两个可能:一是PCB封装库的高度尺寸不准确,标了典型值而不是最大值,公差出问题了;二是这个件单价较高,BOM里面有第二供应商,不同供应商的产品在高度尺寸上公差不一样。

其次,这个改善措施无效,舍本逐末。有效的措施是更换CEPS控制器里面的电路板。

下面是详细分析,尽量写得容易理解:

-- EPS是什么?Electric Power Steering,译为电动助力转向。EPS属于车辆底盘系统,检测方向盘旋转,然后控制一个电动机跟随方向盘动作,降低扭矩、让驾驶员开车更省力。

-- CEPS是什么?公告中提到管柱,我假设它就是通常意义的 Column EPS(管柱式EPS),跟液压式EPS相比,这是一种让电机输出轴通过齿轮齿条直接耦合到转向管柱的方案,系统更简洁,不需要液压系统。当然,CEPS的准确含义以BYD为准,说不定是Combo/Cool EPS之类的呢。

-- CEPS控制器是什么?就是电机驱动器加上方向盘扭矩传感器。CEPS控制器的安全等级我认为ASIL-D,是ISO 26262定义的最高级。下图是一种Column EPS的结构示意图,红圈里面就是控制器啦。

(图来自网络,侵删)

-- 以前好好的,怎么突然出问题?这种情况先找变化点——比如导入了新零件,再比如质量要求提高了。这次我推测是导入了新零件。我在二手APP上搜了搜元Plus EPS,从产品标签看,至少有TRW(天合)跟Nidec(尼德科)两个牌子。这不意外,两家是底盘领域老牌供应商,EPS领域主打一个保守,所以国外产品先出场一点儿不意外。我还搜到一些打BYD商标的图片(下图),推测BYD开始搞自主了。从公告看,22年涉及1个车型约9k辆,23年涉及2个型号约90k辆。那么会不会是22年用新品试着投放市场,23年扩大占比?不管怎么说,这是变化点。

-- 什么样的电容器?可能是MLCC(多层片式瓷介电容器),大概率是X7R材质的大容量型号。考虑到使用环境和寿命要求,EPS控制器优先选用瓷介电容,也可能选择固态铝电解电容器,好处是单位面积电容量更高。

MLCC是一种叠层结构,类似威化饼干。电容的两个极板交替叠放,形成一个个并联的电容器。层数越多,极板之间间距越小,体积越大,则形成的静电容量就越高。

(图来自网络,侵删)

这块饼干如果受到不合适的机械应力,会发生脆断,形成微裂纹。下图是一种断裂形貌。

(图来自网络,侵删)

-- 带上盖的工装。我推测工装可能是用于把PCBA推入外壳并紧固的加持器,不太可能是测试针床,更不会是用来二次SMT的载具(软)。这类有上盖的PCBA工装,空间高度应该留多少,尺寸依据来自PCBA的3D图纸。如果是工装的供应商做错,那么工装出厂和制造厂进料就会发现,不会让工装上产线。所以,不能排除错在3D图纸。

-- 为什么量产阶段没发现?工装有错,但是量产FCT、QA都没报异常,说明这个错的程度小,对早期失效几乎没有影响,所以产线良率还在可接受限以内。当然,也不排除供应商息事宁人,为了合作和回款,忍受较高的不良率。车子上市2年多,保有量上来了,这个缺陷导致的问题就多了,就引起注意了。

-- 什么样的错有此特征?我推测一是PCB封装库的高度尺寸不准确,可能是标了典型值而不是最大值;二是这个件单价较高,BOM里面有第二供应商,不同供应商的产品在高度尺寸上公差不一样。这个问题极难被发现,库做好以后,Layout工程师不一定会复核,等到PCBA的3D图纸出来,与结构件、工装进行3D装配,都越来越不可能发现;

(图来自Ref 2)

(图来自Ref 3)

-- 绝缘垫片加在哪儿?CEPS结构有分体和一体两种。上图是分体式的,控制器带一个金属外壳。这时可以在外壳接缝处加一个垫片,增加内部高度。当然,绝缘垫片会破坏外壳的电场屏蔽完整性,EMC需要重新验证。上中下结构的一体式控制器,也是类似做法。

-- 加绝缘垫片能解决吗?当然不能。陶瓷材料裂了就是裂了,只能换新的。加垫片增加壳体内高,让电容器免受机械干涉。可是,电容器的裂纹在车子出厂前就有了啊,加高盒盖的目的是...? 我觉得说封堵都勉强。这也说明,3D图纸有问题的可能性很高,它不但误导了工装设计,也误导了控制器外壳设计。

-- 有裂纹的电容器会怎么样?MLCC的话,裂纹会发展,根据裂缝形态可以造成短路或开路。短路会出现材料高温熔化,开路则只会降低电容器的性能。固体电解电容会出现漏电流越来越大的情况,表现为电容损耗大,易爆裂,寿命缩短。不论哪种情况,在有保险丝的情况下,控制器都不容易起火。

(图来自网络,侵删)

对转向零件缺陷发起召回动作,不私了,是企业社会责任和良心,是义务。敢在国内车企轻易不召回的大环境里召回,敢在底盘系统配件上用自主,是勇气。不过,希望能暴露真问题,确实改善。

因信息量有限,本篇推测成份较大,不过推测的部分我尽量都注明了。推测而不再等后续,是因为这种情况恐怕永远也等不到后续。费了半天劲,我认为它表现了 PCB封装库的意义,表现了PCB设计文档完整性在复杂产品、并行开发中的价值,最重要的,做技术要讲逻辑。

谢谢阅读,我们共勉!

Ref
1. 比亚迪汽车工业有限公司、比亚迪汽车有限公司召回部分国产海豚、元PLUS电动汽车
2. Surface-Mount Ceramic Multilayer Capacitors - General Purpose & High Capacitance - Class 2, X7R 6.3V to 250V, 100pF to 47uF. Yageo. 2022
3. Multilayer Ceramic Chip Capacitors - Automotive Grade, Soft Termination (Low Resistance Type). TDK. 2022

作者:面包板社区博主 电子知识打边炉
链接:《故障诊断第002篇 MLCC电容裂纹 BYD召回公告读后感》https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-4061550.html
注:本文内容为作者个人观点。不代表本公众号观点。


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