王志武，張翔，馬 蜀，馬 磊，吳建文

（蘇州熱工研究院有限公司設(shè)備管理中心，廣東 深圳，518000）

核安全級(jí)數(shù)字化控制系統(tǒng)（DCS）的邏輯優(yōu)選卡在尋址電路中貼片電阻針腳、端子連接件的表面鍍層等采用了銀材料，在現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)后，長(zhǎng)期帶電運(yùn)行，在自然環(huán)境下會(huì)發(fā)生絕緣不良、地址串碼現(xiàn)象，銀鍍層、銀焊接物以及作為電極使用的金屬銀會(huì)在絕緣物上發(fā)生銀離子電遷移，使電極間的絕緣電阻值降低，最終形成短路，破壞整個(gè)邏輯優(yōu)選卡的功能，從而導(dǎo)致DCS 控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會(huì)影響核電廠的經(jīng)濟(jì)性。

在板卡銀遷移故障頻發(fā)的背景下，本文提出了一套有效抑制銀遷移進(jìn)程、控制銀遷移故障后果的緩解方案，并利用壽命方程進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該方案的有效性，對(duì)板卡的響應(yīng)、功能、壽命不產(chǎn)生負(fù)面影響，既可保證設(shè)備的可靠性，也能滿足核電廠的要求。

1 銀遷移原理

金屬遷移現(xiàn)象僅存在于少數(shù)金屬，例如銀、鉛、銅、錫、金等，其中銀是所有可能發(fā)生遷移的金屬中最容易遷移且遷移速率最高的金屬，原因是由于銀不能形成穩(wěn)定和鈍化的氧化膜，銀和銀離子發(fā)生氧化還原作用的低自由能，會(huì)促使其發(fā)生陽(yáng)極溶解和陰極還原，從而導(dǎo)致較高程度的遷移。

所謂銀遷移即在高濕度、持續(xù)性電壓以及與金屬銀接觸，或具有吸水、吸附濕氣特性的絕緣體等條件下，銀離子從初始位置發(fā)生移動(dòng)至對(duì)極區(qū)域內(nèi)再沉淀的過(guò)程。該過(guò)程為電化學(xué)反應(yīng)，存在不確定性和隨機(jī)性。

銀離子遷移機(jī)理及化學(xué)過(guò)程論述如下：

（1）金屬銀通過(guò)電極間的電位差以及元器件表面存在水分子發(fā)生電離反應(yīng)。

（2）Ag+和OH–在陽(yáng)極端生成 AgOH 析出。

（3）隨著AgOH 的分解，在陽(yáng)極端生成Ag2O 以膠狀分布。

（4）生成的Ag2O 不斷的與水反應(yīng)，形成銀離子向陰極移動(dòng)，析出須晶。

此外，空氣中部分酸性離子會(huì)加快遷移速率，如Cl–、很容易與空氣中的水分子形成電解液，附著在板卡表面從而促進(jìn)銀離子的遷移。

2 DCS 板卡銀遷移的影響

金屬銀具有極其優(yōu)良的導(dǎo)電性、傳熱性、可焊性和低接觸電阻，被廣泛的應(yīng)用在核電廠DCS 系統(tǒng)板卡中，如邏輯優(yōu)選卡尋址電路中采用的10P8R 貼片電阻針腳，該電阻模塊公共端連接VCC，另一端連接控制器輸入引腳，并通過(guò)插針與背板相連，通過(guò)斷開和連接來(lái)控制對(duì)應(yīng)的編碼信息，用于邏輯優(yōu)選卡的地址識(shí)別，控制器根據(jù)輸入電平的高低來(lái)判斷板卡所在的機(jī)架和地址，每個(gè)運(yùn)行周期都會(huì)獲取一次地址信息用于與CPU 通信。

現(xiàn)場(chǎng)上電運(yùn)行后，在持續(xù)性電壓的作用下，與自然環(huán)境中的水分子、酸性離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，形成銀離子移動(dòng)，產(chǎn)生須晶，出現(xiàn)絕緣不良、地址串碼現(xiàn)象，銀鍍層、銀焊接物以及作為電極使用的金屬銀會(huì)在絕緣物上發(fā)生銀離子電遷移，使電極間的絕緣電阻值降低，最終形成短路，導(dǎo)致邏輯優(yōu)選卡識(shí)別到的地址碼與原設(shè)定值不同，產(chǎn)生地址沖突，無(wú)法接收指令，破壞整個(gè)邏輯優(yōu)選卡的功能，從而導(dǎo)致DCS 控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，影響核電廠的生產(chǎn)。

3 DCS 板卡故障的原因分析

為了準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，通過(guò)對(duì)故障板卡進(jìn)行檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)尋址回路中電阻模塊針腳間有短路跡象，用錄波儀對(duì)比測(cè)量完好板卡與故障板卡的針腳間電壓，發(fā)現(xiàn)故障板卡電壓異常，隨后以 6 塊邏輯優(yōu)選卡（板卡狀態(tài)見(jiàn)表1）進(jìn)行微觀分析、能譜分析、三防涂覆工藝評(píng)定、切片分析、離子殘留物分析等一系列手段查找故障原因，并進(jìn)行銀遷移試驗(yàn)驗(yàn)證及復(fù)現(xiàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)板卡狀態(tài)Table 1 Status of experimental cards

圖1 為DCS 系統(tǒng)邏輯優(yōu)選卡貼片電阻模塊照片，經(jīng)過(guò)微觀分析發(fā)現(xiàn)，1、2、4、5 號(hào)卡貼片電阻模塊均出現(xiàn)不同程度的離子遷移現(xiàn)象，3號(hào)卡涂覆三防漆的部分無(wú)銀離子遷移跡象，未涂覆部分出現(xiàn)遷移，6 號(hào)卡無(wú)離子遷移跡象。對(duì)2 號(hào)卡進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)貼片電阻模塊針腳間存在離子遷移，且表面存在Cl–。對(duì)2 號(hào)卡有無(wú)三防漆的區(qū)域表面分別進(jìn)行離子色譜測(cè)試，發(fā)現(xiàn)無(wú)三防漆的位置Cl–含量顯著高于有三防漆表面且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。隨后對(duì)6 塊板卡進(jìn)行三防漆涂覆情況檢查，發(fā)現(xiàn)涂覆隨機(jī)，厚度不均且覆蓋不完全，3、6 號(hào)卡貼片電阻模塊部分涂覆。

圖1 DCS 系統(tǒng)邏輯優(yōu)選卡貼片電阻模塊照片F(xiàn)ig.1 The picture of the chip resistor module of the logic preferred card of the DCS system

選取1、4 號(hào)卡同時(shí)進(jìn)行加電濕熱老化試驗(yàn)，并提前對(duì)1 號(hào)卡進(jìn)行三防漆涂覆，試驗(yàn)周期30天，發(fā)現(xiàn)1 號(hào)卡銀遷移未發(fā)生擴(kuò)展，4 號(hào)卡出現(xiàn)了新的銀遷移現(xiàn)象，該試驗(yàn)表明：

（1）高溫高濕可加速銀遷移速率；

（2）貼片電阻模塊涂覆三防漆能有效阻止銀遷移的擴(kuò)展。

通過(guò)一系列的分析手段，并進(jìn)行了加電濕熱老化試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)銀遷移現(xiàn)象，驗(yàn)證了邏輯優(yōu)選卡發(fā)生銀遷移的結(jié)論，結(jié)果顯示尋址回路中貼片電阻模塊電極使用銀材料，三防漆涂覆部位隨機(jī)，在電壓信號(hào)及自然環(huán)境因素作用下形成銀離子移動(dòng)，產(chǎn)生須晶，在針腳間形成樹枝狀的橋接，導(dǎo)致貼片電阻針腳間絕緣降低或短路出現(xiàn)串碼故障。

4 DCS 板卡銀遷移的抑制及緩解

核電廠DCS 系統(tǒng)中使用了大量的邏輯優(yōu)選卡，該板卡尋址回路中電阻模塊銀遷移現(xiàn)象存在較高安全隱患。在面對(duì)數(shù)量龐大、重要程度高的邏輯優(yōu)選卡，提出一套具有執(zhí)行性、有效性的緩解方案迫在眉睫，本文從軟硬件設(shè)計(jì)上提出的抑制方法不僅能有效緩解銀遷移現(xiàn)象，也可控制銀遷移故障的后果，為核電廠的安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供了保障。

4.1 硬件層面

邏輯優(yōu)選卡的電阻模塊表面缺少防護(hù)，對(duì)貼片電阻模塊涂覆三防漆，阻斷銀遷移的路徑，抑制銀遷移進(jìn)程，可有效防護(hù)自然環(huán)境中的水分子、酸性離子對(duì)模塊針腳及電極的污染，起到了很好的保護(hù)作用。三防漆涂覆后可能對(duì)于DCS板卡散熱、性能有一定的影響，但采用平整、光亮、薄厚均勻、規(guī)則的涂覆方式，可以滿足性能需求，也可對(duì)銀遷移現(xiàn)象起到防護(hù)作用。

4.2 軟件層面

當(dāng)尋址回路發(fā)生確定性銀離子遷移效應(yīng)后，原設(shè)計(jì)軟件采用新獲取的地址進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，導(dǎo)致串碼事件發(fā)生，這一現(xiàn)象可通過(guò)FPGA模塊升級(jí)優(yōu)化，升級(jí)內(nèi)容包含鎖定回路和檢測(cè)回路兩部分，在現(xiàn)場(chǎng)上電投運(yùn)階段，地址無(wú)法突然變化，只允許板卡上電、下電的過(guò)程中獲取地址信息。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該FPGA 模塊升級(jí)后對(duì)板卡功能無(wú)影響，增加的響應(yīng)時(shí)間小于0.1 s，可忽略不計(jì)（見(jiàn)圖2）。

圖2 FPGA 模塊升級(jí)示意圖Fig.2 The schematic of FPGA module upgrading

4.2.1 增加鎖定回路

當(dāng)首次上電后，邏輯優(yōu)選卡讀取機(jī)籠母板的地址信息，并記錄、鎖定在FPGA 模塊中，鎖定裝置（120）一端與比較器（110）電性連接，另一端分別與針腳狀態(tài)檢測(cè)模塊（100）外部的SLOTA 接口（200）和帶銀管腳模塊（300）電性連接，用于鎖定初始化狀態(tài)下各帶銀管腳模塊的狀態(tài)，無(wú)法發(fā)生突變現(xiàn)象，防止下游控制設(shè)備出現(xiàn)拒動(dòng)、誤動(dòng)的情況，可有效抑制銀遷移導(dǎo)致設(shè)備故障的后果。

4.2.2 增加檢測(cè)回路

當(dāng)板卡在帶電運(yùn)行過(guò)程中，增加地址信息變化檢測(cè)功能，該檢測(cè)器（130）分別與帶銀管腳模塊（300）、SLOTA 接口（200）和鎖定裝置（120）電性連接，用于檢測(cè)帶銀管腳模塊（300）的狀態(tài)與鎖定裝置（120）所鎖定的信息是否相同，當(dāng)尋址回路中電阻模塊出現(xiàn)銀遷移現(xiàn)象導(dǎo)致與鎖定的地址信息不一致時(shí)，隨即發(fā)出異常報(bào)警信號(hào)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)銀遷移導(dǎo)致設(shè)備故障的情況。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證三防漆及升級(jí)后的板卡元器件壽命，選取3 塊板卡（A/B 卡涂覆三防漆、C 卡未涂覆）進(jìn)行了HAST 老化加速試驗(yàn)，通過(guò)將電子零件放置在高溫、高濕、高壓的環(huán)境中，采用阿倫尼烏斯方程模型（溫度單元）和冪律模型（濕度和電壓?jiǎn)卧┯?jì)算加速年，模擬在正常環(huán)境下使用的老化情況，預(yù)期壽命方程如下：

式中：L——壽命，Y；

A——2.3×1011；

m——0.35；

n——6（恒定值）；

Ea——活化能，eV；

T——絕對(duì)溫度，K；

RH——相對(duì)濕度，%；

V——電壓，V；

k——玻耳茲曼常數(shù)，Ev/K。

與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和試驗(yàn)環(huán)境下的使用壽命相比，加速率約為1.8，當(dāng)使用更高的試驗(yàn)條件時(shí)，加速系數(shù)進(jìn)一步加快至470 倍，因此，如果測(cè)試時(shí)間為200 h 時(shí)，計(jì)算的試驗(yàn)壽命為19.3 年（200 h×1.8×470）（見(jiàn)表2）。

表2 印刷線路板的HAST 試驗(yàn)加速系數(shù)[1]Table 2 The acceleration factors of the HAST test for the printed circuit boards

本次采用的試驗(yàn)條件為：

溫度130 ℃，濕度85%RH，壓力0.2 MPa，電壓20 V，時(shí)間200 h，在試驗(yàn)過(guò)程中，板卡全程加電，每24 h 出箱一次，進(jìn)行電阻模塊針腳微觀檢查及針腳間電阻測(cè)量，并在試驗(yàn)后對(duì)外觀及截面進(jìn)行了SEM&EDS 分析。結(jié)果證明3塊板卡電阻模塊表面未發(fā)現(xiàn)明顯的銀遷移特征，A/B 卡三防漆涂層也未見(jiàn)起泡、脫落、開裂，起到了很好的保護(hù)作用，根據(jù)上述壽命方程，通過(guò)本試驗(yàn)相當(dāng)于板卡元器件滿足19.3 年的使用壽命。

6 結(jié)論

本文針對(duì)核電廠安全級(jí)DCS 系統(tǒng)板卡數(shù)量多、銀遷移故障頻發(fā)的現(xiàn)狀，結(jié)合銀遷移機(jī)理，提出了一套能夠廣泛應(yīng)用、有效控制銀遷移進(jìn)程及故障后果的緩解措施，并通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該方案具有如下特點(diǎn)：

（1）抑制效果明顯有效，經(jīng)過(guò)加電濕熱老化試驗(yàn)及銀遷移復(fù)現(xiàn)，涂覆三防漆的板卡未出現(xiàn)銀遷移跡象，為核電廠的安全生產(chǎn)提供了保障；

（2）故障后果可控，銀遷移現(xiàn)象存在不確定性和隨機(jī)性，在核電廠高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求的環(huán)境下，通過(guò)FPGA 軟件升級(jí)鎖定回路鎖存地址碼，檢測(cè)回路提供報(bào)警功能，不僅能有效控制故障后果，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)銀遷移導(dǎo)致的短路或絕緣不良現(xiàn)象；

（3）可操作性強(qiáng)，整個(gè)緩解措施不需要應(yīng)用特種儀器，且對(duì)板卡無(wú)破壞性處理，對(duì)板卡的功能、響應(yīng)均不會(huì)產(chǎn)生影響；

（4）具備普適性，各工業(yè)領(lǐng)域的DCS 系統(tǒng)、集成電路板卡及電子裝置銀遷移現(xiàn)象均可參考優(yōu)化，必要時(shí)作適應(yīng)性修改，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。