核电厂DCS,板卡银迁移原因分析及抑制的方法研究
时间：2023-02-14 13:20:08 来源：千叶帆 本文已影响人
王志武，张翔，马 蜀，马 磊，吴建文
（苏州热工研究院有限公司设备管理中心，广东 深圳，518000）
核安全级数字化控制系统（DCS）的逻辑优选卡在寻址电路中贴片电阻针脚、端子连接件的表面镀层等采用了银材料，在现场投运后，长期带电运行，在自然环境下会发生绝缘不良、地址串码现象，银镀层、银焊接物以及作为电极使用的金属银会在绝缘物上发生银离子电迁移，使电极间的绝缘电阻值降低，最终形成短路，破坏整个逻辑优选卡的功能，从而导致DCS 控制系统出现故障，会影响核电厂的经济性。
在板卡银迁移故障频发的背景下，本文提出了一套有效抑制银迁移进程、控制银迁移故障后果的缓解方案，并利用寿命方程进行了试验验证，证明了该方案的有效性，对板卡的响应、功能、寿命不产生负面影响，既可保证设备的可靠性，也能满足核电厂的要求。
金属迁移现象仅存在于少数金属，例如银、铅、铜、锡、金等，其中银是所有可能发生迁移的金属中最容易迁移且迁移速率最高的金属，原因是由于银不能形成稳定和钝化的氧化膜，银和银离子发生氧化还原作用的低自由能，会促使其发生阳极溶解和阴极还原，从而导致较高程度的迁移。
所谓银迁移即在高湿度、持续性电压以及与金属银接触，或具有吸水、吸附湿气特性的绝缘体等条件下，银离子从初始位置发生移动至对极区域内再沉淀的过程。该过程为电化学反应，存在不确定性和随机性。
银离子迁移机理及化学过程论述如下：
（1）金属银通过电极间的电位差以及元器件表面存在水分子发生电离反应。
（2）Ag+和OH–在阳极端生成 AgOH 析出。
（3）随着AgOH 的分解，在阳极端生成Ag2O 以胶状分布。
（4）生成的Ag2O 不断的与水反应，形成银离子向阴极移动，析出须晶。
此外，空气中部分酸性离子会加快迁移速率，如Cl–、很容易与空气中的水分子形成电解液，附着在板卡表面从而促进银离子的迁移。
金属银具有极其优良的导电性、传热性、可焊性和低接触电阻，被广泛的应用在核电厂DCS 系统板卡中，如逻辑优选卡寻址电路中采用的10P8R 贴片电阻针脚，该电阻模块公共端连接VCC，另一端连接控制器输入引脚，并通过插针与背板相连，通过断开和连接来控制对应的编码信息，用于逻辑优选卡的地址识别，控制器根据输入电平的高低来判断板卡所在的机架和地址，每个运行周期都会获取一次地址信息用于与CPU 通信。
现场上电运行后，在持续性电压的作用下，与自然环境中的水分子、酸性离子发生电化学反应，形成银离子移动，产生须晶，出现绝缘不良、地址串码现象，银镀层、银焊接物以及作为电极使用的金属银会在绝缘物上发生银离子电迁移，使电极间的绝缘电阻值降低，最终形成短路，导致逻辑优选卡识别到的地址码与原设定值不同，产生地址冲突，无法接收指令，破坏整个逻辑优选卡的功能，从而导致DCS 控制系统出现故障，影响核电厂的生产。
为了准确定位故障点，通过对故障板卡进行检测分析，发现寻址回路中电阻模块针脚间有短路迹象，用录波仪对比测量完好板卡与故障板卡的针脚间电压，发现故障板卡电压异常，随后以 6 块逻辑优选卡（板卡状态见表1）进行微观分析、能谱分析、三防涂覆工艺评定、切片分析、离子残留物分析等一系列手段查找故障原因，并进行银迁移试验验证及复现。
表1 实验板卡状态Table 1 Status of experimental cards
图1 为DCS 系统逻辑优选卡贴片电阻模块照片，经过微观分析发现，1、2、4、5 号卡贴片电阻模块均出现不同程度的离子迁移现象，3号卡涂覆三防漆的部分无银离子迁移迹象，未涂覆部分出现迁移，6 号卡无离子迁移迹象。对2 号卡进行能谱分析，发现贴片电阻模块针脚间存在离子迁移，且表面存在Cl–。对2 号卡有无三防漆的区域表面分别进行离子色谱测试，发现无三防漆的位置Cl–含量显著高于有三防漆表面且远远大于行业标准。随后对6 块板卡进行三防漆涂覆情况检查，发现涂覆随机，厚度不均且覆盖不完全，3、6 号卡贴片电阻模块部分涂覆。
图1 DCS 系统逻辑优选卡贴片电阻模块照片Fig.1 The picture of the chip resistor module of the logic preferred card of the DCS system
选取1、4 号卡同时进行加电湿热老化试验，并提前对1 号卡进行三防漆涂覆，试验周期30天，发现1 号卡银迁移未发生扩展，4 号卡出现了新的银迁移现象，该试验表明：
（1）高温高湿可加速银迁移速率；
（2）贴片电阻模块涂覆三防漆能有效阻止银迁移的扩展。
通过一系列的分析手段，并进行了加电湿热老化试验复现银迁移现象，验证了逻辑优选卡发生银迁移的结论，结果显示寻址回路中贴片电阻模块电极使用银材料，三防漆涂覆部位随机，在电压信号及自然环境因素作用下形成银离子移动，产生须晶，在针脚间形成树枝状的桥接，导致贴片电阻针脚间绝缘降低或短路出现串码故障。
核电厂DCS 系统中使用了大量的逻辑优选卡，该板卡寻址回路中电阻模块银迁移现象存在较高安全隐患。在面对数量庞大、重要程度高的逻辑优选卡，提出一套具有执行性、有效性的缓解方案迫在眉睫，本文从软硬件设计上提出的抑制方法不仅能有效缓解银迁移现象，也可控制银迁移故障的后果，为核电厂的安全稳定生产提供了保障。
4.1 硬件层面
逻辑优选卡的电阻模块表面缺少防护，对贴片电阻模块涂覆三防漆，阻断银迁移的路径，抑制银迁移进程，可有效防护自然环境中的水分子、酸性离子对模块针脚及电极的污染，起到了很好的保护作用。三防漆涂覆后可能对于DCS板卡散热、性能有一定的影响，但采用平整、光亮、薄厚均匀、规则的涂覆方式，可以满足性能需求，也可对银迁移现象起到防护作用。
4.2 软件层面
当寻址回路发生确定性银离子迁移效应后，原设计软件采用新获取的地址进行数据通讯，导致串码事件发生，这一现象可通过FPGA模块升级优化，升级内容包含锁定回路和检测回路两部分，在现场上电投运阶段，地址无法突然变化，只允许板卡上电、下电的过程中获取地址信息。经过验证，该FPGA 模块升级后对板卡功能无影响，增加的响应时间小于0.1 s，可忽略不计（见图2）。
图2 FPGA 模块升级示意图Fig.2 The schematic of FPGA module upgrading
4.2.1 增加锁定回路
当首次上电后，逻辑优选卡读取机笼母板的地址信息，并记录、锁定在FPGA 模块中，锁定装置（120）一端与比较器（110）电性连接，另一端分别与针脚状态检测模块（100）外部的SLOTA 接口（200）和带银管脚模块（300）电性连接，用于锁定初始化状态下各带银管脚模块的状态，无法发生突变现象，防止下游控制设备出现拒动、误动的情况，可有效抑制银迁移导致设备故障的后果。
4.2.2 增加检测回路
当板卡在带电运行过程中，增加地址信息变化检测功能，该检测器（130）分别与带银管脚模块（300）、SLOTA 接口（200）和锁定装置（120）电性连接，用于检测带银管脚模块（300）的状态与锁定装置（120）所锁定的信息是否相同，当寻址回路中电阻模块出现银迁移现象导致与锁定的地址信息不一致时，随即发出异常报警信号，可及时发现银迁移导致设备故障的情况。
为了验证三防漆及升级后的板卡元器件寿命，选取3 块板卡（A/B 卡涂覆三防漆、C 卡未涂覆）进行了HAST 老化加速试验，通过将电子零件放置在高温、高湿、高压的环境中，采用阿伦尼乌斯方程模型（温度单元）和幂律模型（湿度和电压单元）计算加速年，模拟在正常环境下使用的老化情况，预期寿命方程如下：
式中：L——寿命，Y；
A——2.3×1011；
m——0.35；
n——6（恒定值）；
Ea——活化能，eV；
T——绝对温度，K；
RH——相对湿度，%；
V——电压，V；
k——玻耳兹曼常数，Ev/K。
与现场环境和试验环境下的使用寿命相比，加速率约为1.8，当使用更高的试验条件时，加速系数进一步加快至470 倍，因此，如果测试时间为200 h 时，计算的试验寿命为19.3 年（200 h×1.8×470）（见表2）。
表2 印刷线路板的HAST 试验加速系数[1]Table 2 The acceleration factors of the HAST test for the printed circuit boards
本次采用的试验条件为：
温度130 ℃，湿度85%RH，压力0.2 MPa，电压20 V，时间200 h，在试验过程中，板卡全程加电，每24 h 出箱一次，进行电阻模块针脚微观检查及针脚间电阻测量，并在试验后对外观及截面进行了SEM&EDS 分析。结果证明3块板卡电阻模块表面未发现明显的银迁移特征，A/B 卡三防漆涂层也未见起泡、脱落、开裂，起到了很好的保护作用，根据上述寿命方程，通过本试验相当于板卡元器件满足19.3 年的使用寿命。
本文针对核电厂安全级DCS 系统板卡数量多、银迁移故障频发的现状，结合银迁移机理，提出了一套能够广泛应用、有效控制银迁移进程及故障后果的缓解措施，并通过理论分析和试验验证，表明该方案具有如下特点：
（1）抑制效果明显有效，经过加电湿热老化试验及银迁移复现，涂覆三防漆的板卡未出现银迁移迹象，为核电厂的安全生产提供了保障；
（2）故障后果可控，银迁移现象存在不确定性和随机性，在核电厂高标准严要求的环境下，通过FPGA 软件升级锁定回路锁存地址码，检测回路提供报警功能，不仅能有效控制故障后果，还能及时发现银迁移导致的短路或绝缘不良现象；
（3）可操作性强，整个缓解措施不需要应用特种仪器，且对板卡无破坏性处理，对板卡的功能、响应均不会产生影响；
（4）具备普适性，各工业领域的DCS 系统、集成电路板卡及电子装置银迁移现象均可参考优化，必要时作适应性修改，具有较高的经济效益和社会价值。
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