動車組關(guān)鍵板卡失效分析與預(yù)防措施

梁爽，楊盼奎，武繼將，江斌，李慧

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111； 2.廣電計量檢測（青島）有限公司，山東 青島 266111）

板卡是動車組的關(guān)鍵部分，在動車組平穩(wěn)、安全、高速運行性能上，起到了不可替代的作用，涵蓋了系統(tǒng)控制、狀態(tài)監(jiān)控、操作運行、信號傳遞等功能。相應(yīng)地，板卡的可靠性也成為了動車組的重要關(guān)注問題。文中基于板卡線路運行特征與常見失效機理，設(shè)計了加速試驗，旨在暴露板卡應(yīng)用薄弱點，并進行失效分析。根據(jù)失效分析得到的結(jié)果，給出整改意見，以確保后續(xù)的高效運用。

失效分析的目的是通過對失效機理、原因的分析，獲得產(chǎn)品改進的建議，避免相似失效與故障的發(fā)生，提高此類產(chǎn)品的可靠性。失效分析是各行各業(yè)尤其是電路板設(shè)計制造過程中的一個重要組成部分。失效是指電路板由于使用或偶發(fā)故障，喪失或部分喪失了指定功能性能。失效模式是產(chǎn)品失效的宏觀表現(xiàn)[1]。對于電路板，失效模式有很多，如絕緣破壞、PCB板老化、短路、斷路等[2]。由于不同電路板邏輯功能、設(shè)計原理和電氣性能的差異，失效模式也有較大區(qū)別，需逐類分析[3]。失效模式的確認或是失效判定的過程是失效分析的重點與難點。

1 失效模式分析

板卡的主要失效模式主要有以下3種：潤濕不良、爆板分層、CAF失效[4]。板卡上的元器件的主要失效模式有：絕緣破壞、電極箔擊穿或電解液枯干導(dǎo)致的電容下降、電感線圈過熱引起的漆包膜脫離、三防漆脫落、涂層開裂等[5]。

由于這些失效均與溫度、濕度應(yīng)力相關(guān)，因此在一定條件內(nèi)對板卡施加綜合應(yīng)力，可以快速暴露板卡的薄弱環(huán)節(jié)。參考列車實際運行環(huán)境與板卡耐受能力上限，對板卡進行加速試驗，根據(jù)GB/T 2423.2—2008的6.5.2，將試驗溫度的高溫設(shè)置為70 ℃，根據(jù)GB/T 2423.3—2006第5章表1和GB/T 2423.50—1999第4章的表1，將試驗濕度設(shè)置為85%。試驗條件：高溫(70±2) ℃、高濕85%±3%環(huán)境下保持2000 h，每隔24 h取出檢查板卡的形貌與電性能等。

2 無損檢測分析與失效復(fù)現(xiàn)

2.1 外觀檢測

試驗中，對樣品表面清灰后，在標準光源下目視檢查，關(guān)注產(chǎn)品外觀破壞、變色，三防漆變色等異常。通電進行電性能測試，發(fā)現(xiàn)試驗192 h時，有板卡出現(xiàn)電性能故障，具體表現(xiàn)為指示燈不亮，通道無電壓。經(jīng)觀察，板卡外觀無異常，打開蓋板后，發(fā)現(xiàn)在靠近板卡輸出端處，有白色物質(zhì)覆蓋在各類元器件表面上，白色物質(zhì)的分布以某電感為中心向外擴展，覆蓋范圍大概占板卡的1/4面積，部分器件上的白色物質(zhì)還形成纖毛，附著在器件上。纖毛與白色物質(zhì)外觀形貌如圖1和圖2所示。

圖1 纖毛外觀形貌 Fig.1 Appearance morphology of cilia

圖2 白色物質(zhì)外觀形貌 Fig.2 Appearance morphology of white substance

2.2 元器件級別分析

上述白色物質(zhì)集中于電感附近，對該電感進行故障分析發(fā)現(xiàn)，電感明顯變黑，表面有明顯熔融的痕跡。使用萬用表對電感表面進行電阻值測試，可測得兆歐至幾十兆歐級的電阻值，但是在未失效板卡上的同位置電感無法測得電阻值。對板卡上的失效電感進行開封，將其漆包線取下后，發(fā)現(xiàn)線圈的漆包線基本已燒黑，部分漆包膜已變形脫離掉落，磁芯表面涂層形成了漆包線的壓痕，其中部分涂層已開裂并脫落，磁芯內(nèi)部的金屬已裸露在表面。失效電感開封的典型形貌如圖3和圖4所示。

圖3 電感磁芯區(qū)域 Fig.3 Amplification morphology of inductance core area

圖4 電感漆包線區(qū)域 Fig.4 Amplification morphology of enameled wire area of inductance

開封檢查發(fā)現(xiàn)，線圈的漆包線已發(fā)黑，部分漆包膜已變形脫離掉落。顯然，線圈漆包線的漆包膜變形、脫離是電感線圈過熱所導(dǎo)致的。開封檢查未發(fā)現(xiàn)漆包線有明顯的熔融形貌，亦未發(fā)現(xiàn)漆包線之間有明顯的粘連，可基本排除電感線圈漆包線本身存在缺陷或存在損傷引起電感線圈過熱的可能。開封檢查還發(fā)現(xiàn)磁芯表面涂層有開裂，且部分涂層已掉落，磁芯內(nèi)部的金屬已裸露在表面，推斷失效時電感的溫度極高，過高的溫度使其磁芯表面涂層開裂。在過熱的情況下，漆包膜快速退化或變性，絕緣性能、隔離能力嚴重降低，最終使漆包線之間發(fā)生短路，導(dǎo)致其電感值下降，發(fā)生燒毀而失效。

2.3 SEM&EDS分析

SEM和EDS聯(lián)用可分析電路板生產(chǎn)及使用過程中產(chǎn)生的失效問題，并找出失效原因[6]。其中SEM主要觀察各種鍍層中的微小品質(zhì)缺陷，而EDS則是分析鍍層的元素比例及判定異物的來源，找出失效的根源，避免問題的再次發(fā)生[7～10]。針對電感部分未知白色纖毛進行SEM&EDS分析，試驗結(jié)果如圖5—8所示。

圖5 纖毛局部區(qū)域的SEM形貌 Fig.5 Morphology of local cilia under SEM

圖6 纖毛方框區(qū)域EDS譜圖 Fig.6 EDS spectrum of ciliated frame region

圖7 白色物質(zhì)局部區(qū)域的SEM形貌 Fig.7 Morphology of local area of white substance under SEM

圖8 白色物質(zhì)方框區(qū)域EDS譜圖 Fig.8 EDS spectrum of white substance box region

由SEM形貌可以看出，纖毛的形貌與典型的電遷移形貌不接近。EDS分析結(jié)果顯示，纖毛主要含C、O、Si，不含金屬成分，為非金屬不導(dǎo)電物質(zhì)。在SEM下使用二次電子項觀察纖毛，纖毛會荷電。白色物質(zhì)主要含C、O、Si、N，不含金屬成分，其中EDS顯示的Fe峰應(yīng)為刀片的殘留物，應(yīng)為非金屬不導(dǎo)電物 質(zhì)。在SEM下使用二次電子項觀察，該物質(zhì)會荷電。綜上所述，纖毛與白色物質(zhì)與電遷移無關(guān)，纖毛與白色物質(zhì)應(yīng)是異物掉落，而不是在器件表面所生長出來的。

2.4 電性能分析與失效復(fù)現(xiàn)

綜合外觀檢查以及空載、10%負載情況下失效件A與未失效件B的關(guān)鍵器件波形檢查結(jié)果，空載情況下兩者波形一致，而10%負載情況下波形存在差異，可能是由于板卡A在10%負載的條件下運行一段時間后觸發(fā)了保護電路。針對外觀檢查發(fā)現(xiàn)的變黑電感進行分析。對板卡A、B的電感空載下的對地波形進行對比，如圖9所示。發(fā)現(xiàn)板卡的波形存在較大異常，再對電感所在電路的前級輸出（即對應(yīng)變壓器的波形）進行比較，無明顯異常，推測較大可能是由于電感失效導(dǎo)致板卡A出現(xiàn)的失效。

圖9 電感空載下的對地波形 Fig.9 Waveform of inductor against ground under no load: a) board A; b) board B

將板卡A的電感用未失效的電感替換，對A的電感進行電參數(shù)測試。測試結(jié)果表明，板卡A的電感值明顯降低，電感已失效。對更換未失效電感后的板卡A與板卡B進行波形對比（10%負載下電感對地波形），如圖10所示。更換電感后，板卡A電感對地波形與板卡B的波形類似。可認為板卡A在更換電感后，功能已恢復(fù)正常，板卡A的失效是電感失效導(dǎo)致的。

圖10 電感負載10%時對地波形 Fig.10 Waveforms to the ground when the inductance is loaded with 10%: a) board A after replacing the inductance; b) board B

以某電感為中心并向外擴展的纖毛與白色物質(zhì)，由于其SEM和EDS分析結(jié)果顯示，纖毛主要含C、O、Si，白色物質(zhì)主要含C、O、Si、N，不含金屬成分，與電遷移無關(guān)，排除CAF失效，應(yīng)是由于密封不良導(dǎo)致異物掉落且與空氣中雜質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生，不是在器件表面所生長出來的。電性能分析中，電感前級電 路中其波形無異常，且更換失效板卡電感后，板卡電性能恢復(fù)正常，可以推斷電感失效導(dǎo)致此板卡失效。

3 微觀檢測與失效分析

3.1 X射線檢查

對板卡關(guān)鍵元器件連接處、焊點等進行X射線檢查，關(guān)注內(nèi)部裂紋、熔融等異常。焊點X射線檢查如圖11所示，掃描結(jié)果顯示有空洞，如箭頭指向的亮點。焊點的空洞是正?，F(xiàn)象，對比試驗前后焊點X射線圖片，如發(fā)生空洞變大或空洞連線，產(chǎn)生裂紋，則需重點關(guān)注[11～12]。

圖11 焊點X射線掃描照片 Fig.11 X-ray scanning images of solder joints before a) and after b) the test

3.2 焊點金相切片

樣品大電流區(qū)域的焊點和質(zhì)量較重元器件焊點X射線掃描結(jié)果中的空洞位置均是金相檢查需要重點關(guān)注的區(qū)域。將X射線檢查的空洞區(qū)域制作焊點切片，在金相顯微鏡50×視野下進行觀察，典型形貌如圖12所示。其空洞較小，沒有明顯延伸裂紋，因此不會對器件工作產(chǎn)生影響。

圖12 焊點空洞位置形貌 Fig.12 Hole position morphology of solder joint

3.3 傅里葉紅外光譜分析

選取樣品PCB板基材與三防漆進行傅里葉光譜檢測。PCB板主要是由環(huán)氧類樹脂、玻纖及覆銅板粘結(jié)壓制而成，屬于混合物質(zhì)。三防漆是一種特殊的配方涂料，通常是由聚氨酯、聚合類樹脂、有機硅等混合組成的結(jié)構(gòu)膠。傅里葉紅外光譜分析能直接反應(yīng)基 材組成性質(zhì)的改變[13～20]。

試驗前的正常樣品、恒溫恒濕試驗中失效的樣品、恒溫恒濕試驗后的正常樣品的紅外譜圖見圖13?？梢姾銣睾銤裨囼灪髽悠返淖V圖相比試驗前的樣品無明顯差異，各處吸收峰的位置無明顯變化，這說明PCB板基材在恒溫恒濕試驗中無明顯老化。

圖13 紅外譜圖 Fig.13 Infrared spectrum: a) normal sample not tested; b) samples that failed during the test; c) normal sample after test

關(guān)鍵元器件與較重元器件焊接部位的焊點在X射線檢查中有空洞，有空洞部分進行切片放大觀察，發(fā)現(xiàn)連續(xù)的延伸裂紋，未見裂紋形成趨勢，因此恒溫恒濕試驗未對板卡焊點造成老化失效。對PCB板基材與三防漆進行傅里葉光譜檢測，試驗前后對比，未見元素變化差異，因此在恒溫恒濕試驗未對PCB板基材與三防漆造成老化失效等異常。

4 預(yù)防措施

由測試結(jié)果可知，板卡的主要失效原因是外界高溫高濕的工作環(huán)境，而其失效特征是電信號故障。這類板卡具有以下特征：車外布置，實際運行中受環(huán)境影響較大；所屬車輛長期在南方潮濕城市運行；板卡外部機箱無特殊密封，間接與環(huán)境接觸；電感、MOS管、電解電容的板卡較多。因此在日常的使用過程中，做好散熱與密封工作，可以延長板卡的使用時間。定期對板卡進行拆件目檢，可以有效篩查出失效初期的板卡，及時更換可以有效降低其失效概率。

根據(jù)試驗中規(guī)律總結(jié)，其他板卡可參考進行以下加速應(yīng)力試驗。

1）溫度應(yīng)力適用于以下板卡：車內(nèi)布置，駐車承受高溫環(huán)境；所屬車輛長期在南方城市運行；板卡安裝在散熱部件產(chǎn)品旁，或板卡空間有集中熱場；自身發(fā)熱板卡或密封模塊較多板卡。

2）高低溫應(yīng)力適用于以下板卡：高寒車型安裝，或北方城市運行；所屬車輛運營線路跨度較大；含較大體積芯片，或芯片焊點較多。

3）振動等機械應(yīng)力適用于以下板卡：貼片元器件、焊點連接較多板卡；安裝部位機械工況較惡劣；安裝有質(zhì)量較重器件的板卡。

5 結(jié)論

文中基于板卡線路運行特征與常見失效機理，設(shè)計了加速試驗，并進行了失效分析，得出了以下結(jié)論：

高溫高濕環(huán)境是造成電路板性能退化的主要原因；表面纖毛和白色物質(zhì)失效，是外界高溫高濕環(huán)境下，空氣中的游離態(tài)雜質(zhì)吸附產(chǎn)生的；電感失效，是在過熱的情況下，漆包膜快速退化或變性，絕緣性能、隔離能力嚴重降低，最終使漆包線之間發(fā)生短路，導(dǎo)致其電感值下降，發(fā)生燒毀而失效；焊點空洞金相分析未發(fā)現(xiàn)裂紋，此項不影響產(chǎn)品使用。最后總結(jié)出了易受高溫高濕環(huán)境影響板卡的特征。

本文驗證了板卡失效分析方法的可行性，也揭示了高溫高濕條件下樣品的性能退化特征，為研究動車組板卡失效分析提供了可行的方法。