提高核电厂电仪系统电路板可靠性的方法

陶 革，王云刚

（1.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300；2.安徽皖能环保发电有限公司，合肥 230000）

0 引言

电路板是核电厂电仪系统的重要组成部分，也是安全保护系统和控制调节系统的核心设备。电路板失效往往会导致核电厂的控制和调节系统失效，使电厂发生非预期瞬态，甚至出现非计划停机、停堆事件，对电站安全、可用性和业绩造成直接的不良影响。电路板可靠性的高低与电路板的设计、材料和元器件选取、电路板加工、出厂检验、运输、存储、使用、维护等诸多环节和因素有关。当电路板进入电厂之后，电路板的可靠性和使用寿命则主要受到电路板的存储、使用、维护等环节的影响。

导致核电厂电仪系统电路板失效的原因可能是多方面的，如操作不当、物理损伤、电应力损伤、老化、静电损伤等，要想提高电仪系统电路板的可靠性，就必须有针对性地最大限度地减少引发电路板失效的促因或降低其不利影响。本文从核电厂电仪系统电路板的接收检查、存储、操作、服役、维护等多方面论述了提高电路板可靠性的具体方法，讨论的方法可对核电厂电仪系统电路板的维护和管理人员提供借鉴、参考和指导作用。

1 电路板失效原因与可靠性

1.1 电路板失效原因

导致电路板失效的原因很多，涉及电路板的设计、制造、运输、存储、使用、服役环境等许多环节，常见的电路板失效原因包括：

1）制造质量

由于设计缺陷、不当的制造工艺、选取了不合适的材料和元器件等都会导致电路板存在“天生”的质量缺陷。

2）机械应力

机械应力通常来自于对电路板进行的操作或来自于电路板使用过程中所遭受的外力，如弯曲、震动等。机械应力会导致电路板发生物理损伤，使电路板出现开裂和变形。

3）环境应力

电路板在使用过程中会不可避免地受到各种不同环境应力的影响，如温度、湿度、腐蚀、电应力等。环境应力会导致电路板及电路板上的元器件发生老化降质，使电路板性能发生劣化直至完全失效。高温是影响电路板寿命和可靠性的最主要环境应力。

4）人因

人因是导致电路板失效的另一个主要因素。人因可能会导致各种其他应力的产生，例如对电路板进行的不正确操作会导致电路板变形或引发静电放电，进行电路板测试时不正确的接线会导致电路板受到异常电应力的影响等。

1.2 电路板的可靠性

电路板的可靠性是指其在一定的使用环境和工作条件下，能长期使用而不出现故障或不发生失效的能力，要提高电路板的可靠性，就必须消除或减少电路板在设计、制造、测试、运输、仓储、使用等整个生命周期内的失效原因。设计、制造阶段发生的电路板失效，主要与制造商及其制造工艺、材料选取等有关；在存贮、使用阶段发生的电路板失效，则多与电路板的最终用户有关。由于篇幅原因，本文主要从电路板最终用户的角度来讨论在电路板到达电厂后的寿命周期内，如何提高电路板的可靠性和可用性。

由于电路板的失效可能会对电厂的安全性和经济性产生直接的负面影响，因而对电路板可靠性的管理也越来越受到各电厂的重视。绝大多数电厂都为降低电路板的故障率投入了大量的人力和物力，制定了多种提高电路板可靠性的具体措施并付之于实践（例如，优化和加强了电路板的入库检查和测试，增加了对电路板上短寿命元器件的监测要求，对与安全和经济性相关的电路板制定了更为严格更换周期，以及对电路板进行现代化升级等），但是总体上看效果很有限。这是因为自电路板到达电厂后开始的寿命周期内，电厂没能全方位、多维度地减少引发电路板失效的促因或降低其不利影响，使得对电路板所采取的单项优化和改进措施的效果有限。例如，虽然通过优化和加强新购电路板的入库检查和测试提升了入库电路板的质量和成品率，通过采用更严格的更换周期降低了环境应力对电路板失效的影响，但由于电厂维护人员在对电路板进行操作和检查过程中，没能很好地理解和执行防静电措施，导致电路板因频繁受到静电放电影响，反而出现了故障率升高的现象。

可见，对运行核电厂来说，单项优化和改进措施对提高电路板整体可靠性的效果有限，要提高核电厂电路板的可靠性必须对到达电厂后的电路板进行全方位多维度的有效管理。下文将从几个有代表性的方面来讨论提升电路板可靠性和服役寿命的方法。

2 电路板的接收检查和存储

2.1 电路板的接收检查

新购电路板到货后，应进行入库前检查和验收，必要时还可对电路板进行功能性验证。检查过程中发现的问题应予以标识、记录，并根据电厂的不符合项管理要求进行处置。在完成接收检查和验收测试后，应使用原运输包装袋或符合抗静电要求的新包装袋对电子电路板进行重新包装，防止在后续的厂内运输及存储期间因静电放电而对电路板造成损伤。

电路板入库前的接收检查内容应包括[1]：

1）电路板的外包装情况（整体外包装是否完整，是否有破损、浸水痕迹等情况）。

2）电路板是否采用了防静电包装。

3）电路板的型号、规格数量。

4）电路板拆装专用工具（如有）。

5）电路板的功能性检查记录（如有）。

6）电路板的出厂合格证明文件。

7）电路板卡的目视检查。

拷机有利于防止电路板早期失效的发生。为提高所采购的安全重要电路板的良品率，应在电路板采购技术规范书中明确对电路板的拷机要求，并由制造商在电路板出厂前完成电路板的拷机测试。拷机记录应纳入验收文件提供给电厂，并作为电路板入库检查的内容之一。

2.2 电路板的存储

电路板存储条件的好坏也会直接影响电路板的性能和使用寿命。电路板应存放在满足供应商规定存储条件的库房中，电路板存储过程中应避免以下不利因素的影响：①高温；②温度变化过大；③静电放电；④高湿度；⑤阳光直接照射；⑥灰尘或其他污染源；⑦机械冲击；⑧振动。

存储于库房中的电路板应按要求定期进行专项维护保养（如进行通电、功能性检查等），电路板的储存期限应根据生产商推荐值确定。

3 电路板的操作

电路板的操作方式对电路板的可靠性和预期寿命会产生很大的影响，不当操作是造成电路板寿命减少或整体可靠性降低的主要原因之一。这种人为因素对电路板产生的不利影响很容易被忽视，往往会导致在采取多种改进措施后电路板的可靠性仍无法显著提高的现象。电厂应对实施电路板操作的人员进行相关的技能培训，且仅在必要时才对电路板进行操作，尽量降低人为因素导致的物理损伤、静电损伤、电应力损伤、电路板表面污染等情况。

3.1 物理损伤

物理损伤会导致电路板发生过早失效，减少电路板的实际服役寿命，物理损伤严重时会导致电路板发生立即失效。降低电路板物理损伤的方法和建议包括：

1）只在有必要时才对电路板进行操作，且应尽量减少操作的次数。

2）进行电路板操作时，避免碰触电路板上的电路或元件，防止静电放电、电应力、化学污染造成的损伤以及物理损伤。

3）进行电路板的安装、更换、检查时，应避免因粗暴操作或保护不当而造成印刷电路板的物理损伤。

4）安装电路板时不可强行插入机架，尽可能使用专用工器具进行电路板的插拔。

5）可擦除、可编程只读存储器和其他多引脚元器件的操作（抽出和插入），应使用专用工具。

6）电路板的存放不应采用堆叠方式，除非已将电路板装入专用运输包装袋或已放入适于堆放存储的防护容器中。

3.2 静电损伤

静电放电是不当操作对电路板造成的损伤中影响最大的因素。电路板上的很多电子器件都对静电放电极为敏感，会因静电放电而受损[2]。通常只需一次静电放电就可能对电路板造成不可逆的损伤，即使损伤程度尚不足以造成电路板的立即失效，但也会削弱电路板的绝缘性能并显著降低电路板的可靠性和寿命，最终导致电路板发生早期失效。更为糟糕的是，不当操作导致的静电损伤通常都是在操作者未意识到的情况下发生的，这使得静电放电对电路板的损伤可能会重复性地多次发生。

为防止和降低静电放电对电路板带来的不利影响，在对电路板实施拆装、检测、测试等工作时，必须做好防静电措施；操作人员在进行电路板操作前，应通过触碰静电桩或类似功能的接地金属物释放人体可能携带的静电，避免静电放电对电路板敏感元件的损伤；电路板的维修、检查、测试均应在有防静电措施的专用工作区进行，检修、检测电路板的工作台必须妥善接地。另外，存贮和运输电路板时（如从仪表柜移送到测试间，从库房移送到机柜），应将电路板装入专用的防静电包装袋内。

3.3 电应力损伤

进行电路板检测时，应防止因检测设备连接不当或操作失误而导致的电应力损伤。

1）电路板安装到机柜前，应首先验证系统接线的正确性。

2）通电前必须确认电压等级和极性的正确性。

3）除非电路板本身支持热插拔，否则当电路板处于通电状态时不应进行任何接线或者热插拔。

3.4 污染

在电路板的操作过程中，还应防止电路板因受到污染而发生腐蚀。防止电路板受到污染的措施包括：

1）不用裸手接触电路板有焊点的一侧。

2）不用裸手接触电路板裸露的接插件。

3）不让带有油脂或汗液的手直接接触电路板或电子器件。

4）使用无残留的电路板清洗剂进行电路板的清洁。

4 电路板的服役环境

恶劣的服役环境（如高温、高湿度、严重空气污染等）将增加环境应力对电路板的不利影响，使电路板的老化速度加快，故障率升高。电路板的服役环境参数中，温度对电路板的影响最大，其影响幅度可依据著名的10℃定律进行粗略估算，即温度每升高10℃会使电路板的寿命缩短50%。高湿度可能会通过凝结和加速腐蚀而导致电路板失效；高粉尘的空气环境则容易造成电子器件表面发生灰尘积聚，影响元器件的散热，甚至导致电路板出现腐蚀和漏电现象。

当电路板的服役环境优于制造商推荐的服役环境时，电路板的实际服役时间可长于制造商推荐的使用寿命，反之则需要缩短电路板的实际服役时间。电厂应对安全重要电路板的安装位置和使用环境进行监测和控制，确保电路板的服役环境满足技术规范的要求。若电路板的实际服役环境状况超出了电路板技术规范的要求，则必须及时采取相应的措施予以纠正，必要时评估其对电路板服役寿命的影响，并根据评估结果调整电路板的更换周期。

5 电路板的维护

对安全相关或运行重要的电路板均应采取有效的维护措施，以提高电路板的可靠性和可用性。电路板的维护包括对电路板进行定期检查、维修以及翻新等[3]，常见的维护活动列举如下：

1）对电路板进行目视检查（可抽样）。

2）对电路板进行清洁。

3）对电路板进行标定。

4）对电路板进行诊断测试。

5）通道试验。

6）对电路板上的易老化、短寿命元件（如电解电容）进行监测及定期更换[4,5]。

7）对电路板进行定期更换。

8）对于内部安装有电路板的且带有通风过滤装置的机柜，应定期清洗或更换滤网，并检查机柜内通风用电机的运转情况。

电路板上往往安装有多种电子器件，不同的电子器件对老化的敏感程度是不一样的。对于电路板上已识别出的老化敏感性较高的电子器件（如电解电容，电位计、开关等），可有针对性地制定有效的预防性更换策略，选取适当时机完成电路板上老化敏感电子器件的更换，进一步降低电路板的故障率。

在保证电厂安全、经济、稳定运行的同时，为尽可能降低电路板的维护成本，电厂可根据电路板的重要性对电路板实施分级管理，重点关注那些对安全或运行重要的电路板[6]。

6 在役电路板的目视检查

目视检查是识别电路板故障前兆的最佳诊断技术之一，也是对电路板应用其他检查技术前应首先采用的检查方法。有经验的检查人员往往能通过对电路板的目视检查及早发现电路板及其元器件的老化症状和异常现象，为制定后续的检查方案和纠正措施提供了保证。

虽然目视检查简单易行，不需要昂贵的设备，但为保证检查效果以及确保检查人员能够正确识别电路板上的异常现象和故障前兆，仍需要对所有实施目视检查的人员进行培训和授权。例如，合格的焊点应当是表面光滑、有光泽的，但当使用高放大倍数的放大镜进行观察时，焊点表面往往会呈现颗粒状，未经培训和缺乏经验的检查人员往往会将其判断为不合格，导致检查结果中出现了许多本无需关注的“缺陷”。

电路板的目视检查，主要包括对电路板的整体外观、焊点状态、元器件状态、接插件状态等进行检查。为获得最佳目视检查结果，实施目视检查时常常会使用放大镜、定向光源、紫外光源等辅助工具。在对电路板进行目视检查时，应重点检查电路板及电路板上的元器件是否存在以下现象：

1）电路板是否有因局部过热引起颜色改变。

2）电路板上的元器件是否有烧焦或变色迹象。

3）是否有潮湿、化学污染、烟尘等引起的腐蚀痕迹。

4）包含有电池的电路板（如带闪存的电路板），电池周边的电路是否存在电解质泄漏的迹象。

5）电解电容是否有开裂和电解质泄漏现象。

6）电路板上的连接线是否有脆化和开裂现象。

7）接插件的插针、插脚是否存在污染、腐蚀、镀层脱落、点蚀和磨损现象。

8）焊点是否有开裂、腐蚀和虚焊现象。

9）元器件的引线和焊点是否有晶须出现。

10）可擦除、可编程只读存储器窗口是否进行了适当遮盖。

11）灰尘积聚情况（特别应关注两个器件引脚之间的灰尘积聚情况，如果灰尘导电，则可能会导致引脚间发生短路）。

12）保形涂层的完整性。

13）电路板是否有变形和分层现象。

目视检查具有简单、易行的特点，但由于无法给出定量的检查结果，通常只能以此作为电路板老化监测的辅助手段，或作为电路板状态检查的“初筛”工具。对于集成度很高的多层电路板，目视检查的效果有限。

7 根本原因分析

对于异常失效的电路板应进行失效原因分析，找出其失效的根本原因，避免类似的失效问题重复出现；同时应对电厂使用的同型号的其他电路板（包括库存备件）进行检查和评估，确保同样的问题不会在这些电路板上再次发生。如果同型号、同批次的电路板都存在同样的失效原因，则必须采取相应的纠正措施，包括更换所有该型号的同批次的电路板。

若电路板失效的根本原因来自电路板的设计缺陷和制造工艺缺陷，则应当将相关信息反馈给电路板制造商，以优化设计和生产工艺。

8 结束语

由于电路板的可靠性受到多种因素的影响，仅通过单方面采取改进措施来提高电路板的可靠是不科学的，也往往达不到预期效果。本文从电路板最终用户的角度提出的全方位多维度减少电路板失效促因的方法，能有效降低核电厂电仪系统电路板的故障率并延长电路板的服役寿命，降低电路板故障给核电厂带来的各种损失以及被迫进入强制性停堆大修的可能性。该方法不仅适用于核电厂电仪系统电路板的可靠性提高，也可供其他使用电路板的单位采用，以提高所用电路板的可靠性。