提高核電廠電儀系統(tǒng)電路板可靠性的方法

陶 革，王云剛

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.安徽皖能環(huán)保發(fā)電有限公司，合肥 230000）

0 引言

電路板是核電廠電儀系統(tǒng)的重要組成部分，也是安全保護(hù)系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心設(shè)備。電路板失效往往會(huì)導(dǎo)致核電廠的控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)失效，使電廠發(fā)生非預(yù)期瞬態(tài)，甚至出現(xiàn)非計(jì)劃停機(jī)、停堆事件，對(duì)電站安全、可用性和業(yè)績(jī)?cè)斐芍苯拥牟涣加绊?。電路板可靠性的高低與電路板的設(shè)計(jì)、材料和元器件選取、電路板加工、出廠檢驗(yàn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、使用、維護(hù)等諸多環(huán)節(jié)和因素有關(guān)。當(dāng)電路板進(jìn)入電廠之后，電路板的可靠性和使用壽命則主要受到電路板的存儲(chǔ)、使用、維護(hù)等環(huán)節(jié)的影響。

導(dǎo)致核電廠電儀系統(tǒng)電路板失效的原因可能是多方面的，如操作不當(dāng)、物理?yè)p傷、電應(yīng)力損傷、老化、靜電損傷等，要想提高電儀系統(tǒng)電路板的可靠性，就必須有針對(duì)性地最大限度地減少引發(fā)電路板失效的促因或降低其不利影響。本文從核電廠電儀系統(tǒng)電路板的接收檢查、存儲(chǔ)、操作、服役、維護(hù)等多方面論述了提高電路板可靠性的具體方法，討論的方法可對(duì)核電廠電儀系統(tǒng)電路板的維護(hù)和管理人員提供借鑒、參考和指導(dǎo)作用。

1 電路板失效原因與可靠性

1.1 電路板失效原因

導(dǎo)致電路板失效的原因很多，涉及電路板的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、使用、服役環(huán)境等許多環(huán)節(jié)，常見的電路板失效原因包括：

1）制造質(zhì)量

由于設(shè)計(jì)缺陷、不當(dāng)?shù)闹圃旃に?、選取了不合適的材料和元器件等都會(huì)導(dǎo)致電路板存在“天生”的質(zhì)量缺陷。

2）機(jī)械應(yīng)力

機(jī)械應(yīng)力通常來(lái)自于對(duì)電路板進(jìn)行的操作或來(lái)自于電路板使用過(guò)程中所遭受的外力，如彎曲、震動(dòng)等。機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致電路板發(fā)生物理?yè)p傷，使電路板出現(xiàn)開裂和變形。

3）環(huán)境應(yīng)力

電路板在使用過(guò)程中會(huì)不可避免地受到各種不同環(huán)境應(yīng)力的影響，如溫度、濕度、腐蝕、電應(yīng)力等。環(huán)境應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致電路板及電路板上的元器件發(fā)生老化降質(zhì)，使電路板性能發(fā)生劣化直至完全失效。高溫是影響電路板壽命和可靠性的最主要環(huán)境應(yīng)力。

4）人因

人因是導(dǎo)致電路板失效的另一個(gè)主要因素。人因可能會(huì)導(dǎo)致各種其他應(yīng)力的產(chǎn)生，例如對(duì)電路板進(jìn)行的不正確操作會(huì)導(dǎo)致電路板變形或引發(fā)靜電放電，進(jìn)行電路板測(cè)試時(shí)不正確的接線會(huì)導(dǎo)致電路板受到異常電應(yīng)力的影響等。

1.2 電路板的可靠性

電路板的可靠性是指其在一定的使用環(huán)境和工作條件下，能長(zhǎng)期使用而不出現(xiàn)故障或不發(fā)生失效的能力，要提高電路板的可靠性，就必須消除或減少電路板在設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、使用等整個(gè)生命周期內(nèi)的失效原因。設(shè)計(jì)、制造階段發(fā)生的電路板失效，主要與制造商及其制造工藝、材料選取等有關(guān)；在存貯、使用階段發(fā)生的電路板失效，則多與電路板的最終用戶有關(guān)。由于篇幅原因，本文主要從電路板最終用戶的角度來(lái)討論在電路板到達(dá)電廠后的壽命周期內(nèi)，如何提高電路板的可靠性和可用性。

由于電路板的失效可能會(huì)對(duì)電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生直接的負(fù)面影響，因而對(duì)電路板可靠性的管理也越來(lái)越受到各電廠的重視。絕大多數(shù)電廠都為降低電路板的故障率投入了大量的人力和物力，制定了多種提高電路板可靠性的具體措施并付之于實(shí)踐（例如，優(yōu)化和加強(qiáng)了電路板的入庫(kù)檢查和測(cè)試，增加了對(duì)電路板上短壽命元器件的監(jiān)測(cè)要求，對(duì)與安全和經(jīng)濟(jì)性相關(guān)的電路板制定了更為嚴(yán)格更換周期，以及對(duì)電路板進(jìn)行現(xiàn)代化升級(jí)等），但是總體上看效果很有限。這是因?yàn)樽噪娐钒宓竭_(dá)電廠后開始的壽命周期內(nèi)，電廠沒能全方位、多維度地減少引發(fā)電路板失效的促因或降低其不利影響，使得對(duì)電路板所采取的單項(xiàng)優(yōu)化和改進(jìn)措施的效果有限。例如，雖然通過(guò)優(yōu)化和加強(qiáng)新購(gòu)電路板的入庫(kù)檢查和測(cè)試提升了入庫(kù)電路板的質(zhì)量和成品率，通過(guò)采用更嚴(yán)格的更換周期降低了環(huán)境應(yīng)力對(duì)電路板失效的影響，但由于電廠維護(hù)人員在對(duì)電路板進(jìn)行操作和檢查過(guò)程中，沒能很好地理解和執(zhí)行防靜電措施，導(dǎo)致電路板因頻繁受到靜電放電影響，反而出現(xiàn)了故障率升高的現(xiàn)象。

可見，對(duì)運(yùn)行核電廠來(lái)說(shuō)，單項(xiàng)優(yōu)化和改進(jìn)措施對(duì)提高電路板整體可靠性的效果有限，要提高核電廠電路板的可靠性必須對(duì)到達(dá)電廠后的電路板進(jìn)行全方位多維度的有效管理。下文將從幾個(gè)有代表性的方面來(lái)討論提升電路板可靠性和服役壽命的方法。

2 電路板的接收檢查和存儲(chǔ)

2.1 電路板的接收檢查

新購(gòu)電路板到貨后，應(yīng)進(jìn)行入庫(kù)前檢查和驗(yàn)收，必要時(shí)還可對(duì)電路板進(jìn)行功能性驗(yàn)證。檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問題應(yīng)予以標(biāo)識(shí)、記錄，并根據(jù)電廠的不符合項(xiàng)管理要求進(jìn)行處置。在完成接收檢查和驗(yàn)收測(cè)試后，應(yīng)使用原運(yùn)輸包裝袋或符合抗靜電要求的新包裝袋對(duì)電子電路板進(jìn)行重新包裝，防止在后續(xù)的廠內(nèi)運(yùn)輸及存儲(chǔ)期間因靜電放電而對(duì)電路板造成損傷。

電路板入庫(kù)前的接收檢查內(nèi)容應(yīng)包括[1]：

1）電路板的外包裝情況（整體外包裝是否完整，是否有破損、浸水痕跡等情況）。

2）電路板是否采用了防靜電包裝。

3）電路板的型號(hào)、規(guī)格數(shù)量。

4）電路板拆裝專用工具（如有）。

5）電路板的功能性檢查記錄（如有）。

6）電路板的出廠合格證明文件。

7）電路板卡的目視檢查。

拷機(jī)有利于防止電路板早期失效的發(fā)生。為提高所采購(gòu)的安全重要電路板的良品率，應(yīng)在電路板采購(gòu)技術(shù)規(guī)范書中明確對(duì)電路板的拷機(jī)要求，并由制造商在電路板出廠前完成電路板的拷機(jī)測(cè)試?？綑C(jī)記錄應(yīng)納入驗(yàn)收文件提供給電廠，并作為電路板入庫(kù)檢查的內(nèi)容之一。

2.2 電路板的存儲(chǔ)

電路板存儲(chǔ)條件的好壞也會(huì)直接影響電路板的性能和使用壽命。電路板應(yīng)存放在滿足供應(yīng)商規(guī)定存儲(chǔ)條件的庫(kù)房中，電路板存儲(chǔ)過(guò)程中應(yīng)避免以下不利因素的影響：①高溫；②溫度變化過(guò)大；③靜電放電；④高濕度；⑤陽(yáng)光直接照射；⑥灰塵或其他污染源；⑦機(jī)械沖擊；⑧振動(dòng)。

存儲(chǔ)于庫(kù)房中的電路板應(yīng)按要求定期進(jìn)行專項(xiàng)維護(hù)保養(yǎng)（如進(jìn)行通電、功能性檢查等），電路板的儲(chǔ)存期限應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)商推薦值確定。

3 電路板的操作

電路板的操作方式對(duì)電路板的可靠性和預(yù)期壽命會(huì)產(chǎn)生很大的影響，不當(dāng)操作是造成電路板壽命減少或整體可靠性降低的主要原因之一。這種人為因素對(duì)電路板產(chǎn)生的不利影響很容易被忽視，往往會(huì)導(dǎo)致在采取多種改進(jìn)措施后電路板的可靠性仍無(wú)法顯著提高的現(xiàn)象。電廠應(yīng)對(duì)實(shí)施電路板操作的人員進(jìn)行相關(guān)的技能培訓(xùn)，且僅在必要時(shí)才對(duì)電路板進(jìn)行操作，盡量降低人為因素導(dǎo)致的物理?yè)p傷、靜電損傷、電應(yīng)力損傷、電路板表面污染等情況。

3.1 物理?yè)p傷

物理?yè)p傷會(huì)導(dǎo)致電路板發(fā)生過(guò)早失效，減少電路板的實(shí)際服役壽命，物理?yè)p傷嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電路板發(fā)生立即失效。降低電路板物理?yè)p傷的方法和建議包括：

1）只在有必要時(shí)才對(duì)電路板進(jìn)行操作，且應(yīng)盡量減少操作的次數(shù)。

2）進(jìn)行電路板操作時(shí)，避免碰觸電路板上的電路或元件，防止靜電放電、電應(yīng)力、化學(xué)污染造成的損傷以及物理?yè)p傷。

3）進(jìn)行電路板的安裝、更換、檢查時(shí)，應(yīng)避免因粗暴操作或保護(hù)不當(dāng)而造成印刷電路板的物理?yè)p傷。

4）安裝電路板時(shí)不可強(qiáng)行插入機(jī)架，盡可能使用專用工器具進(jìn)行電路板的插拔。

5）可擦除、可編程只讀存儲(chǔ)器和其他多引腳元器件的操作（抽出和插入），應(yīng)使用專用工具。

6）電路板的存放不應(yīng)采用堆疊方式，除非已將電路板裝入專用運(yùn)輸包裝袋或已放入適于堆放存儲(chǔ)的防護(hù)容器中。

3.2 靜電損傷

靜電放電是不當(dāng)操作對(duì)電路板造成的損傷中影響最大的因素。電路板上的很多電子器件都對(duì)靜電放電極為敏感，會(huì)因靜電放電而受損[2]。通常只需一次靜電放電就可能對(duì)電路板造成不可逆的損傷，即使損傷程度尚不足以造成電路板的立即失效，但也會(huì)削弱電路板的絕緣性能并顯著降低電路板的可靠性和壽命，最終導(dǎo)致電路板發(fā)生早期失效。更為糟糕的是，不當(dāng)操作導(dǎo)致的靜電損傷通常都是在操作者未意識(shí)到的情況下發(fā)生的，這使得靜電放電對(duì)電路板的損傷可能會(huì)重復(fù)性地多次發(fā)生。

為防止和降低靜電放電對(duì)電路板帶來(lái)的不利影響，在對(duì)電路板實(shí)施拆裝、檢測(cè)、測(cè)試等工作時(shí)，必須做好防靜電措施；操作人員在進(jìn)行電路板操作前，應(yīng)通過(guò)觸碰靜電樁或類似功能的接地金屬物釋放人體可能攜帶的靜電，避免靜電放電對(duì)電路板敏感元件的損傷；電路板的維修、檢查、測(cè)試均應(yīng)在有防靜電措施的專用工作區(qū)進(jìn)行，檢修、檢測(cè)電路板的工作臺(tái)必須妥善接地。另外，存貯和運(yùn)輸電路板時(shí)（如從儀表柜移送到測(cè)試間，從庫(kù)房移送到機(jī)柜），應(yīng)將電路板裝入專用的防靜電包裝袋內(nèi)。

3.3 電應(yīng)力損傷

進(jìn)行電路板檢測(cè)時(shí)，應(yīng)防止因檢測(cè)設(shè)備連接不當(dāng)或操作失誤而導(dǎo)致的電應(yīng)力損傷。

1）電路板安裝到機(jī)柜前，應(yīng)首先驗(yàn)證系統(tǒng)接線的正確性。

2）通電前必須確認(rèn)電壓等級(jí)和極性的正確性。

3）除非電路板本身支持熱插拔，否則當(dāng)電路板處于通電狀態(tài)時(shí)不應(yīng)進(jìn)行任何接線或者熱插拔。

3.4 污染

在電路板的操作過(guò)程中，還應(yīng)防止電路板因受到污染而發(fā)生腐蝕。防止電路板受到污染的措施包括：

1）不用裸手接觸電路板有焊點(diǎn)的一側(cè)。

2）不用裸手接觸電路板裸露的接插件。

3）不讓帶有油脂或汗液的手直接接觸電路板或電子器件。

4）使用無(wú)殘留的電路板清洗劑進(jìn)行電路板的清潔。

4 電路板的服役環(huán)境

惡劣的服役環(huán)境（如高溫、高濕度、嚴(yán)重空氣污染等）將增加環(huán)境應(yīng)力對(duì)電路板的不利影響，使電路板的老化速度加快，故障率升高。電路板的服役環(huán)境參數(shù)中，溫度對(duì)電路板的影響最大，其影響幅度可依據(jù)著名的10℃定律進(jìn)行粗略估算，即溫度每升高10℃會(huì)使電路板的壽命縮短50%。高濕度可能會(huì)通過(guò)凝結(jié)和加速腐蝕而導(dǎo)致電路板失效；高粉塵的空氣環(huán)境則容易造成電子器件表面發(fā)生灰塵積聚，影響元器件的散熱，甚至導(dǎo)致電路板出現(xiàn)腐蝕和漏電現(xiàn)象。

當(dāng)電路板的服役環(huán)境優(yōu)于制造商推薦的服役環(huán)境時(shí)，電路板的實(shí)際服役時(shí)間可長(zhǎng)于制造商推薦的使用壽命，反之則需要縮短電路板的實(shí)際服役時(shí)間。電廠應(yīng)對(duì)安全重要電路板的安裝位置和使用環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，確保電路板的服役環(huán)境滿足技術(shù)規(guī)范的要求。若電路板的實(shí)際服役環(huán)境狀況超出了電路板技術(shù)規(guī)范的要求，則必須及時(shí)采取相應(yīng)的措施予以糾正，必要時(shí)評(píng)估其對(duì)電路板服役壽命的影響，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果調(diào)整電路板的更換周期。

5 電路板的維護(hù)

對(duì)安全相關(guān)或運(yùn)行重要的電路板均應(yīng)采取有效的維護(hù)措施，以提高電路板的可靠性和可用性。電路板的維護(hù)包括對(duì)電路板進(jìn)行定期檢查、維修以及翻新等[3]，常見的維護(hù)活動(dòng)列舉如下：

1）對(duì)電路板進(jìn)行目視檢查（可抽樣）。

2）對(duì)電路板進(jìn)行清潔。

3）對(duì)電路板進(jìn)行標(biāo)定。

4）對(duì)電路板進(jìn)行診斷測(cè)試。

5）通道試驗(yàn)。

6）對(duì)電路板上的易老化、短壽命元件（如電解電容）進(jìn)行監(jiān)測(cè)及定期更換[4,5]。

7）對(duì)電路板進(jìn)行定期更換。

8）對(duì)于內(nèi)部安裝有電路板的且?guī)в型L(fēng)過(guò)濾裝置的機(jī)柜，應(yīng)定期清洗或更換濾網(wǎng)，并檢查機(jī)柜內(nèi)通風(fēng)用電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

電路板上往往安裝有多種電子器件，不同的電子器件對(duì)老化的敏感程度是不一樣的。對(duì)于電路板上已識(shí)別出的老化敏感性較高的電子器件（如電解電容，電位計(jì)、開關(guān)等），可有針對(duì)性地制定有效的預(yù)防性更換策略，選取適當(dāng)時(shí)機(jī)完成電路板上老化敏感電子器件的更換，進(jìn)一步降低電路板的故障率。

在保證電廠安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，為盡可能降低電路板的維護(hù)成本，電廠可根據(jù)電路板的重要性對(duì)電路板實(shí)施分級(jí)管理，重點(diǎn)關(guān)注那些對(duì)安全或運(yùn)行重要的電路板[6]。

6 在役電路板的目視檢查

目視檢查是識(shí)別電路板故障前兆的最佳診斷技術(shù)之一，也是對(duì)電路板應(yīng)用其他檢查技術(shù)前應(yīng)首先采用的檢查方法。有經(jīng)驗(yàn)的檢查人員往往能通過(guò)對(duì)電路板的目視檢查及早發(fā)現(xiàn)電路板及其元器件的老化癥狀和異常現(xiàn)象，為制定后續(xù)的檢查方案和糾正措施提供了保證。

雖然目視檢查簡(jiǎn)單易行，不需要昂貴的設(shè)備，但為保證檢查效果以及確保檢查人員能夠正確識(shí)別電路板上的異?，F(xiàn)象和故障前兆，仍需要對(duì)所有實(shí)施目視檢查的人員進(jìn)行培訓(xùn)和授權(quán)。例如，合格的焊點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是表面光滑、有光澤的，但當(dāng)使用高放大倍數(shù)的放大鏡進(jìn)行觀察時(shí)，焊點(diǎn)表面往往會(huì)呈現(xiàn)顆粒狀，未經(jīng)培訓(xùn)和缺乏經(jīng)驗(yàn)的檢查人員往往會(huì)將其判斷為不合格，導(dǎo)致檢查結(jié)果中出現(xiàn)了許多本無(wú)需關(guān)注的“缺陷”。

電路板的目視檢查，主要包括對(duì)電路板的整體外觀、焊點(diǎn)狀態(tài)、元器件狀態(tài)、接插件狀態(tài)等進(jìn)行檢查。為獲得最佳目視檢查結(jié)果，實(shí)施目視檢查時(shí)常常會(huì)使用放大鏡、定向光源、紫外光源等輔助工具。在對(duì)電路板進(jìn)行目視檢查時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)檢查電路板及電路板上的元器件是否存在以下現(xiàn)象：

1）電路板是否有因局部過(guò)熱引起顏色改變。

2）電路板上的元器件是否有燒焦或變色跡象。

3）是否有潮濕、化學(xué)污染、煙塵等引起的腐蝕痕跡。

4）包含有電池的電路板（如帶閃存的電路板），電池周邊的電路是否存在電解質(zhì)泄漏的跡象。

5）電解電容是否有開裂和電解質(zhì)泄漏現(xiàn)象。

6）電路板上的連接線是否有脆化和開裂現(xiàn)象。

7）接插件的插針、插腳是否存在污染、腐蝕、鍍層脫落、點(diǎn)蝕和磨損現(xiàn)象。

8）焊點(diǎn)是否有開裂、腐蝕和虛焊現(xiàn)象。

9）元器件的引線和焊點(diǎn)是否有晶須出現(xiàn)。

10）可擦除、可編程只讀存儲(chǔ)器窗口是否進(jìn)行了適當(dāng)遮蓋。

11）灰塵積聚情況（特別應(yīng)關(guān)注兩個(gè)器件引腳之間的灰塵積聚情況，如果灰塵導(dǎo)電，則可能會(huì)導(dǎo)致引腳間發(fā)生短路）。

12）保形涂層的完整性。

13）電路板是否有變形和分層現(xiàn)象。

目視檢查具有簡(jiǎn)單、易行的特點(diǎn)，但由于無(wú)法給出定量的檢查結(jié)果，通常只能以此作為電路板老化監(jiān)測(cè)的輔助手段，或作為電路板狀態(tài)檢查的“初篩”工具。對(duì)于集成度很高的多層電路板，目視檢查的效果有限。

7 根本原因分析

對(duì)于異常失效的電路板應(yīng)進(jìn)行失效原因分析，找出其失效的根本原因，避免類似的失效問題重復(fù)出現(xiàn)；同時(shí)應(yīng)對(duì)電廠使用的同型號(hào)的其他電路板（包括庫(kù)存?zhèn)浼┻M(jìn)行檢查和評(píng)估，確保同樣的問題不會(huì)在這些電路板上再次發(fā)生。如果同型號(hào)、同批次的電路板都存在同樣的失效原因，則必須采取相應(yīng)的糾正措施，包括更換所有該型號(hào)的同批次的電路板。

若電路板失效的根本原因來(lái)自電路板的設(shè)計(jì)缺陷和制造工藝缺陷，則應(yīng)當(dāng)將相關(guān)信息反饋給電路板制造商，以優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝。

8 結(jié)束語(yǔ)

由于電路板的可靠性受到多種因素的影響，僅通過(guò)單方面采取改進(jìn)措施來(lái)提高電路板的可靠是不科學(xué)的，也往往達(dá)不到預(yù)期效果。本文從電路板最終用戶的角度提出的全方位多維度減少電路板失效促因的方法，能有效降低核電廠電儀系統(tǒng)電路板的故障率并延長(zhǎng)電路板的服役壽命，降低電路板故障給核電廠帶來(lái)的各種損失以及被迫進(jìn)入強(qiáng)制性停堆大修的可能性。該方法不僅適用于核電廠電儀系統(tǒng)電路板的可靠性提高，也可供其他使用電路板的單位采用，以提高所用電路板的可靠性。