陶 革，王云剛

（1.中核核電運行管理有限公司，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，也是安全保護系統(tǒng)和控制調節(jié)系統(tǒng)的核心設備。電路板失效往往會導致核電廠的控制和調節(jié)系統(tǒng)失效，使電廠發(fā)生非預期瞬態(tài)，甚至出現非計劃停機、停堆事件，對電站安全、可用性和業(yè)績造成直接的不良影響。電路板可靠性的高低與電路板的設計、材料和元器件選取、電路板加工、出廠檢驗、運輸、存儲、使用、維護等諸多環(huán)節(jié)和因素有關。當電路板進入電廠之后，電路板的可靠性和使用壽命則主要受到電路板的存儲、使用、維護等環(huán)節(jié)的影響。

導致核電廠電儀系統(tǒng)電路板失效的原因可能是多方面的，如操作不當、物理損傷、電應力損傷、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、操作、服役、維護等多方面論述了提高電路板可靠性的具體方法，討論的方法可對核電廠電儀系統(tǒng)電路板的維護和管理人員提供借鑒、參考和指導作用。

1 電路板失效原因與可靠性

1.1 電路板失效原因

導致電路板失效的原因很多，涉及電路板的設計、制造、運輸、存儲、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）制造質量

由于設計缺陷、不當的制造工藝、選取了不合適的材料和元器件等都會導致電路板存在“天生”的質量缺陷。

2）機械應力

機械應力通常來自于對電路板進行的操作或來自于電路板使用過程中所遭受的外力，如彎曲、震動等。機械應力會導致電路板發(fā)生物理損傷，使電路板出現開裂和變形。

3）環(huán)境應力

電路板在使用過程中會不可避免地受到各種不同環(huán)境應力的影響，如溫度、濕度、腐蝕、電應力等。環(huán)境應力會導致電路板及電路板上的元器件發(fā)生老化降質，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)境應力。

4）人因

人因是導致電路板失效的另一個主要因素。人因可能會導致各種其他應力的產生，例如對電路板進行的不正確操作會導致電路板變形或引發(fā)靜電放電，進行電路板測試時不正確的接線會導致電路板受到異常電應力的影響等。

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，能長期使用而不出現故障或不發(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計、制造、測試、運輸、倉儲、使用等整個生命周期內的失效原因。設計、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；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。由于篇幅原因，本文主要從電路板最終用戶的角度來討論在電路板到達電廠后的壽命周期內，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對電廠的安全性和經濟性產生直接的負面影響，因而對電路板可靠性的管理也越來越受到各電廠的重視。絕大多數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踐（例如，優(yōu)化和加強了電路板的入庫檢查和測試，增加了對電路板上短壽命元器件的監(jiān)測要求，對與安全和經濟性相關的電路板制定了更為嚴格更換周期，以及對電路板進行現代化升級等），但是總體上看效果很有限。這是因為自電路板到達電廠后開始的壽命周期內，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，使得對電路板所采取的單項優(yōu)化和改進措施的效果有限。例如，雖然通過優(yōu)化和加強新購電路板的入庫檢查和測試提升了入庫電路板的質量和成品率，通過采用更嚴格的更換周期降低了環(huán)境應力對電路板失效的影響，但由于電廠維護人員在對電路板進行操作和檢查過程中，沒能很好地理解和執(zhí)行防靜電措施，導致電路板因頻繁受到靜電放電影響，反而出現了故障率升高的現象。

可見，對運行核電廠來說，單項優(yōu)化和改進措施對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到達電廠后的電路板進行全方位多維度的有效管理。下文將從幾個有代表性的方面來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

2.1 電路板的接收檢查

新購電路板到貨后，應進行入庫前檢查和驗收，必要時還可對電路板進行功能性驗證。檢查過程中發(fā)現的問題應予以標識、記錄，并根據電廠的不符合項管理要求進行處置。在完成接收檢查和驗收測試后，應使用原運輸包裝袋或符合抗靜電要求的新包裝袋對電子電路板進行重新包裝，防止在后續(xù)的廠內運輸及存儲期間因靜電放電而對電路板造成損傷。

電路板入庫前的接收檢查內容應包括[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、規(guī)格數量。

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。

拷機有利于防止電路板早期失效的發(fā)生。為提高所采購的安全重要電路板的良品率，應在電路板采購技術規(guī)范書中明確對電路板的拷機要求，并由制造商在電路板出廠前完成電路板的拷機測試?？綑C記錄應納入驗收文件提供給電廠，并作為電路板入庫檢查的內容之一。

2.2 電路板的存儲

電路板存儲條件的好壞也會直接影響電路板的性能和使用壽命。電路板應存放在滿足供應商規(guī)定存儲條件的庫房中，電路板存儲過程中應避免以下不利因素的影響：①高溫；②溫度變化過大；③靜電放電；④高濕度；⑤陽光直接照射；⑥灰塵或其他污染源；⑦機械沖擊；⑧振動。

存儲于庫房中的電路板應按要求定期進行專項維護保養(yǎng)（如進行通電、功能性檢查等），電路板的儲存期限應根據生產商推薦值確定。

3 電路板的操作

電路板的操作方式對電路板的可靠性和預期壽命會產生很大的影響，不當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。這種人為因素對電路板產生的不利影響很容易被忽視，往往會導致在采取多種改進措施后電路板的可靠性仍無法顯著提高的現象。電廠應對實施電路板操作的人員進行相關的技能培訓，且僅在必要時才對電路板進行操作，盡量降低人為因素導致的物理損傷、靜電損傷、電應力損傷、電路板表面污染等情況。

3.1 物理損傷

物理損傷會導致電路板發(fā)生過早失效，減少電路板的實際服役壽命，物理損傷嚴重時會導致電路板發(fā)生立即失效。降低電路板物理損傷的方法和建議包括：

1）只在有必要時才對電路板進行操作，且應盡量減少操作的次數。

2）進行電路板操作時，避免碰觸電路板上的電路或元件，防止靜電放電、電應力、化學污染造成的損傷以及物理損傷。

3）進行電路板的安裝、更換、檢查時，應避免因粗暴操作或保護不當而造成印刷電路板的物理損傷。

4）安裝電路板時不可強行插入機架，盡可能使用專用工器具進行電路板的插拔。

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

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

3.2 靜電損傷

靜電放電是不當操作對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靜電放電極為敏感，會因靜電放電而受損[2]。通常只需一次靜電放電就可能對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，最終導致電路板發(fā)生早期失效。更為糟糕的是，不當操作導致的靜電損傷通常都是在操作者未意識到的情況下發(fā)生的，這使得靜電放電對電路板的損傷可能會重復性地多次發(fā)生。

為防止和降低靜電放電對電路板帶來的不利影響，在對電路板實施拆裝、檢測、測試等工作時，必須做好防靜電措施；操作人員在進行電路板操作前，應通過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，避免靜電放電對電路板敏感元件的損傷；電路板的維修、檢查、測試均應在有防靜電措施的專用工作區(qū)進行，檢修、檢測電路板的工作臺必須妥善接地。另外，存貯和運輸電路板時（如從儀表柜移送到測試間，從庫房移送到機柜），應將電路板裝入專用的防靜電包裝袋內。

3.3 電應力損傷

進行電路板檢測時，應防止因檢測設備連接不當或操作失誤而導致的電應力損傷。

1）電路板安裝到機柜前，應首先驗證系統(tǒng)接線的正確性。

2）通電前必須確認電壓等級和極性的正確性。

3）除非電路板本身支持熱插拔，否則當電路板處于通電狀態(tài)時不應進行任何接線或者熱插拔。

3.4 污染

在電路板的操作過程中，還應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的一側。

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）使用無殘留的電路板清洗劑進行電路板的清潔。

4 電路板的服役環(huán)境

惡劣的服役環(huán)境（如高溫、高濕度、嚴重空氣污染等）將增加環(huán)境應力對電路板的不利影響，使電路板的老化速度加快，故障率升高。電路板的服役環(huán)境參數中，溫度對電路板的影響最大，其影響幅度可依據著名的10℃定律進行粗略估算，即溫度每升高10℃會使電路板的壽命縮短50%。高濕度可能會通過凝結和加速腐蝕而導致電路板失效；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，甚至導致電路板出現腐蝕和漏電現象。

當電路板的服役環(huán)境優(yōu)于制造商推薦的服役環(huán)境時，電路板的實際服役時間可長于制造商推薦的使用壽命，反之則需要縮短電路板的實際服役時間。電廠應對安全重要電路板的安裝位置和使用環(huán)境進行監(jiān)測和控制，確保電路板的服役環(huán)境滿足技術規(guī)范的要求。若電路板的實際服役環(huán)境狀況超出了電路板技術規(guī)范的要求，則必須及時采取相應的措施予以糾正，必要時評估其對電路板服役壽命的影響，并根據評估結果調整電路板的更換周期。

5 電路板的維護

對安全相關或運行重要的電路板均應采取有效的維護措施，以提高電路板的可靠性和可用性。電路板的維護包括對電路板進行定期檢查、維修以及翻新等[3]，常見的維護活動列舉如下：

1）對電路板進行目視檢查（可抽樣）。

2）對電路板進行清潔。

3）對電路板進行標定。

4）對電路板進行診斷測試。

5）通道試驗。

6）對電路板上的易老化、短壽命元件（如電解電容）進行監(jiān)測及定期更換[4,5]。

7）對電路板進行定期更換。

8）對于內部安裝有電路板的且?guī)в型L過濾裝置的機柜，應定期清洗或更換濾網，并檢查機柜內通風用電機的運轉情況。

電路板上往往安裝有多種電子器件，不同的電子器件對老化的敏感程度是不一樣的。對于電路板上已識別出的老化敏感性較高的電子器件（如電解電容，電位計、開關等），可有針對性地制定有效的預防性更換策略，選取適當時機完成電路板上老化敏感電子器件的更換，進一步降低電路板的故障率。

在保證電廠安全、經濟、穩(wěn)定運行的同時，為盡可能降低電路板的維護成本，電廠可根據電路板的重要性對電路板實施分級管理，重點關注那些對安全或運行重要的電路板[6]。

6 在役電路板的目視檢查

目視檢查是識別電路板故障前兆的最佳診斷技術之一，也是對電路板應用其他檢查技術前應首先采用的檢查方法。有經驗的檢查人員往往能通過對電路板的目視檢查及早發(fā)現電路板及其元器件的老化癥狀和異?，F象，為制定后續(xù)的檢查方案和糾正措施提供了保證。

雖然目視檢查簡單易行，不需要昂貴的設備，但為保證檢查效果以及確保檢查人員能夠正確識別電路板上的異?，F象和故障前兆，仍需要對所有實施目視檢查的人員進行培訓和授權。例如，合格的焊點應當是表面光滑、有光澤的，但當使用高放大倍數的放大鏡進行觀察時，焊點表面往往會呈現顆粒狀，未經培訓和缺乏經驗的檢查人員往往會將其判斷為不合格，導致檢查結果中出現了許多本無需關注的“缺陷”。

電路板的目視檢查，主要包括對電路板的整體外觀、焊點狀態(tài)、元器件狀態(tài)、接插件狀態(tài)等進行檢查。為獲得最佳目視檢查結果，實施目視檢查時常常會使用放大鏡、定向光源、紫外光源等輔助工具。在對電路板進行目視檢查時，應重點檢查電路板及電路板上的元器件是否存在以下現象：

1）電路板是否有因局部過熱引起顏色改變。

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泄漏的跡象。

5）電解電容是否有開裂和電解質泄漏現象。

6）電路板上的連接線是否有脆化和開裂現象。

7）接插件的插針、插腳是否存在污染、腐蝕、鍍層脫落、點蝕和磨損現象。

8）焊點是否有開裂、腐蝕和虛焊現象。

9）元器件的引線和焊點是否有晶須出現。

10）可擦除、可編程只讀存儲器窗口是否進行了適當遮蓋。

11）灰塵積聚情況（特別應關注兩個器件引腳之間的灰塵積聚情況，如果灰塵導電，則可能會導致引腳間發(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象。

目視檢查具有簡單、易行的特點，但由于無法給出定量的檢查結果，通常只能以此作為電路板老化監(jiān)測的輔助手段，或作為電路板狀態(tài)檢查的“初篩”工具。對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

對于異常失效的電路板應進行失效原因分析，找出其失效的根本原因，避免類似的失效問題重復出現；同時應對電廠使用的同型號的其他電路板（包括庫存?zhèn)浼┻M行檢查和評估，確保同樣的問題不會在這些電路板上再次發(fā)生。如果同型號、同批次的電路板都存在同樣的失效原因，則必須采取相應的糾正措施，包括更換所有該型號的同批次的電路板。

若電路板失效的根本原因來自電路板的設計缺陷和制造工藝缺陷，則應當將相關信息反饋給電路板制造商，以優(yōu)化設計和生產工藝。

8 結束語

由于電路板的可靠性受到多種因素的影響，僅通過單方面采取改進措施來提高電路板的可靠是不科學的，也往往達不到預期效果。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電路板的服役壽命，降低電路板故障給核電廠帶來的各種損失以及被迫進入強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。