ICS27.120.99 F 83 NB 备案号：50706-2015 中华人民共和国能源行业标准 NB/T20197.4—2015 核电厂仪表和控制设备可靠性及老化检测 第4部分：电路板 Reliability and aging detection for instrumentation and control equipment in nuclear power plants - Part 4: Circuit Board 2015-07-01发布 2015-12-01实施 国家能源局 发布 NB/T 20197.42015 目 次 前言 1I 1 ·范围 2 规范性引用文件 3 术语和定义 4 电路板老化分级管理 5 可靠性及老化状态检测 5.1失效机理.. 2 5.2可靠性要素 5.3状态监测 6 6提高可靠性方法 12 6.1静电放电和电过应力 12 6.2电路板操作及处理 12 6.3电路板备件验收 13 6.4电路板储存 14 6.5电路板使用中环境控制 15 6.6清洁 16 6. 7 维修和翻新 16 电路板诊断检测方法 7. 1 检测条件 17 7. 2 外观检查 17 7.3 热成像检查 17 7.4电路板在线检测 18 7.5电路板烤机 20 7.6电子元器件检测筛选 21 7. 7 电路板老化状态检测 21 8电路板检测流程 22 8. 1 概述 22 8.2 定期检测 22 8.3失效分析 23 参考文献 24 I NB/T20197.4—2015 前言 NB/T20197《核电厂仪表和控制设备可靠性及老化检测》分为4个部分： 第1部分：电磁继电器； 第2部分：熔断器； 第3部分：电源； -第4部分：电路板。 本部分为NB/T20197的第4部分。 本部分按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。 本部分由能源行业核电标准化技术委员会提出。 本部分由核工业标准化研究所归口。 本部分起草单位：中广核核电运营有限公司。 本部分主要起草人：马蜀、丁俊超、李勇、浦黎、吴长雷、犹代伦、王国云、刘新东。 II NB/T20197.42015 核电厂仪表和控制设备可靠性及老化检测 第4部分：电路板 1范围 本部分规定了核电厂仪表和控制系统使用电路板的可靠性及老化检测方法，包括老化状态监测及提 高可靠性的方法。 本部分适用于核电厂仪表和控制系统在役电路板及其备件的可靠性及老化检测、失效原因分析。 2规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 NB/T201982013核电厂仪表和控制设备老化管理及实施 3术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3. 1 老化aging 在设计范围内的运行工况下，元件或设备的物理、化学或电气特性随时间的变化，这种变化将可能 导致其重要的功能特性劣化。 3. 2 老化机理agingmechanism 在设计确定的运行条件下，元件或设备的物理、化学或电气特性随时间而变化，这种变化可能导致 规定性能的退化，从而削弱了它们实施预期功能的能力。 3. 3 老化降质agingdegradation 构筑物、系统或部件的物理特性，因老化机理的作用，在贮存或运行条件下随时间或使用而产生的 逐渐降质，结果可能削弱了它们实施预期功能的能力。 3.4 短寿命元器件shortlifecomponents 某些元器件，因材料、结构、工作机理、工作环境导致其使用寿命显著小于其服务的整体设备的使 用寿命。 3. 5 电路板在线检测In-circuittest 无需拆下电路板上电子元器件，通过在线检测设备对电路板上元器件各项性能进行定量测试和诊 断，识别出已降质或存在缺陷的电子元器件。 NB/T 20197.42015 4电路板老化分级管理 的电路板采取不同的老化处理策略，尽可能取得老化风险控制和成本控制的最佳效益。电路板的老化分 级如下： a）A级电路板：安全级电路板或单一故障导致停机停堆的电路板。A级电路板又细分为： 1）A1级电路板：含有短寿命元器件的A级电路板； 2）A2级电路板：除A1级外的其它A级电路板。 b）B级电路板：电路板本身没有安全级别的要求和鉴定要求，但它的失效可能引起安全相关设备 安全水平的降低。该类电路板的故障，可能导致电厂的能力因子、可用率的降低。B级电路板 又细分为： 1）B1级电路板：含有短寿命元器件的B级电路板； 2）B2级电路板：除B1级外的其它B级电路板。 c）C级电路板：除A级和B级以外的其他电路板。C级电路板不纳入老化管理范围。 5可靠性及老化状态检测 5.1 失效机理 电路板失效是由于元器件经受了若干类型的内部或外部因素引起的退化。 直接由元器件导致的失效可归类为内部原因，且可能与器件制造商的生产缺陷或缺少元器件筛选有 关。导致失效的外部原因与模块或元器件的操作、储存、处理或使用方式等有关。 电子元器件基本上有四种不同的失效模式： 短路； -开路； 一性能下降； 一功能失效。 每种元器件有多种失效机理。失效机理可以是随机的或与老化相关的，或两者兼而有之。 随机失效机理通常由失误引起的，如材料缺陷、制造缺陷或误用等因素。随机失效在发生前没有任 何警示或征兆，在元器件生命周期内随时都可能发生。 与老化相关的失效通常是设备很长时间没有故障，但随着元器件的耗损故障率逐渐增加，元器件的 典型失效模型符合浴盆曲线。 主要老化失效表现形式见图1。 性能 不可接受水平 时间 图1老化失效表现形式 2 NB/T 20197.42015 随着运行时间的增加，与老化机理相关的性能指标开始下降，直至性能下降到不可接受的水平。元 器件在性能水平不可接受时尚未失效，如果继续老化，元器件将最终故障。 元器件失效的最终状态是老化失效机理和随机失效机理同时作用的结果。如果失误引入的缺陷足够 明显，失效会随时发生，表现为随机失效。如果该缺陷不足够明显，在老化因子的作用下会开始老化过 程，最终导致故障。 根据对元器件的老化效应和老化机理的认知，以及设备现场使用经验，部分元器件寿命小于其所服 务的整体设备的使用寿命，将导致整体设备提前老化失效。短寿命元器件主要有：电解电容、熔断器、 继电器、电位器、连接器、齐纳二极管、可控硅、高发热电阻、开关、光电耦合器、DC/DC电源模块、 功率发热元器件、接线端子、电池等，以上短寿命元器件的识别、老化因素、老化机理、失效模式及参 考使用寿命见NB/T20198-2013的表1。典型失效机理见表1。 表1典型失效机理 序号 失效机理 描述说明 这种失效机理发生在陶瓷电容器中。该电容器电极之间由陶瓷片构成。陶瓷易碎，强度低。 陶瓷开裂 陶瓷裂纹的产生可能是由机械震动和冲击，或者由焊接过程、或太靠近电路板上过热元器件 1 的热冲击造成。裂纹使绝缘电阻下降并可能短路 任何带有内部引线的电子元器件封装件都存在该类失效机理。包括电容器和集成电路。很多 2 内部连接失效 因素可导致引线失效。其中腐蚀、氧化、污染和热循环是主要原因。连接失效会导致电路开 路 制造或使用过程中可能产生这种失效机理。在制造过程中，元器件内部可能造成污染，或者 3 污染 可由外部事件引起，如电路板或元器件基板上的电镀盐没有完全除去的部分。在使用过程中， 储存、处理不当以及环境都会造成污染 腐蚀有两种类型：电化学腐蚀和电偶腐蚀。 电化学腐蚀是通过其他化学品或氧和水的化学反应的方式损坏材料。如电池或电容器的电解 液泄露。印刷电路板材料逐渐向电解质的正离子释放出电子，导致点蚀。如果在导电线路发 腐蚀 生这种情况，会导致开路故障。 当两种金属在电解质中相互接触时会发生电偶腐蚀。形成电偶需要导电回路，接触的两种金 属的标准电极电势差异越大，电偶腐蚀的速度就越快，其中重金属腐蚀速度较慢 绝缘材料中的杂质，气体空隙，机械缺陷会引发介质击穿。 如果存在杂质且杂质之间的电压梯度足够高时，杂质之间的介电材料会击穿，形成导电通路。 如果存在气体空隙且电压梯度足够高时气体会击穿。气体电离造成空隙腔的破坏。 介质击穿 电介质中存在机械缺陷，比如微裂纹，会击穿微裂纹的表面。导体表面的凸起增加了应力梯 5 度，它可以促进其他形式的破坏。 随着时间的推移，这些裂纹呈现树枝形状。当电极间没有足够的介电质承受电压时便出现介 电击穿 电化学迁移可能发生的表面，当两个导线之间或两个引脚之间存在电位差，阳极和阴极导体 6 电化学迁移 之间存在离子迁移 热迁移导致半导体中形成电子或空穴陷阱，漏电流增加和阅值电压变化，并导致不稳定和失 7 热迁移 效。无论是电子或空穴，这些热载流子都有过多的动能，从原位迁移到其他位置，从而留下 个电子或空穴的陷阱 在两种不同金属之间的界面处形成第3种金属层，从而发生金属间的降质。例如，铝和金之 金属间的降质 间。如果形成的化合物是一个非导体，最终发生开路 3 NB/T 20197.4—2015 表1典型失效机理（续） 序号 失效机理 描述说明 在潮湿情况下，当阳极和阴极之间电势差不大时会发生离子迁移。带正电的离子从电阻最小 离子迁移 的路径从阳极迁移到阴极。迁移路径中的电流密度高到足以引起发热，这反过来又导致碳化。 这种情况持续下去，直到传导线路的电阻足够低出现闪络，形成短路 铝电解电容器会发生氧化降质。铝电解电容器的寿命取决于氧化层。当阳极和阴极之间加电 压时，氧化层得到保持。若没有电压，该氧化层逐渐向电解液中迁移。时间长了，氧化层逐 10 氧化降质 渐腐蚀，并迁移进电解液，从而漏电流增加并导致发热，加速该