基于加速老化试验的反应堆保护系统（RPR）关键敏感设备（CCM）可靠性评估及老化分析研究

基于加速老化试验的反应堆保护系统（RPR）关键敏感设备（CCM）可靠性评
估及老化分析研究
摘要某核电站反应堆保护系统（以下简称RPR）采用日本三菱MELTAC N+
平台数字化DCS产品，其电子板卡已投入运行10余年，部分元器件的失效率明
显上升。

PIF卡、隔离卡等重要CCM（关键敏感重要设备）板件作为系统的核心
部件，其剩余寿命决定了维修策略及系统可靠性。

为准确评估PIF卡、隔离卡等重要CCM板件的剩余寿命及可靠性水平，并为
其提供维修保养的策略依据，该核电站与中国赛宝实验室（以下简称“赛宝”）
开展了CCM重要板件剩余寿命评估及短寿命元器件识别的合作。

项目拟通过调研
分析、寿命风险点识别、寿命老化/退化机理和主要敏感应力分析、加速寿命试
验等手段，实现剩余寿命评估。

本文对PIF卡及隔离板卡的特征部件进行识别，并利用物理与化学手段对老
化机理进行分析、确认，最终提取板卡的典型寿命部件及老化机理。

同时，通过
对已上电使用8年的PIF卡和隔离卡进行加速老化试验（选用了潮热加电试验和
温循试验，加速电子元器件电化学腐蚀），最大程度上实现了元器件的加速老化。

最终得出PIF卡和隔离卡剩余寿命预估大于17.3年。

基于老化试验分析、内外
部经验反馈、厂家建议、故障影响分析等，优化PIF卡、隔离卡等CCM板件的预
防性维修策略。

关键词核级DCS；老化试验分析；PIF卡；隔离卡；剩余寿命；
0 引言
可靠性研究起源于第二次世界大战期间，随着现代科学技术的发展，工业和
军用产品的性能、精度等参数日益提高，结构日趋复杂，工作环境条件愈加严酷，
产品的可靠性问题越来越突出。

在现代生产中，可靠性技术已贯穿于产品的开发研制、设计、制造、使用、维修保养等各个环节。

如何快速、有效、精准地评估产品的可靠性是可靠性工程领域长期致力于解决的实际应用问题。

传统的可靠性评估方法依赖于失效数据，而由于科技的进步，产品的可靠性越来越高，寿命越来越长，在相对短期内无法获得足够的失效数据，因而传统的可靠性理论具有一定的局限性。

基于性能参数退化的可靠性研究始于上世纪七十年代，Gertsbackh和Kordonskiy第一次提出基于性能退化数据的可靠性分析研究的意义和价值，直到上世纪90年代才逐渐引起国内外学者与工程技术人员的重视，目前已逐渐发展成为可靠性学科的新研究趋势。

RPR系统作为整个核电站的中枢神经系统，对核电厂的安全、经济运行起着至关重要的作用。

系统中CCM板件的可靠性与核电站的安全运行密切相关，目前板件长期运行已接近行业标准使用年限，板件的可靠性水平未摸底，是否有老化特征未知，急需挑选典型板件（如PIF卡、隔离卡）开展老化分析，评估卡件在真实环境下的使用寿命，制定维保策略。

RPR板件同为日本三菱设计生产，挑选典型板件，有助于同平台其他电路部件或元器件的可靠性摸底。

1 老化特征分析
老化分析技术路线如下：
图1 老化分析技术路线图
1.1 待分析部件清单
以板卡的元器件清单（BOM）为蓝本，根据对应的提取原则，识别PIF卡与隔离卡的特征部件，进而构成待分析部件清单。

1.2 特征部件的提取原则
特征部件的提取原则主要包括以下四个方面：
1.2.1 老化等级
根据工程经验，对现有元器件按照老化难易程度分成1～3级。

其中，1级为极不容易发生老化的元器件，如低功耗集成电路（接口电路等）；3级为较易发生老化的元器件，如继电器、铝电解电容器等；2级介于两者之间，如大功率半导体器件（电源芯片等）。

1.2.2 严酷应力
根据PCBA的布局及工作特点，识别PCBA板上的高温区域，并重点关注高温区域附近的电路及元器件，以高温作为识别特征部件的依据之一；
1.2.3 高失效率元器件
根据现场反馈的信息，识别并重点关注历史失效率较高的元器件，以高失效率作为识别特征部件的依据之一；
1.2.4 核心元器件
根据现场调研与电路分析，识别并重点关注核心功能的元器件。

以核心功能作为识别特征部件的依据之一。

判别标准（1.除退化等级外，其他分析项目单项值均为1分；2.退化级别得分与退化等级一致（如退化等级为3，则单项得分为3分）；3.总分超3分时，定为特征部件）当部件被定义为3级（即较易发生老化）时，无论是否满足其他条件，均将其视为特征部件；
1.3 分析检查项目
根据特征部件的老化机理及结构特征，确定不同特征部件对应的分析项目。

以隔离放大器分析项目为例，分析项目详见表1。

表1 隔离运放老化分析项目清单
2 老化分析检查结果
对特征部件的老化分析结果进行汇总统计，结果显示，本项目中共5类部件存在老化特征、2类部件存在固有缺陷。

对应的分析结果见表2。

表2老化特征分析结果汇总
3 加速老化试验
3.1 样品选取与失效判据
试验样品从对应的PCBA上拆解，并根据单板上的元器件数量确定样品数量，详见表3；失效判据由样品的数据手册或工程经验得出，用于确定样品在试验前
后的老化状态，详见表4。

表3板卡样品信息
根据调研与对板卡设计资料的分析，梳理各类板卡的失效判据：
表4板卡失效判据
3.2 加速试验条件与加速系数
试验条件包括试验时间、试验温湿度、试验电压、试验电流等参数。

其具体参数的制定主要参照试验对象的任务剖面，并结合部分的工程经验；加速系数基
于加速模型（JEP122G 国际半导体标准），并根据加速试验条件与任务剖面的条件差值进行推导。

加速试验条件与加速系数详见表5：
表5板件加速试验条件与加速系数（12为潮热试验、34为温变试验）
PECK模型。

对于PECK模
型，未知参数包括
2个：
1）PCEK相对
湿度指数n，该参
数取经验系数
2.7；
2）激活能
Eaa，该参数与失效
机理直接相关，对
于短路（电化学迁
移）的失效模式，
板卡包含了两类主
要的失效机理，分
别为锡须生长与银
离子迁移，对应的
卡夫曼模型。

未知参数为材
料系数q，IPC-SM-
785推荐的焊点温
变加速系数为3
3.3 加速试验结果
针对晶振，开展了1000h的高温寿命试验加速试验。

试验后，无样品失效；
针对光耦，开展了1000h潮热加电试验。

试验后，无样品失效；
针对变压器，开展了1000h潮热加电试验。

试验后，无样品失效；
针对排阻，开展了1000h潮热加电试验。

试验后，无样品失效；
针对MOS管，开展了1000h潮热加电试验。

试验后，无样品失效；
针对PIF板与隔离板卡，开展了1800h潮热加电试验。

试验后，无样品失效；
针对PIF卡与隔离板卡，开展了1000cyc温循试验。

试验后，隔离板卡失效。

已对板卡进行失效定位与分析。

4 老化趋势与剩余寿命分析
4.1 老化趋势分析
对PIF卡、隔离卡、排阻、MOS管等7类产品进行老化趋势分析，涵盖数据
千余条，分析小结如下：
各类样品（PIF、隔离卡及元器件）均未出现规律性的参数退化；
隔离卡在1000cyc温循试验后，发生功能失效；
无样品发生参数退化或超过3台套样品失效，不适采用统计法；（板件温循
试验，1块隔离卡出现故障）
建议采用经验系数法，对于试验后，未发生参数老化（或失效）的试验对象（如继电器、塑封IC），采用工程经验的方法（参考国防工业出版社的《可靠性
与寿命试验》），利用经验系数对其剩余寿命进行预估；
4.2 剩余寿命分析
对于剩余寿命的预计结果，本项目采用“木桶原理”的短板原则进行确认，
即以剩余寿命最短的试验对象作为限制DCS剩余寿命的主要依据；
通过对已上电使用10年的PIF卡和隔离卡进行加速老化试验，选用了潮热
加电试验和温循试验，在此试验条件下，会加速电子元器件电化学腐蚀（如外部
环境中的硫、氯等污染），已最大程度上实现了元器件的加速老化。

试验样品的
剩余寿命由高到低依次为（见图2）：MOS管、晶振、排阻、光耦、变压器、PIF 卡、隔离卡。

其中，PIF卡与隔离卡的剩余寿命约为17.3年，该寿命决定了系统
的剩余寿命。

图2加速寿命试验结果降序排列图
5 结束语
通过对RPR系统PIF卡、隔离卡开展加速老化试验，并利用物理与化学手段对老化机理进行分析、确认，最终提取板卡的典型寿命部件及老化机理。

同时，通过对已上电使用8年的PIF卡和隔离卡进行加速老化试验（选用了潮热加电试验和温循试验，会加速电子元器件电化学腐蚀），最大程度上实现了元器件的加速老化，最终得出PIF卡和隔离卡剩余寿命预估大于17.3年。

基于老化试验分析、内外部经验反馈、厂家建议、故障影响分析等，最终完成了CCM卡件预防性维修大纲优化（更换周期从行业下限6C延长到10C）。

该研究项目立足行业前沿，通过对卡件的加速老化试验，给出预期寿命；结合对现场卡件实际运行情况统计，对部分卡件周期延长，部分卡件更换删除，涉及108个功能位置。

是核电站首次严格通过试验的方法给出科学的寿命数据，实现维修大纲优化从经验反馈法向试验数据支撑的方法跨越。

参考文献
［1］姜同敏．可靠性与寿命试验[M]．北京：国防工业出版社，2012-03. 第9章节，加速试验技术
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