Korroosion ilmeneminen ja merkitys

Elektroniikan pakkaustiheyden jatkuva kasvaminen synnyttää lisääntyvässä mää-rin haitallisia häiriöitä laitteisiin. Tuotteet ovat yhä herkempiä kosteuden ja kor-roosion haittavaikutuksille. Elektroniikassa korroosio ja ilmastolliset vaikutukset kasvattavat liitosten kontaktiresistansseja ja johdinten välisiä vuotovirtoja sekä rappeuttavat materiaaleja, mitkä näkyvät erilaisina toiminnallisina vikoina, sähkö-magneettisen häiriintymisen lisääntymisenä ja ulkonäöltään rumina pintoina (kuva 1.1). Nämä viat tulevat lähes aina esille ennen kuin laitteen mekaniikka kärsii.

Elektroniikassa hyvinkin vähäinen korroosio ja pintojen kontaminaatio voi olla tuhoisa laitteen toimivuudelle. Jopa vain nanometrien suuruusluokkaa oleva kor-roosioalue komponentissa voi estää laitteen normaalin toiminnan, kun taas suurissa teräsrakenteissa ei edes millimetrien kokoinen korroosioalue aiheuta ongelmia [Ishikawa & Ozaki 1999].

Kontaktiresistanssien kasvaminen Vuotovirrat ja

oikosulut

EMC-suojauksen vuotaminen

Mekaaninen vaurioituminen

Materiaalien rappeutuminen

Toiminnallisia vikoja Ruma ulkonäkö

Kuva 1.1. Korroosion aiheuttamat perusongelmat elektroniikassa.

Pelkistetyn määrittelyn mukaan “korroosio on materiaalin tuhoutumista”.

Materiaali voi olla metallia, mineraalia tai orgaanista yhdistettä, kuten muovia, jotka kaikki tuhoutuvat myös korroosioreaktioiden kautta! Korroosioreaktiot ei-vät vaadi korkeata lämpötilaa, tavallisimmat korroosiohaitat esiintyei-vät lämpöti-loissa +0...+40 °C. Pakkasessa korroosiota ei yleensä tapahdu tai se on hyvin hi-dasta (esim. suolaliuos on nesteenä muutamassa pakkasasteessakin, jolloin kor-roosio jatkuu), mutta korkeissa lämpötiloissa > 55 °C korroosioreaktiot kiihtyvät kuivissakin käyttöolosuhteissa johtaen materiaalien rappeutumiseen. Pelkistäen

voidaan sanoa, että korroosio on läsnä aina ja kaikkialla, missä vain on vettä, happea ja eliöitä.

Standardisointijärjestöt ovat määritelleet korroosion hieman suppeammin [SFS-ISO 8044]:

”Korroosio on metallin fysikaalis-kemiallinen reaktio ympäristönsä kanssa, mikä aiheuttaa muutoksia metallin ominaisuuksiin ja mikä usein voi johtaa metallin, sen ympäristön tai teknisen järjestelmän vaurioihin.”

Vaikuttavat tekijät

Ilmasto, vesi, kaasut, pöly, lämpö, aika, kemikaalit, eliöt ja auringon säteily

Herkkyys korrodoiville vaikutuksille

Ongelmien ratkaisukeinot

- Olosuhteisiin vaikuttaminen - Rakenteelliset ratkaisut tuotteessa - Suojaustekniikan hyväksikäyttö - Materiaalivalinnat

Toimintahäiriöitä, vikoja ja pintavirheitä tuotteessa

Ongelmien tunnistaminen

Kuva 1.2. Korroosio-ongelman ilmenemisen ja hallitsemisen perusosat.

Ilmastolliset vaikutukset (kuva 1.2) aikaansaavat epäpuhtauksien ja veden kerty-misen pinnoille. Myös lämpö ja auringonvalo rappeuttavat tuotteita ja edistävät korroosion ja muiden haittavaikutusten etenemistä.

Vesi, pöly, kaasut ja orgaaniset yhdisteet aikaansaavat vuotovirtoja, oikosulkuja ja mekaanisia muutoksia. Kontaminaatiosta ja korroosiosta johtuva vuotovirtojen lisääntyminen voi aiheuttaa esim. ylikuulumista tai satunnaisia “pehmeitä” vikoja muistin osoituksessa [Comizzoli et al. 1992 ja 1999]. Korroosion vaikutukset ovat joskus verrattavissa avaruuden hiukkassäteilystä aiheutuviin pehmeisiin vi-koihin, jotka esiintyvät satunnaisesti ja aiheuttavat joko tilapäisiä tai pysyviä toi-mintahäiriöitä laitteisiin.

Korroosion vaikutukset voivat olla hyvin radikaaleja ja nopeita tavallisissakin ympäristöolosuhteissa. Korroosio näkyy tuotteen toimintakyvyn menetyksenä ja rumana ulkonäkönä jopa muutaman viikon kuluttua käyttöönotosta taikka viikon kestäneen kuljetuksen jälkeen, jos tuote altistuu vedelle ja korrodoiville aineille.

Vaikeimmissakin olosuhteissa ongelmiin on mahdollista löytää toimiva ratkaisu, koska ongelmien syyt ovat yleensä selvitettävissä. Lievähköissä olosuhteissa esiintyviin ongelmiin on usein vaikeampi saada otetta, koska vikojen haitallisuu-teen vaikuttaa hyvin paljon laithaitallisuu-teen sähköinen ja mekaaninen suunnittelu. Jos laite on suunniteltu huonosti, ts. siinä on vikamekanismeja (vuotovirrat, sarjaresistans-sit, EMC-ongelmat), jotka tekevät sen herkäksi toimintahäiriöille, voi hyvinkin vähäinen korrodoituminen, jota on vaikea paikantaa, aiheuttaa lisää ongelmia.

Toisaalta laitteen mekaaninen konstruktio voi olla sellainen, että se edistää kor-roosiota, esim. veden kertyminen laitteen liitospintoihin tai sisäosiin, mekaanis-ten resonanssien aiheuttama alttius hiertymiselle (fretting) ja liian runsaan puh-distamattoman jäähdytysilman puhaltaminen elektroniikkaosiin.

Elektroniikassa on tavallista kontaminoitumisen ja korroosion vaivihkainen ete-neminen, mikä näkyy ajoittain esiintyvinä toimintahäiriöinä ja pintakäsittelyn pieninä, mutta kiusallisina virheinä. Kontaktiresistanssit ja vuotovirrat kasvavat aiheuttaen erilaisia häiriöitä. Tämä on laitevalmistajalle erityisen kiusallista, koska vikojen todellinen syy jää usein selvittämättä ja asiakkaiden vialliseksi ilmoitta-missa tuotteissa voi esiintyä huomattava määrä yksilöitä, joista huolto ei löydä mitään “varsinaista vikaa”.

Voidaan jopa väittää että, jos selvittämättömien vikojen osuus on huomattavan suuri, silloin yrityksellä on vakava laatuongelma, joka voi olla esim. korroosio, EMC (sähkömagneettinen yhteensopivuus) tai lämpösuunnittelu taikka nämä kolme yhdessä, kuten käytännössä usein onkin.

Tässä käsitellään korroosiota ja ilmastollisia vaikutuksia elektroniikassa laaja-alaisesti tavoitteena tutustuttaa lukija niihin olosuhteisiin ja ilmiöihin, jotka aiheut-tavat korroosiota ja muita rappeutumisilmiöitä elektronisissa tuotteissa.

Kor-roosion ja muiden rappeutumismekanismien torjunnassa voidaan harvoin varmis-taa tuotteen selviäminen käyttöolosuhteissa soveltamalla vain yhtä tai edes muu-tamaa teknistä ratkaisutapaa (kuva 1.3). Jos asioiden keskinäisistä vaikutussuh-teista ei ole tietoa, saattaa suunnittelija ratkaista osaongelman ja tietämättään synnyttää saman tien muutamia uusia ongelmia. Suunnittelijoiden on ymmärret-tävä kohtalainen joukko taustalla olevia ilmiöitä voidakseen valita ne korroosio-ongelmakokonaisuuden ratkaisutavat, joita kussakin yksityiskohdassa on järke-vää käyttää. Lisäksi tuote olisi suunniteltava siten, että se olisi mahdollisimman epäherkkä osien ja komponenttien ominaisuuksien pienille muutoksille.

Kuva 1.3. Korroosionhallinnan riski- ja ongelma-alueet.

Korroosion hallinta ei ole pelkästään tuotteen ominaisuuksien hallintaa (kuva 1.3). Jotta yrityksen taloudellinen tulos, tuotteen laatu ja asiakkaiden tyytyväi-syys tulisivat varmennettua, yrityksen koko toimintalogistiikka ja suunnittelujärjes-telmä on saatava omaksumaan sellaiset toimintatavat ja menesuunnittelujärjes-telmät, joiden avulla ilmastollisia ja korroosio-ongelmia voidaan hallita.

Suunnittelujärjestelmän kyky hallita

korroosioilmiöitä ja ratkaisujen sivuvaikutuksia.

Suunnittelun osa-alueiden saumattoman yhteistyön olemassaolo.

Verkottuvan tuotannon ja suunnittelun riskit, korroosionhallinnan mukanaolo sopimuksissa.

Riskialttiiden kuljetusten minimointi ja kuljetussuojauksen hallinta.

Korroosioilmiöiden monimutkaisuus ja vaikutusten vaihtelevuus.

Ilmastollisten vaikutusten laaja-alaisuus ja monimutkaiset vuorovaikutussuhteet.

Korroosionestotekniikoiden laatu ja käyttötapa.

Yrityksen oma

toimintatapa Luonnon ilmiöiden

ymmärtäminen

Korroosion torjunta itsessään on poikkitieteellistä toimintaa, mutta sen torjunnassa ja vaikutusten minimoinnissa on oleellista, että suunnittelutyössä saadaan sekä lo-gistiikan, sähköisen toiminnan, EMC:n, mekaniikan, lämpösuunnittelun, kompo-nenttien että ergonomian suunnittelijat ja toteuttajat toimimaan yhdessä siten, että saavutetaan kokonaisuuden kannalta toimiva ja taloudellisesti edullinen ratkaisu.

Käytännössä tilanteissa, joissa korroosion taustoja ja vaikutuksia ei ole otettu riit-tävästi huomioon, saatetaan ongelmien selvittämisen tuloksena joutua arvioimaan uudelleen sekä yrityksen logistiikka että tuotteiden koko rakenne ja suunnittelutapa sen lisäksi, että materiaalit ja komponentit saattavat mennä uusiksi.

Erityisen suuri merkitys korroosion haittojen torjunnassa on sopimisella verkot-tuneessa tuotanto- ja suunnitteluprosessissa, miten erilaiset korroosion hallintaan liittyvät asiat hoidetaan. Ongelmaa ei voida sysätä pelkästään alihankkijoiden vastuulle, vaikka näillä esim. osien pinnoittajina on erittäin tärkeä rooli, vaan koko logistiikkaketjun on osallistuttava tuotteen korroosionhallintaan tekemällä aina kussakin tuotanto- ja kuljetusvaiheessa oikeat toimenpiteet.

Jokainen kuljetusvaihe lisää tuotteiden käsittelyä ja altistaa sen hallitsemattomille ilmastollisille ja mekaanisille rasituksille. Kovin pilkkoutuneessa tuotannossa kuljetukset eri tehdasyksiköiden välillä voivat olla hyvin runsaat. Kaikissa kulje-tuksissa osat olisi suojattava ympäristörasituksilta, jotteivat osat vikaantuisi me-kaanisesti, korrodoituisi ja kontaminoituisi näiden kuljetusten ja välivarastointien yhteydessä. Sama koskee luonnollisesti valmiita tuotteita.

Tuotteen ja tuotannon suunnittelu ei saa olla vain palikkaleikkiä, jossa palikoita jär-jestellään sujuvan kokoonpanon kannalta, mutta palikoiden fyysinen olemus ja herkkyys erilaisille ympäristörasituksille jää huomiotta. Erityisesti olisi varmistetta-va ettei suojaamattomia kuljetuksia järjestetä sellaisiin osaprosessien väleihin, joissa osat ovat erityisen herkkiä vaurioitumaan tai kontaminoitumaan. Suunnitteluun on saatava tietämys niistä fysikaalisista ja kemiallisista vaikutuksista, jotka viime kä-dessä ratkaisevat toimiiko tuote ja onko se myytävissä asiakkaalle pitkällä tähtäyk-sellä.