Korroosio ja ilmastolliset vaikutukset elektroniikassa

Transkriptio

1 ESPOO 2007 Publikationen distribueras av This publication is available from VTT PL VTT Puh Faksi VTT PB VTT Tel Fax VTT P.O. Box 1000 FI VTT, Finland Phone internat Fax ISBN (soft back ed.) ISSN (soft back ed.) ISBN (URL: ISSN (URL: Korroosio ja ilmastolliset vaikutukset elektroniikassa Julkaisu on saatavana VTT PUBLICATIONS 623 Korroosio ja ilmastolliset vaikutukset elektroniikassa -julkaisu on tarkoitettu elektroniikkasuunnittelun ja sen laadunvarmistuksen apuvälineeksi. Siinä esitetään, minkälaisia ongelmia korroosio ja ilmastolliset rasitukset aiheuttavat elektroniikkalaitteille, mitä korroosio on ja kuinka korroosiota voidaan hallita yritystoiminnassa. Korroosion hallinta on tässä kytketty osaksi yrityksen laatujärjestelmää, johon liittyen on suunniteltu yleispätevä katselmointimenettely, jonka avulla voidaan löytää korroosioon vaikuttavat osaset yrityksen omassa toiminnassa ja tuotteen käytössä asiakkaan ympäristössä. Korroosion hallintaan kuuluu ympäristörasitusten, kuten lämmön, kosteuden ja ilman epäpuhtauksien sekä ihmisten ja eliöiden toiminnan, aiheuttamien korroosioriskien ja ilmiöiden tunteminen sekä näiden korroosiota aiheuttavien vaikutusten torjuntakeinojen osaaminen. Julkaisu opastaa käyttäjäänsä löytämään ne keinot, joiden avulla tietynlaiset korroosioongelmat ovat hoidettavissa, ja opastaa myös kehittämään yrityksen suunnittelumenetelmiä siten, että korroosio ja ilmastolliset vaikutukset osataan ottaa huomioon riittävän kattavasti koko toiminnassa. Hanke oli osa Tekesin Teknologian ja innovaatioiden kehittämiskeskuksen tutkimusohjelmaa Elektroniikka tietoyhteiskunnan palveluksessa ETX, jossa se liittyi aihealueeseen Prosessien hallinta ja siinä Elektroniikkajärjestelmien kokonaisluotettavuuteen. Hanke toteutettiin VTT:ssä yhteistyössä ABB Industry Oy:n Teknologiaosaston, Benefon Oyj:n, Efore Muuntolaite Oy:n, KONE Oyj:n, Nokia Matkapuhelimet Oy:n ja Tampereen teknillisen korkeakoulun Mikroelektroniikan kanssa. VTT PUBLICATIONS Risto Hienonen & Reima Lahtinen Korroosio ja ilmastolliset vaikutukset elektroniikassa

2

3 VTT PUBLICATIONS 623 Korroosio ja ilmastolliset vaikutukset elektroniikassa Risto Hienonen & Reima Lahtinen 3

4 ISBN (nid.) ISSN (nid.) ISBN (URL: ISSN (URL: Copyright VTT 2007 JULKAISIJA UTGIVARE PUBLISHER VTT, Vuorimiehentie 3, PL 1000, VTT puh. vaihde , faksi VTT, Bergsmansvägen 3, PB 1000, VTT tel. växel , fax VTT Technical Research Centre of Finland, Vuorimiehentie 3, P.O. Box 1000, FI VTT, Finland phone internat , fax VTT, Otakaari 7 B, PL 1000, VTT puh. vaihde , faksi VTT, Otsvängen 7 B, PB 1000, VTT tel. växel , fax VTT Technical Research Centre of Finland, Otakaari 7 B, P.O. Box 1000, FI VTT, Finland phone internat , fax Kansikuva: Suola ryömii helposti pitkin pintoja absorboiden vettä myös ilmasta. Kuvan viinilasiin on laitettu puolilleen 10 % suolaliuosta kaksi viikkoa ennen kuvan ottohetkeä. Suola nousi sisäpintaa pitkin reunalle noin kahdeksassa päivässä ja on jatkanut matkaansa lasin reunojen ylitse (ks. kohta 3.1 Ilmastollinen korroosio ja sen aikajänne, s ). Edita Prima Oy, Helsinki

5 Hienonen, Risto & Lahtinen, Reima. Korroosio ja ilmastolliset vaikutukset elektroniikassa [Corrosion and climatic effects in electronics]. Espoo VTT Publications s. + liitt. 172 s. Avainsanat corrosion, electronics, electronic equipment, design, verification, atmosphere, climate, moisture, humidity, pollution, quality, quality control, temperature, corrosive gas, measurement, tests, environmental tests, Finland Tiivistelmä Elektroniikan korroosion hallinnasta ja erilaisten suojaustapojen tuntemisesta on tullut yksi tärkeistä suunnittelun osa-alueista, koska elektroniikkaa käytetään yhä enemmän integroituna erilaisiin laitteisiin olosuhteissa, joiden korrosiivisuus on suuri. Toisaalta elektroniikan pakkaustiheyden kasvaminen on tehnyt elektroniikan herkäksi ympäristön korrodoiville vaikutuksille myös lievemmissä olosuhteissa. Projektissa kartoitettiin niitä vaikutusmekanismeja, joilla ilmasto ja muut ympäristötekijät, laitteiden käyttötapa ja rakenne sekä valmistusprosessi vaikuttavat elektroniikan korrodoitumiseen ja vikaantumiseen. Näiden ongelmien ratkaisemiseen kehitettiin menettely, jonka avulla sekä kokenut että aloitteleva suunnittelija voivat tarkistaa käyttämänsä korroosiontorjuntatekniikan kelvollisuuden sekä osaavat ennakoida mahdollisia korroosio-ongelmia laitteen rakenteessa ja osaavat myös löytää uusia lähestymistapoja ratkaista niitä. Julkaisussa esitetään myös käyttöolosuhteiden korrosiivisuuden arviointimenettely. Lisäksi kuvataan erilaisia korroosiotyyppejä ja suojautumista niitä vastaan, korroosion analyysi- ja mittausmenetelmiä sekä korroosioalttiuden tutkimisessa ja laadunvarmistuksessa käytettäviä testausmenetelmiä. Julkaisuun sisältyvät laajahkot luettelot korroosiota ja ilmastollisia vaikutuksia koskevista standardeista ja kirjallisuudesta. Tämä julkaisu on saatavissa sekä suomen- että englanninkielisenä (VTT Publications 626, 3

6 Hienonen, Risto & Lahtinen, Reima. Korroosio ja ilmastolliset vaikutukset elektroniikassa [Corrosion and climatic effects in electronics]. Espoo VTT Publications p. + app. 172 p. Keywords corrosion, electronics, electronic equipment, design, verification, atmosphere, climate, moisture, humidity, pollution, quality, quality control, temperature, corrosive gas, measurement, tests, environmental tests, Finland Abstract Corrosion control in electronics and know-how concerning various protection methods have become an important field of design since electronics is increasingly used as integrated into different devices in highly corrosive conditions. On the other hand, the increase of the packaging density of electronics has resulted in electronics that is sensitive to the corrosive effects of the environment even in milder conditions. The project charted the mechanisms through which the climate, other environmental factors, the way of use of the device and its structure as well as the manufacturing process affect the corroding and faults of the electronics. A method was developed for solving these problems by which both the experienced and the beginning designer can check the feasibility of the applied corrosion protection technique and foresee possible corrosion problems in the structure of the device as well as find new approaches for solving them. The report also presents an evaluation method for the corrosive effect of the usage environment. In addition, various types of corrosion and protection against them are described, corrosion analysis and measurement methods introduced and testing methods used for quality assurance regarding corrosion discussed. Comprehensive lists of standards and literature concerning corrosion and climatic effects are appended to the report. This report is available in Finnish and in English. (VTT Publications 626, 4

7 Alkusanat Projektin tavoitteena oli kuvata ilmastollisen korroosion, laitteiden rakenteen ja käyttötavan vaikutusta tuotteiden korroosio-alttiuteen sekä kehittää korroosioongelmien ratkaisemiseen menettely, jonka avulla sekä kokenut että aloitteleva suunnittelija voivat tarkistaa käyttämänsä korroosiontorjuntatekniikan oikeellisuuden ja löytää myös uusia lähestymistapoja ratkaista kulloinenkin käytännön ongelma. Kokemusten hankkimiseksi kehitetystä katselmointimenettelystä katselmoitiin jokaisessa osallistuvassa teollisuusyrityksessä tietty tuoteperhe ja sen tuotantoprosessi. Koska korroosio ilmiönä on aina monimutkainen yhdistelmä ympäristön, materiaalien ja laitteen käyttötavan aiheuttamista tilanteista, tarvitaan ympäristön korrosiivisuuden ja laitteen korroosioalttiuden selvittämisessä kehittynyttä mittaus- ja testaustekniikkaa. Tämän vuoksi koottiin myös tietoa siitä, millaisilla mittauksilla, analyysimenetelmillä ja testeillä voidaan selvittää korroosioon liittyviä ongelmia ja varmistaa tuotteen riittävä laatutaso. Hanke toteutettiin nimellä Korroosio ja ilmastolliset vaikutukset elektroniikassa osana Teknologian kehittämiskeskuksen, Tekesin, tutkimusohjelmaa ETX Elektroniikka tietoyhteiskunnan palveluksessa, joka käynnistyi vuonna Tätä hanketta ovat rahoittaneet Tekes, VTT, ABB Industry Oy:n Teknologiaosasto, Benefon Oyj, Efore Oyj Muuntolaite, KONE Oyj sekä Nokia Matkapuhelimet Oy. Hanke toteutettiin VTT:ssä yhteistyössä em. yritysten ja Tampereen teknillisen korkeakoulun Mikroelektroniikan kanssa. Hankkeen johtoryhmässä ovat olleet: Jarmo Ruohonen Jyrki Rönkä Pia Tanskanen Martti Huolila Jari Rautiainen Seppo Salo Seppo Suur-Askola Ari Nieminen Eero Ristolainen Risto Hienonen Reima Lahtinen Nokia Matkapuhelimet Oy, puheenjohtaja ABB Industry Oyj, Teknologiaosasto ABB Industry Oyj, Teknologiaosasto Benefon Oyj Benefon Oyj Efore Oyj Muuntolaite KONE Oyj KONE Oyj Tampereen teknillinen korkeakoulu, Mikroelektroniikka VTT VTT 5

8 Hankkeen käytännön toteutuksesta ja julkaisun sekä siinä olevien kuvien laadinnasta vastasi projektipäällikkönä ja tekijänä dipl.ins. Risto Hienonen VTT:stä. Dipl.ins. Reima Lahtinen VTT:stä kirjoitti ja on koonnut aineistoa erityisesti materiaaleista, metallien korroosiosta, pinnoitteista, vikamekanismeista ja sanastosta. Hän osallistui myös kaikkiin katselmointeihin eri yrityksissä. Dipl.ins. Antti Turtola VTT:stä kirjoitti kohdat 6.6 ja 6.7 ja tekn. lis. Helge Palmén avusti VCImateriaaleja koskevan aineiston kokoamisessa. Insinööri Jukka Vahter teki projektin toimeksiantona opinnäytetyön diplomiinsinööritutkintoa varten aiheena Elektroniikkatuotteiden korroosioherkkyyden määrittäminen Tampereen teknillisen korkeakoulun Materiaalitekniikan osastolla. Tutkimuksen johtoryhmän ja omasta puolestani kiitän kaikkia hankkeeseen osallistuneita ja katselmuksissa sekä tiedonhankinnassa auttaneita yrityksiä ja henkilöitä sekä rahoittajia heidän tuestaan hankkeelle. Kiitän professori Tero Hakkaraista ja muita julkaisun sisällön tarkastaneita henkilöitä heidän arvokkaista korjausehdotuksistaan. Espoossa Risto Hienonen projektipäällikkö Toisen painoksen alkusanat Tämän julkaisun toiseen painokseen on täydennetty lähdeaineistoa, lisätty muutama vikamekanismikuvaus, päivitetty standardeja koskevat tiedot sekä korjattu ensimmäisessä painoksessa havaitut virheet. Espoossa Risto Hienonen projektipäällikkö Yhteystiedot: puhelin faksi VTT PL VTT 6

9 Sisältö Tiivistelmä...3 Abstract...4 Alkusanat...5 Toisen painoksen alkusanat Korroosio elektroniikassa Korroosion ilmeneminen ja merkitys Elektroniikkaa korrodoivat olosuhteet Korroosion merkitys Korroosion hallintastrategia Riskialttiiden kohteiden tunnistaminen tuotteessa Suunnittelu, valmistus ja kenttäpalaute Korroosion hallitsemismahdollisuudet Analyyttinen lähestymistapa Olosuhteiden tunteminen Tuotteen vikaherkkyys ja käyttötapa Korroosiomekanismien tuntemus Testaus ja kenttäpalaute Korroosionestotekniikat Alihankinnat, logistiikka ja kenttäpalaute Korroosio ja kosteus elektroniikassa Ilmastollinen korroosio ja sen aikajänne Kosteuden vaikutus elektroniikassa Vesi ja kemikaalit Materiaalien ja komponenttien omat päästöt Ulkoiset liitokset ja käyttökytkimet Kotelo- ja runkorakenteet Tuotteen korroosionsietoisuuden määrittely Korroosionsietoisuus Elinkaaren pituuden vaikutus Tuotteen herkkyys muutoksille Olosuhteiden korrosiivisuus Korroosioriskin suuruusluokka Suojaavat toimenpiteet

10 4.7 Vikojen luokittelu Korroosionsietoisuuden kokonaistaso Korroosion hallintametodiikka Korroosionsiedon verifiointi ja liittäminen tuotekehitykseen Käyttöolosuhteiden korrosiivisuus Tuotanto- ja asennusolosuhteet Kuljetus ja varastointi Ulkoinen suojaustekniikka, lähiolosuhteisiin vaikuttaminen Komponentit, johdotukset ja liitokset Maalit, muovit ja ilmastolliset vaikutukset Suojauskeinojen haittavaikutukset Tuotteen spesifikaatio korroosion kannalta Korroosiotestien käyttökelpoisuus Analyysimenetelmien käyttäminen Olosuhdeseuranta Korroosionsiedon parantaminen tuotteessa Mikroilmastoon vaikuttaminen Sijoituspaikan valitseminen Kotelon tiiviyden valinta Kotelon suojausluokitus, IP-koodi Piirilevy Komponenttilevyn valmistus Komponenttilevyn valmistuksen puhtaus Liittimet Kotelomateriaalit Metallien pinnoitusmenetelmät EMC- ja muut tiivisteet Johtavat muovit Palonestoaineet Korroosioinhibiittoreiden käyttö Kaasuabsorbentit Kosteuden poisto kuljetuspakkauksista Sovellusesimerkit Katselmointikohteet Hissielektroniikka Taajuusmuuttaja Teholähde Matkapuhelin

11 Kirjallisuusviitteet Lähteet Jukka Vahterin opinnäytetyöhön liittyviä lähteitä IVF-julkaisuja Ympäristöolosuhdestandardit Luotettavuus- ja korrosiivisuusstandardit Korroosio- ja kosteussuojaus- sekä materiaalistandardit Veden absorptio, höyryn ja kaasujen läpäisevyys Kuljetuspakkausstandardeja Testausmenetelmästandardit Liite 1 Korroosion perusteita ja vikamekanismit Korroosio, vesi ja kosteus Korroosiotyypit ja vikamekanismit Vesiliuokset ja pintajännitys Metallipintojen ilmiöitä Korroosion kulkuun vaikuttavia tekijöitä Pintojen kontaminaatio ja ilman epäpuhtaudet...81 Liitteen 1 kirjallisuusviitteet...84 Liite 2 Ilman laatuvaatimukset Liite 3 Korroosionhallinnan katselmointimenettely Korroosion hallinta elektroniikkayrityksessä Korroosionsiedon verifiointiprosessi Katselmoinnin tekniset osa-alueet Elektroniikan katselmointimenettely...15 Liite 4 Korroosiosanasto Hakemisto 9

12 10

13 1. Korroosio elektroniikassa Elektroniikan korroosion hallinnasta ja erilaisten suojaustapojen tuntemisesta on tullut yksi tärkeistä suunnittelun osa-alueista, joilla varmistetaan tuotteen luotettavuus ja kilpailukyky vaativilla markkinoilla. Elektroniikkaa käytetään yhä enemmän integroituna erilaisiin koneisiin ja sitä käytetään myös sellaisenaan ulkoolosuhteissa, joiden korrosiivisuus on suuri. Toisaalta elektroniikan pakkaustiheys on noussut niin suureksi kaikilla tärkeillä tuotealueilla, matkapuhelimissa, tietoliikennelaitteissa, tietokoneissa, automaatiossa ja tehoelektroniikassa, että se väistämättä tekee elektroniikan herkäksi ympäristön korrodoiville vaikutuksille myös suhteellisen lievissä olosuhteissa. Tässä julkaisussa on ollut tavoitteena kartoittaa ja esitellä niitä vaikutusmekanismeja, joilla ilmasto ja muut ympäristötekijät, käyttäjät, laitteiden käyttötapa ja rakenne sekä valmistusprosessi vaikuttavat elektroniikan korrodoitumiseen ja vikaantumiseen. Toinen päätavoite on ollut kehittää näiden ongelmien ratkaisemiseen menettely (kohta 5 Korroosion hallintametodiikka ja liite 3 Katselmointimenettely), jonka avulla sekä kokenut että aloitteleva suunnittelija voivat tarkistaa käyttämänsä korroosiontorjuntatekniikan kelvollisuuden. Esitetyt menettelyt auttavat myös ennakoimaan mahdollisia korroosio-ongelmia uuden laitteen rakenteessa ja helpottavat uusien ongelmanratkaisutapojen löytämistä. Tässä julkaisussa esitetään myös käyttöolosuhteiden korrosiivisuuden arviointimenettely. Lisäksi kuvataan erilaisia korroosiotyyppejä (liite 1 Korroosion perusteita ja vikamekanismit) ja suojautumista niitä vastaan, korroosion analyysi- ja mittausmenetelmiä sekä korroosioalttiuden tutkimisessa ja laadunvarmistuksessa käytettäviä testausmenetelmiä. Julkaisun liitteisiin sisältyvät laajahkot luettelot korroosiota ja ilmastollisia vaikutuksia koskevista standardeista ja kirjallisuudesta. Tätä julkaisua täydentävää tietoa, jonka avulla saa nopeasti tuntuman ilmastolliseen korroosioon elektroniikassa, on teoksissa: [Henriksen et al. 1991] Corrosion of electronics. Korrosionsinstitutet [Leygraf & Graedel 2000] Atmospheric Corrosion. Wiley-Interscience. Laaja-alaisen yleiskuvan korroosiosta saa näistä: [Roberge 2000] Handbook of Corrosion Engineering [Roberge 2006] Corrosion Basics: An Introduction, 2 nd Edition. 11

14 1.1 Korroosion ilmeneminen ja merkitys Elektroniikan pakkaustiheyden jatkuva kasvaminen synnyttää lisääntyvässä määrin haitallisia häiriöitä laitteisiin. Tuotteet ovat yhä herkempiä kosteuden ja korroosion haittavaikutuksille. Elektroniikassa korroosio ja ilmastolliset vaikutukset kasvattavat liitosten kontaktiresistansseja ja johdinten välisiä vuotovirtoja sekä rappeuttavat materiaaleja, mitkä näkyvät erilaisina toiminnallisina vikoina, sähkömagneettisen 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 korroosioalue komponentissa voi estää laitteen normaalin toiminnan, kun taas suurissa teräsrakenteissa ei edes millimetrien kokoinen korroosioalue aiheuta ongelmia [Ishikawa & Ozaki 1999]. Kontaktiresistanssien kasvaminen Materiaalien rappeutuminen Vuotovirrat ja oikosulut Mekaaninen vaurioituminen EMC-suojauksen vuotaminen 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 eivät vaadi korkeata lämpötilaa, tavallisimmat korroosiohaitat esiintyvät lämpötiloissa C. Pakkasessa korroosiota ei yleensä tapahdu tai se on hyvin hidasta (esim. suolaliuos on nesteenä muutamassa pakkasasteessakin, jolloin korroosio jatkuu), mutta korkeissa lämpötiloissa > 55 C korroosioreaktiot kiihtyvät kuivissakin käyttöolosuhteissa johtaen materiaalien rappeutumiseen. Pelkistäen 12

15 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 Toimintahäiriöitä, vikoja ja pintavirheitä tuotteessa Ongelmien tunnistaminen Ongelmien ratkaisukeinot - Olosuhteisiin vaikuttaminen - Rakenteelliset ratkaisut tuotteessa - Suojaustekniikan hyväksikäyttö - Materiaalivalinnat Kuva 1.2. Korroosio-ongelman ilmenemisen ja hallitsemisen perusosat. Ilmastolliset vaikutukset (kuva 1.2) aikaansaavat epäpuhtauksien ja veden kertymisen pinnoille. Myös lämpö ja auringonvalo rappeuttavat tuotteita ja edistävät korroosion ja muiden haittavaikutusten etenemistä. 13

16 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 ja 1999]. Korroosion vaikutukset ovat joskus verrattavissa avaruuden hiukkassäteilystä aiheutuviin pehmeisiin vikoihin, jotka esiintyvät satunnaisesti ja aiheuttavat joko tilapäisiä tai pysyviä toimintahäiriöitä 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 haitallisuuteen vaikuttaa hyvin paljon laitteen sähköinen ja mekaaninen suunnittelu. Jos laite on suunniteltu huonosti, ts. siinä on vikamekanismeja (vuotovirrat, sarjaresistanssit, 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 korroosiota, esim. veden kertyminen laitteen liitospintoihin tai sisäosiin, mekaanisten resonanssien aiheuttama alttius hiertymiselle (fretting) ja liian runsaan puhdistamattoman jäähdytysilman puhaltaminen elektroniikkaosiin. Elektroniikassa on tavallista kontaminoitumisen ja korroosion vaivihkainen eteneminen, 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 ilmoittamissa 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 laajaalaisesti tavoitteena tutustuttaa lukija niihin olosuhteisiin ja ilmiöihin, jotka aiheuttavat korroosiota ja muita rappeutumisilmiöitä elektronisissa tuotteissa. Kor- 14

17 roosion ja muiden rappeutumismekanismien torjunnassa voidaan harvoin varmistaa tuotteen selviäminen käyttöolosuhteissa soveltamalla vain yhtä tai edes muutamaa teknistä ratkaisutapaa (kuva 1.3). Jos asioiden keskinäisistä vaikutussuhteista ei ole tietoa, saattaa suunnittelija ratkaista osaongelman ja tietämättään synnyttää saman tien muutamia uusia ongelmia. Suunnittelijoiden on ymmärrettävä kohtalainen joukko taustalla olevia ilmiöitä voidakseen valita ne korroosioongelmakokonaisuuden ratkaisutavat, joita kussakin yksityiskohdassa on järkevää käyttää. Lisäksi tuote olisi suunniteltava siten, että se olisi mahdollisimman epäherkkä osien ja komponenttien ominaisuuksien pienille muutoksille. Luonnon ilmiöiden ymmärtäminen Korroosioilmiöiden monimutkaisuus ja vaikutusten vaihtelevuus. Ilmastollisten vaikutusten laaja-alaisuus ja monimutkaiset vuorovaikutussuhteet. Korroosionestotekniikoiden laatu ja käyttötapa. Yrityksen oma toimintatapa 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. 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 tyytyväisyys tulisivat varmennettua, yrityksen koko toimintalogistiikka ja suunnittelujärjestelmä on saatava omaksumaan sellaiset toimintatavat ja menetelmät, joiden avulla ilmastollisia ja korroosio-ongelmia voidaan hallita. 15

18 Korroosion torjunta itsessään on poikkitieteellistä toimintaa, mutta sen torjunnassa ja vaikutusten minimoinnissa on oleellista, että suunnittelutyössä saadaan sekä logistiikan, sähköisen toiminnan, EMC:n, mekaniikan, lämpösuunnittelun, komponenttien 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 riittävästi 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 verkottuneessa 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 kuljetuksissa osat olisi suojattava ympäristörasituksilta, jotteivat osat vikaantuisi mekaanisesti, korrodoituisi ja kontaminoituisi näiden kuljetusten ja välivarastointien yhteydessä. Sama koskee luonnollisesti valmiita tuotteita. Tuotteen ja tuotannon suunnittelu ei saa olla vain palikkaleikkiä, jossa palikoita järjestellään sujuvan kokoonpanon kannalta, mutta palikoiden fyysinen olemus ja herkkyys erilaisille ympäristörasituksille jää huomiotta. Erityisesti olisi varmistettava 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 kädessä ratkaisevat toimiiko tuote ja onko se myytävissä asiakkaalle pitkällä tähtäyksellä. 1.2 Elektroniikkaa korrodoivat olosuhteet Elektroniikkalaitteiden korroosio- ja kontaminaatiouhkan kannalta kriittisimmille olosuhteille on ominaista kastuminen ilmasta tiivistyvän tai tippuvan veden vuoksi. Mikäli laitteen välitön ympäristö on suhteellisen pölytön ja kuiva, ilman suhteellinen kosteus on alle 40 %, eikä tippuvaa vettä ole, valtaosa korroosio-ongelmista 16

19 alle 40 C lämpötiloissa jää pois tai korroosio muuttuu niin hitaaksi ettei se ennätä vaikuttaa tuotteen elinjakson aikana kovinkaan paljoa. Todellisuudessa tällaiset olosuhteet ovat ylläpidettävissä vain ilmastoiduissa sisätiloissa. Ulkona tällaisten olosuhteiden saavuttaminen on melko vaikeaa, mitä kuvastaa kuvan 1.4 säätilasto. Lämpötila ( C) Kosteusalue Suhteellinen kosteus RH (%) 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % Lämpötila Tam Hel Maa Huh Tou Kes Hei Elo Syy Lok Mar Jou 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Kuva 1.4. Lauhkeiden ja kylmien alueiden sääkeskiarvot eri vuodenaikoina (Keski- Eurooppa, Kanada ja Yhdysvaltojen pohjoisosa) [Gellerstedt 1995, STANAG 1980]. Kuva 1.4 esittää vallitsevaa lämpötilan ja suhteellisen kosteuden keskiarvojen jakautumista kalenterivuoden aikana lauhkeilla ja kylmillä ilmastoalueilla. Korroosioriskin kannalta erittäin merkittävää on havaita, että ulkoilman suhteellinen kosteus on aina yli 60 %. Vain toukokuusta elokuun loppuun esiintyy jaksoja, jolloin kosteus on keskimäärin edes alle 80 % ulkona. Trooppisilla alueilla ja meren läheisyydessä kosteudet ovat näitäkin korkeammalla tasolla (ks. liite 1 kohta 1.7 Ilman suhteellinen kosteus). Kohdassa Ympäristöolosuhdestandardit on esitetty IEC:ssä standardisoidut lämpötila- ja kosteusluokat, joita suositellaan käytettäväksi, kun määritellään laitteiden ja komponenttien ympäristöluokkia [IEC , IEC ]. Jälkimmäinen standardi luokittelee nimenomaan laitteiden sisäosissa (mikroilmastossa) vallitsevat lämpötilat ja suhteelliset kosteudet. Siinä mikroilmasto määritellään paikkana, johon komponentit on asennettu tuotteessa. Mikroilmaston kuvauksessa vain lämpötila ja kosteus on otettu huomioon. 17

20 Kuvassa 1.5 on lueteltu korroosioriskiä lisäävät olosuhteet. Ilman virtausnopeus, lämpötilan muutosnopeus sekä suhteellisen kosteuden muutosnopeus vaikuttavat osaltaan pintojen korroosio- ja kontaminoitumisnopeuteen. Laitesuunnittelija voi päätöksillään vaikuttaa myös näihin, paras tilannehan olisi korroosion kannalta, että nämä muutosnopeudet olisivat mahdollisimman hitaat ja absoluuttiset tasot mahdollisimman alhaiset. Korkea lämpötila, lämpötilan vaihtelu ja sen nopeus Mekaaninen tärinä, jännitys ja lämpöliike Ilman kosteus ja kastuminen veden tiivistyessä tai valuessa Elektroniikan korrodoituminen Ilman kaasut, suolat ja pölyt, virtausnopeus Auringon säteily Sähköinen rasitus, virta ja jännite Eläinsuojien päästöt Ihmisen eritteet ja muut kemikaalit Teollisuuden ja voimalaitosten päästöt Mikrobit, eliöt Kuva 1.5. Korroosioriskiä lisäävät olosuhteet. Vapaassa ulkoilmassa ilman epäpuhtauksien ja veden ohella huomattava lisäys korroosioriskiin tulee auringon säteilystä, mikä rappeuttaa kaikkia sille altistuvia materiaaleja. Auringon säteilyn suora haittavaikutus muovimateriaaleihin ja maalipintoihin on hyvin suuri verrattuna metallipinnoille kohdistuviin haittoihin. Ilmassa olevat kaasumaiset ja ioniset aineet sekä pöly ovat levinneet pääosin suhteellisen tasaisesti kaikkialle kaupunkimaisissa ympäristöissä. Vain hyvin suurten liikennevirtojen ja teollisuuslaitosten sekä voimaloiden läheisyydessä esiintyy huomattavasti keskiarvoja suurempia pitoisuuksia, jotka nostavat korroosioriskiä tavanomaisesta. Näin ollen korroosio- ja kontaminaatioriskit ovat yleisesti kohtalaisen tasaisesti levinneitä kaikkialle. Luonnon omat päästöt aiheuttavat usein suuren korroosioriskin. Näistä riskin aiheuttajista yleisin lienee merivedestä peräisin oleva suola (kloridit), joka leviää ilman kautta jopa 50 km etäisyydelle rannikoista. Toisaalta jo 250 m etäisyydellä meren rannasta ilman kloridipitoisuus voi olla vain kymmenesosa meren välittö- 18