234 ELEKTRONIIKAN KOMPONENTTIEN VIKATAAJUUS
Tässä raportissa on esitetty kahdessa yrityksessä vuosien 1993-1995 välisenä aikana koottujen käyttökokemustietojen perusteella lasketut elektroniikan komponenttien vikataajuustiedot. Laitteet sijaitsevat sekä ulko- että sisäasennuskohteissa pohjois- maissa, muualla Euroopassa ja kaukoidässä ja ne kattavat useita tuoteperheitä. Vertailuna on esitetty myös MIL-HDBK-217 F-mallin avulla arvioidut vikataajuudet. Verrattaessa vikataajuuksia keskenään havaitaan, että MIL-HDBK-217 F-mallin avulla lasketut vikataajuudet ovat pääsääntöisesti useita dekadeja suurempia.
Ko. yrityksissä tiedoista on pyritty karsimaan ulkoisiin tekijöihin, suunnitteluvirheisiin, virheelliseen käsittelyyn, laitevalmistuksen virheisiin tai huonoihin komponenttieriin liittyvät viat.
KOTELin työryhmän ”Luotettavuustekniikka” tavoitteena on myös määrävälein päivittää ja ylläpitää raportin tietoja ja mahdollisuuksien mukaan laajentaa niiden yritysten piiriä, joista käyttökokemustietoa on kerätty.
235 ELEKTRONIIKKATUOTTEEN SUUNNITTELUN YMPÄRISTÖNÖÄKÖKOHDAT
Kokonaisvaltaisessa ympäristönäkökohtien huomioimisessa tarkas- tellaan sekä yrityksen toimintaa että tuotetta luonnonvarojen käytön, energian kulutuksen sekä syntyvien päästöjen näkökulmasta. Kun suunnittelija miettii tuotteen ympäristövaikutuksia, olennaisinta on ottaa mahdolliset ympäristötekijät huomioon kaikissa yksittäisissä ratkaisuissa. Ympäristöasioissa edetään askel kerrallaan, ja pienetkin ratkaisut auttavat siihen, että kokonaistulos on ympäristön kannalta parempi. Tietoisuus eri ratkaisujen ympäristövaikutuksista lisääntyy jatkuvasti. Suunnittelijoille on kehitteillä myös erilaisia apu- työkaluja, esim. ohjelmistopaketteja, jotka helpottavat analysoimaan kunkin ratkaisun vaikutusta ympäristöön. Ympäristönäkökohtien huomioiminen tuotesuunnittelussa on voimakkaasti heräämässä, ja vielä on pitkä matka koko elinkaaren aikaisten vaikutusten tunte- miseen. Mutta yksittäisten, pientenkin ympäristömielessä hyvien ratkaisujen tekemiseen jokainen suunnittelija voi vaikuttaa ja viedä tuotekehitystä oikeaan suuntaan.
Komponenttien valinnassa kannattaa suosia uusimmilla teknologioilla valmistettuja komponentteja, sillä uusissa valmistusprosesseissa on ympäristövaikutuksiin kiinnitetty enemmän huomiota. Esimerkiksi puolijohteiden valmistuksessa käytetään lukuisia ympäristölle haital- lisia kemikaaleja, käytetään korkeita lämpötiloja ja runsaasti kaasuja, joko suojaamaan prosessia tai kuljettamaan haluttuja aineita puoli- johteille. Uusimmat valmistusprosessit kuluttavat yleensä vähemmän energiaa ja ovat ympäristöä säästäviä.
Kierrätettävyys on tärkeä näkökohta mekaanisten osien materiaalien valinnassa ja suunnittelussa. Tuote on suunniteltava helposti puretta- vaksi, niin että eri materiaalijakeet on helppo irrottaa toisistaan. Mitä helpommin eri materiaalit voidaan erottaa, ja mitä vähemmän erilaisia materiaaleja rakenne sisältää, sitä helpompi se on kierrättää. Tämä lisää tuotteen arvoa romuna ja pienentää kaatopaikoille joutuvaa osuutta.
Elektroniikan materiaalit joudutaan usein pinnoittamaan haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Pinnoitusprosessit kuluttavat energiaa ja niissä käytetään monia ympäristölle haitallisia kemi- kaaleja. Pinnoittamattomuus olisi ympäristömielessä etu, mutta useimmiten elektroniikan metallien pinnan ominaisuuksien on vuosien aikana pysyttävä muuttumattomina ja siksi pinnoitteita on käytettävä. Tuotteen suunnitteleminen mahdollisimman luotettavaksi ja pitkä- ikäiseksi on järkevää myös ympäristömielessä, vaikka se edel- lyttäisikin erilaisten pinnoitusprosessien käyttöä. Muovin pinnoit- tamista metallilla on vältettävä, sillä se estää muovin kierrättämisen.
Muovirakenteissa on syytä valita sellaisia materiaaleja, joille yleisesti on käytössä kierrätysjärjestelmät. PVC:n käyttöä tulisi välttää, koska sen kierrättäminen on hankalaa. PVC:n joutuminen kaatopaikoille on todennäköistä, ja sen kaatopaikoille viemisestä on jo rajoituksia eri maissa. Halogeenittomien materiaalien käyttö esimerkiksi kaapelien eristemateriaalina on suositeltavaa.
Elektroniikan komponenttien muovikoteloissa, mekaanisten raken- teiden muoviosissa ja piirilevy-materiaaleissa käytetään palonesto- aineita, yleensä orgaanisia bromiyhdisteitä. Useat bromatut palon- estoaineet ovat ympäristölle haitallisia jo sellaisenaan. Vaarallisim- pina ne ovat palaessaan, jolloin syntyy myrkyllisiä kaasuja, dioksiideja ja furaaneja. Vaihtoehtoisia palonestoaineita tutkitaan, ja halogeenit- tomien vaihtoehtojen määrä todennäköisesti pian lisääntyy.
Lyijy on elektroniikan tuotteiden yleisin raskasmetalli. Lyijyakkujen kierrättäminen on jo tehokasta useissa maissa, mutta liitosmate- riaalina se vielä joutuu elektroniikkaromun mukana kaatopaikalle. Lyijyttömiä liitosprosesseja on kehitetty ja niitä tutkitaan jatkuvasti. Juotteiden sisältämien kemikaalien suhteellinen työperäinen myrkyllisyys noudattaa järjestystä Bi
Akut ja paristot ovat perinteisesti sisältäneet runsaasti raskasmetal- leja. Lyijyakkujen keräys on järjestetty hyvin useimmissa maissa ja lyijy kiertää uusien tuotteiden valmistukseen. Akkujen ja paristojen valikoi- missa on jo tarjolla lukuisia vaihtoehtoja, joissa raskasmetalleja ei enää käytetä.
Ympäristöasioita koskevia merkintöjä ovat mm. materiaalimerkinnät, kierrätykseen ja uudelleenkäyttöön opastavat merkinnät sekä ns. ympäristömerkit. Kierrätyksen kannalta oleelliset osat on syytä varustaa merkinnöin, esim. akut, paristot ja kaikki yli 25 g painavat muoviosat. Eri tuoteryhmille on käytössä ympäristömerkintöjä, joiden myöntämisen perusteet on erikseen määritelty.
Pakkaukset kasvattavat merkittävästi jätemääriä. Pakkausten keräys, uudelleenkäyttö ja kierrätys on useissa maissa hyvin järjestetty ja jopa lakisääteistä. Pakkaussuunnittelu tulee aloittaa mahdollisimman aikaisessa vaiheessa osana tuotesuunnittelua. Pakkauksen tärkein tehtävä on suojata tuotetta mekaanista, ilmastollista ja mahdollisesti myös biologista rasitusta vastaan. On hyvä suosia materiaaleja, joilla kierrätys ja keräysjärjestelmä on laajasti käytössä.
Ympäristöasioiden kokonaisvaltainen huomioiminen tuotekehityk- sessä on haastava tehtävä. Tulosten saavuttamiseksi on tärkeää, ettei ympäristöasioita pidetä erillisenä osa-alueena vaan niiden on oltava keskeinen osa uusien tuotteiden suunnittelua. Yksityiskohtaisia ohjeita ympäristön huomioon ottavalle tuotesuunnittelulle ei voida antaa. Asiaa on pohdittava tapauskohtaisesti ja mietittävä kokonais- valtaisesti parasta ratkaisua. Tärkeätä on, että ympäristönäkökohdat ovat mukana tuotesuunnittelussa ja päätöksenteossa yhtenä osate- kijänä muiden joukossa.
KOTEL 236 KIERRÄTETTÄVIEN MATERIAALIEN SOVELTUVUUS SÄHKÖLAITTEIDEN PAKKAAMISEEN
Raportin tavoitteena oli selvittää pakkausmateriaalien ominaisuuksia ja kierrätettävyyttä. Samalla tutkittiin pakkausten kykyä suojata tuotetta kuljetuksen ja varastoinnin aikana staattisen sähkön pur- kauksilta sekä mekaanisilta, ilmastollisilta ja biologisilta rasituksilta.
Kirjallisuusosan alussa käytiin läpi sähkö- ja elektroniikkatuotteille käytettäviä eri pakkausmateriaaleja sekä niiden valmistusta ja omi- naisuuksia. Niihin kuuluvat yksikkö- ja kuljetuspakkausten lisäksi erilaiset vaimennus- ja suojausmateriaalit sekä pakkaamisessa käytettävät aputarvikkeet kuten teipit, vanteet ja etiketit. Sen jälkeen selvitettiin pakkausdirektiivin pääkohdat, pakkausmateriaalien kierrätysmahdol-lisuudet ja kierrätyksen nykytilanne Suomessa.
Kirjallisuusosan lopussa tarkasteltiin, mitä rasituksia tuotteeseen voi kohdistua käsittelyn, kuljetuksen ja varastoinnin aikana ja miten tuotetta voidaan suojata näiltä rasituk-silta. Rasitukset voidaan jakaa mekaanisiin, ilmastollisiin ja biologisiin rasituksiin sekä staattisen sähkön purkauksiin. Mekaanisia rasituksia ovat pinoamisesta aiheu- tuva puristus, putoaminen, erilaiset iskut ja tärinä. Ilmastollisiin rasituk- siin kuuluvat kosteus, lämpötila, ilman epäpuhtaudet, UV-säteily ja ilmanpaine. Biologisia rasituksia aiheuttavat lähinnä mikro-organi- smit ja tuhoeläimet. Lisäksi sähkö- ja elektroniikka- tuotteet voivat vahingoittua staattisen sähkön purkauksista.
Kokeellisen osan alussa esiteltiin testattavat tuotteet ja pakkausvaih- toehdot. Kullekin tuotteelle oli kah-desta kolmeen pakkausvaihto- ehtoa. Nykyisen pakkauksen lisäksi jokaiselle tuotteelle valmistettiin kuitupohjainen pakkaus. Testauksen tavoitteena oli vertailla nykyisen ja uuden pakkauksen kykyä suojata tuotetta mekaanisilta ja ilmas- tollisilta rasituksilta.
Mekaanisista testeitä käytössä olivat jyskytys, tärinä ja pudotustesti. Jyskytys- ja tärinä-testeillä ei saatu eroja pakkausten välille. Pudotus- testeissä kuitupakkausten todettiin suojaavan tuotteita paremmin kuin nykyiset pakkaukset.
Ilmastollisten testien avulla tutkittiin pakkausten kykyä suojata tuotetta kosteus- ja lämpötilavaihtelujen aikana. Testien avulla pyrittiin selvit- tämään, voidaanko kuitupohjaisista pakkauksista jättää pois erilaiset kosteussuojakalvot ja kuivausaineet. Testit osoittivat, että alumiinifolio kuivausaineiden kanssa piti kosteuden kriittisen tason (50 %) ala- puolella suojaten tuotteita hyvin korroosiolta. Ilman kosteussuojakal- voja ja kuivausaineita olleissa pakkauksissa kosteus nousi yli kriit- tisen tason, mutta siitä huolimatta kuitu-pohjaisissa pakkauksissa olleista tuotteista ei löydetty korroosiota. Ainoat korroosiovauriot löy- dettiin tuotteista, jotka olivat nykyisissä muovia sisältävissä pakkauk- sissa ilman kosteusuojakalvoja ja kuivaus-aineita.
Yhdelle tuotteista tehtiin ilmastollinen testi, jonka avulla selvitettiin erilaisten kaasu-faasi-inhibiittien (VCI) suojauskykyä. Sekä VCI-nappi että VCI-kalvo suojasivat tuotetta hyvin verrattuna ilman VCI-suojausta olleeseen tuotteeseen. Parhaimman suojan antoi VCI-kalvo.
239 RASITUSKARSINTA
Tässä raportissa on esitetty rasituskarsinnan (ESS) perusteet standardin IEC1163-1 Reliability Stress Screening – Repairable Items Manufactured in Lots pohjalta. Rasituskarsinnan suunnit-telua ja menetelmiä on käsitelty tuotantoprosessin näkökulmasta ja lisäksi on vertailtu menetelmien tehokkuutta: satunnaisvärähtely ja vaihteleva lämpö -karsinta ovat tehokkaimmat me-netelmät. Melko lyhyillä altistusajoilla karsintatehokkuus on käytännön kannalta riittävää.
Raportissa on käsitelty myös vikamekanismeja tuotteen suunnittelu- ja valmistusprosessin kannalta sekä eri ympäristörasituksen seurauksena. Rasituskarsinnan käyttöönottoa ja siihen liittyviä tekijöitä kuten rasituskarsinnan taloudellisuutta on tarkasteltu omassa luvussaan. Taloudellinen tarkastelu on usein ongelmallista kustannustekijöiden vaikean arvioitavuuden takia, mutta sitä ei voi välttää, jos rasituskarsinnan halutaan olevan selkeästi perusteltua toimin-taa.
Lopussa on esimerkkejä rasituskarsinnan soveltamisesta tuotteiden valmistusprosessissa. Rasituskarsinnan toteutus liittyy kiinteästi yrityksen liikeideaan, markkinointiin, asiakastyytyväi-syyden hoitoon, takuuajan vikaantumisiin ja varsinkin vikatietojen keräämiseen. Lisäksi havaittiin, että olemassa olevat testauslaitteistot ja yrityksen rasituskarsintakokemus vaikuttavat voimakkaammin siihen millaista karsintaa uusille tuotteille aiotaan toteuttaa kuin perusteltu tarve. Laajan kirjallisuusviiteluettelon pohjalta lukija voi perehtyä syvemmin aiheeseen.
240 SÄHKÖKENTTÄTESTIT HÄIRIÖSUOJATUSSA MITTAUSHUONEESSA
Raportissa on tarkasteltu näytteen ja testiantennin muodostamaa yhteysväliä ja heijastavien pintojen vaikutusta testitapahtumaan. Heijastusten vaimennusmateriaalien pääominaisuudet on käsitelty. Kentän mittaukseen ja synnyttämiseen käytetyt välineet on esitelty. Säteilevien häiriöiden emissio- ja immuniteettimittausten menetel- mien pääkohdat on kuvattu ja niiden soveltamiseen liittyviä ongelmia on analysoitu sädeteoriaa soveltaen.
Emissiomittapaikan kelpoisuuden todentamisessa käytetyn norma- lisoidun yhteysvälivaimennuksen mittauksen perusteet ja laskukaavat on esitetty. Kaavojen perusteella on todettu, että maaheijastusmit- tapaikalla saadut tulokset vaihtelevat näytteen geometriasta riippuen. Samoja kaavoja käyttäen voidaan arvioida immuniteettitesteissä tarvittava lattiavaimennus.
Raportissa on käsitelty häiriösuojatun huoneen rakentamiseen liittyviä asioita. Eri seinäratkaisujen suojausvaimennus ja vaimennusmate- riaalien ominaisuudet sekä huoneiden ominaisuuksien testaaminen on esitelty