Korrosionsresistentes Design von Stromversorgungen

Bei metallischen Werkstoffen in Elektronikbaugruppen führen Umweltgase in Kombination mit Luftfeuchtigkeit zu Korrosion. Wie gefährdet eine Stromversorgung im Einsatz ist, zeigt dieser Beitrag.

Schadgase wie Schwefeldioxyd oder Stickoxyd beschleunigen die Alterung der Elektronik und führen, insbesondere bei metallischen Werkstoffen in Kombination mit Luftfeuchtigkeit, zu Korrosion. Diese kann innerhalb der erwarteten Lebensdauer zu Fehlfunktionen oder zum Totalausfall von Baugruppen oder der Elektronik führen.

Solche Luftschadstoffe sind in unterschiedlichem Umfang in beispielsweise der Prozessindustrie, bei der Papiererzeugung, in Kläranlagen oder im Straßenverkehr zu finden. An Gehäuseblechen und Schrauben stellt Rost meist nur einen optischen Mangel dar. Besonders kritisch sind aber Verbindungsstellen wie Steckverbinder, Relaiskontakte und auch Lötstellen. Dort verursacht Rostbildung häufig einen Funktionsverlust oder sogar den Totalausfall.

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Schadgasprüfungen sind in der Telekommunikations- und Automobilindustrie seit vielen Jahren üblich. Doch auch in Anwendungen der Prozessindustrie, im Straßenbau und bei Windkraftanwendungen entwickelt sich die Schadgasprüfung zu einem wichtigen Qualitätsmerkmal.

Schadgasprüfungen simulieren Einsatzbedingungen

Das Ziel einer eingehenden Schadgasprüfung ist der Nachweis, dass Korrosionseffekte nicht oder nur unterhalb vereinbarten Grenzwerte auftreten. Wird das Geräte-Design einer Stromversorgung richtig gewählt, verrichtet das System auch für lange Zeit gute und vor allem sichere Dienste und muss nicht schon nach wenigen Jahren wieder ausgetauscht werden.

Bei Schadgasprüfungen werden die reellen Einsatzbedingungen möglichst feldnah simuliert. Die Prüfzeit wird verkürzt indem die Konzentration der Schadgase erhöht wird. So ist innerhalb einer Testdauer von nur 21 Tagen eine reale Einsatzdauer von mehr als 10 Jahren simulierbar.

Neben der Einstellung der Schadgaskonzentration ist für die Simulation wichtig, den Prüfling auch wie in der Praxis zu betreiben. Im reinen Dauerbetrieb ist die Korrosionsneigung am schwächsten ausgeprägt. Die konstante Erwärmung reduziert den Feuchtigkeitsgehalt in unmittelbarer Umgebung der korrosionsempfindlichen Materialien. Schwefeldioxyd benötigt jedoch Feuchtigkeit zum Reagieren, die bei diesem Dauerbetrieb nicht gegeben ist.

Aussagekräftigere Ergebnisse bringt deshalb ein zyklischer Betrieb, bei dem der Prüfling in regelmäßigen Abständen ein- und ausgeschaltet wird. Die durch diese Kalt-Warm-Temperaturschwankungen entstehende Durchströmung zieht die Feuchtigkeit an, fördert die Reaktion mit Schwefeldioxyd und verstärkt dadurch die Korrosionsneigung. Ein solcher Kalt-Warm-Effekt ist gerade bei Stromversorgungen von Bedeutung, da diese Systeme üblicherweise einen Hotspot im Schaltschrank verursachen.

Weißrost und Rotrost sind zu vermeiden

Um die Korrosion beurteilen zu können, sind Kenntnisse der verschiedenen Rostarten von Vorteil: Weißrost bildet sich an Zinkoberflächen wie zum Beispiel an verzinkten Stahlblechen als dünner Zinkoxyd-Überzug, der sich gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt. Er zeigt sich durch einen weißlichen Schimmer. Die Schicht haftet an der Oberfläche und fällt nicht ab. Wischt man mit dem Finger darüber, färbt es etwas ab. Weißrost ist üblicherweise unkritisch und lediglich ein optischer Makel.

Gefährlich werden kann Weißrost in Verbindung mit Salz. Salz oder Salznebel verbindet sich mit Zinkoxyd und es entstehen Ausblühungen, die sich bis hin zu einer Kristallbildung ausprägen können. Partikel dieser Ausblühungen oder Kristalle können sich lösen und Isolationsstrecken der Elektronik kurzschließen. Verzinkte Oberflächen sollten daher beispielsweise im Offshore-Bereich oder für Ausrüstungen im Straßenbau generell nicht verwendet werden. Hierfür gibt es neben den Schadgastests spezielle Salznebeltests, welche dieses Verhalten untersuchen.

Als Rotrost bezeichnet man die klassische Form von Korrosion an eisenhaltigen Materialien oder Stahlmaterialien, wenn der verwendete Korrosionsschutz nicht ausreicht. Rotrost sollte vermieden werden, da er sich ausbreitet und sich Ausblühungen leicht lösen können. Diese sind leitfähig und können Kurzschlüsse erzeugen. Inwieweit Rotrost bei verzinkten Stahlblechen, deren Schnittkanten oder bei Schrauben auftritt, hängt von der Qualität und Homogenität der Verzinkung ab.

Umweltsimulationstests nach IEC 60068-2-60

Auf internationalem Niveau werden Umweltsimulationstests mit Mischgas für allgemeine Anwendungen in der IEC 60068-2-60 behandelt. Dieser Standard wird aktiv gepflegt und permanent weiterentwickelt. Das ist auch notwendig, da sich Luftschadstoffe über die Zeit immer wieder verändern. So wurde zum Beispiel vor einigen Jahren die Methode 4 definiert, welche den typischen Schadstoffbelastungen der angegebenen Anwendungsbereiche entspricht.

Die Methode 4 nach IEC 60068-2-60 ist ein 4-Komponenten-Schadgastest mit strömendem Mischgas, welcher die Einsatzbedingungen am realistischsten nachstellt. Dieser IEC-Test wird bei exakt +25 °C und einer relativen Umgebungsfeuchtigkeit von 75% durchgeführt.

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