W świecie automatyki przemysłowej często dyskutujemy o awariach mechanicznych, o padających łożyskach serwonapędów o pękniętych wałach pomp czy przegrzanych tranzystorach. Jednak pod powierzchnią każdej szafy sterowniczej toczy się inna, cicha bitwa. Jest to walka elektroniki z jej niewidzialnymi wrogami wilgocią oparami chemicznymi i agresywnym środowiskiem produkcyjnym. Chociaż płyty PCB w modułach automatyki są projektowane z myślą o wytrzymałości przemysłowej, granice ich tolerancji są stale przekraczane.
Rzeczywistość zakładów produkcyjnych to często kurz, chemia, niestabilne temperatury i skraplająca się woda w szafach. W efekcie długotrwała degradacja mylnie brana za naturalne zużycie sprzętu prowadzi do nagłych i kosztownych przestojów. Zrozumienie mechanizmów, przez które środowisko skraca życie sterowników falowników czy paneli HMI jest kluczowe dla działów utrzymania ruchu. Pokażemy, jak działa ten cichy niszczyciel i dlaczego profesjonalny serwis walczy z przyczyną korozją, a nie tylko ze skutkiem.
Korozja elektrochemiczna i dendryty
Największy niewidzialny wróg elektroniki przemysłowej to korozja elektrochemiczna a jej końcowym efektem jest powstanie dendrytów. Zaczyna się od wilgoci, która sama w sobie nie jest największym zagrożeniem. Prawdziwy problem pojawia się gdy, ta woda łączy się z zanieczyszczeniami jonowymi. Mogą to być pozostałości po niewłaściwym czyszczeniu, a w środowisku przemysłowym przede wszystkim sole i kwasy z powietrza. To połączenie tworzy elektrolit na powierzchni płyty.
Kiedy wilgoć z zanieczyszczeniami stworzy na płycie przewodzący elektrolit, rozpoczyna się proces korozji elektrochemicznej. Płynący przez sąsiednie ścieżki prąd, tworzy mikroogniwo galwaniczne. Jony metalu najczęściej miedzi, cyny lub srebra zaczynają migrować z obszaru o wyższym potencjale elektrycznym do niższego. W ten sposób na powierzchni płytki zaczynają rosnąć mikro-włókna, zwane dendrytami.
Dendryty to przewodzące struktury przypominające miniaturowe gałęzie drzew. Rosną one powoli i nieustannie. Proces ten może trwać miesiącami lub nawet latami. W końcu jednak dendryty łączą dwie sąsiednie ścieżki lub punkty lutownicze, które powinny być izolowane. Następuje wówczas mikrozawrcie, które prowadzi do nieprawidłowego działania lub całkowitej awarii modułu. To jest najczęstszy powód, dla którego element działający przez lata nagle przestaje funkcjonować. Profesjonalny serwis musi nie tylko wymienić uszkodzony element, ale gruntownie oczyścić płytę z tych zanieczyszczeń jonowych, aby zatrzymać wzrost dendrytów.
Degradacja materiałowa
Wilgoć jest niebezpieczna nie tylko dlatego, że powoduje zwarcia, ale także dlatego, że fizycznie niszczy laminat, czyli materiał, z którego wykonana jest płyta drukowana. Choć przemysłowe laminaty są wytrzymałe, materiał FR-4 jest z natury higroskopijny, co oznacza, że z czasem absorbuje wodę jak gąbka.
Gdy taka zawilgocona płyta zostanie poddana gwałtownemu wzrostowi temperatury na przykład podczas pracy pod dużym obciążeniem lub w przegrzanej szafie sterowniczej, uwięziona woda rozprężą się i paruje. Powoduje to delaminację, czyli rozerwanie połączeń między warstwami laminatu lub powstanie pęcherzy na powierzchni. To uszkodzenie jest nieodwracalne i może prowadzić do przerw w przelotkach, czyli otworach łączących warstwy płyty.
Ponadto, obecność wilgoci zmienia parametry dielektryczne oraz współczynnik strat materiału. W nowoczesnych szybkich obwodach cyfrowych sterowników i napędów wpływa to krytycznie na integralność sygnału. Błędy komunikacji, niestabilne działanie modułu lub sporadyczne, trudne do zdiagnozowania usterki często mają swoje źródło właśnie w zmianie elektrycznej charakterystyki laminatu.
Co więcej, wilgoć obniża temperaturę zeszklenia laminatu. Materiał staje się wówczas bardziej miękki i podatny na naprężenia mechaniczne i termiczne. To przyspiesza powstawanie mikropęknięć w okolicach połączeń lutowniczych i otworów metalizowanych. Czynnik ten odpowiada za wiele awarii komponentów, których degradacja jest niewykrywalna podczas standardowej inspekcji wizualnej.
Agresja chemiczna i gazy przemysłowe
W niektórych specjalistycznych środowiskach problemem nie jest tylko woda, ale bezpośrednie działanie związków chemicznych obecnych w powietrzu. Szkodliwe gazy, takie jak siarkowodór, dwutlenek siarki, opary chloru czy amoniaku, są powszechne w zakładach chemicznych, galwanizerniach, oczyszczalniach ścieków czy papierniach. Gazy te powodują korozję gazową.
Agresywne substancje chemiczne są w stanie przenikać przez mikropory w powłokach ochronnych, lakierach konforemnych, a nawet atakować same komponenty. Bezpośrednio rozkładają warstwy ochronne i utleniają miedź oraz inne metale na płytce. Korozja ta często dotyczy styków i złącz, czyli elementów, które muszą pozostać niezabezpieczone, aby zapewnić połączenie elektryczne. Korozja w tych punktach drastycznie obniża przewodność, prowadząc do wzrostu rezystancji, spadków napięcia i sporadycznych błędów komunikacji, które są zmorą dla działów UR.
Choć często stosuje się specjalne obudowy, ich uszczelki z czasem ulegają degradacji, pozwalając na powolną penetrację. W efekcie chemikalia wywołują korozję wżerową, która może naruszyć całą grubość ścieżki na płytce, prowadząc do jej całkowitej przerwy.
Jak się bronić?
Wnioski płynące z analizy mechanizmów degradacji są jednoznaczne. Jedyną obroną przed tymi niewidzialnymi niszczycielami jest proaktywne działanie. Nie wystarczy reagować na awarię i wymieniać uszkodzony komponent.
Dla działów utrzymania ruchu oznacza to konieczność monitorowania warunków środowiskowych w szafach sterowniczych i regularnej konserwacji prewencyjnej. Tylko w ten sposób można wydłużyć życie modułów i realnie zminimalizować ryzyko kosztownego przestoju wynikającego z korozji elektrochemicznej.
