Was macht Mainboards industrietauglich?

Industrie-PCs werden in vielen Bereichen eingesetzt – ob in der Steuerung von Robotern oder CNC-Maschinen, in der Automobilfertigung, bei Bank- und Spielautomaten oder digitalen Werbeanzeigen. Aber wo auch immer: Diese Rechner müssen extrem zuverlässig funktionieren. Einen ganz wesentlichen Anteil daran hat das Mainboard.

Industrie-PCs werden in vielen Bereichen eingesetzt – ob in der Steuerung von Robotern oder CNC-Maschinen, in der Automobilfertigung, bei Bank- und Spielautomaten oder digitalen Werbeanzeigen. Aber wo auch immer: Diese Rechner müssen extrem zuverlässig funktionieren. Einen ganz wesentlichen Anteil daran hat das Mainboard.

Jede Art der kommerziellen und industriellen Nutzung eines Industrie-PCs verlangt höchste Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Das bedeutet: ein 24-Stunden-Dauerbetrieb des Mainboards bei sehr hohen oder niedrigen Temperaturen, bei Erschütterungen und Vibrationen, im Bereich elektrischer Störfelder oder auch in der Nachbarschaft von sehr störungsempfindlichen anderen Systemen. Neben der Resistenz gegen Umwelteinflüsse (Temperatur, Schock, Vibration, Staub, Feuchtigkeit etc.) und betriebsbedingte Stressfaktoren (Dauerbetrieb, Volllast oder Lastwechsel) spielen auch Eigenschaften wie langfristige Verfügbarkeit sowie stabile Revisionsstände eine wichtige Rolle.

Vergleicht man Mainboards aus europäischer Fertigung mit Produkten z.B. aus Asien, sind auf den ersten Blick keine allzu großen Unterschiede ersichtlich. Bauart und Schnittstellen sind überwiegend genormt. Doch bei näherem Hinsehen werden die Unterschiede deutlich. Zählt man beispielsweise die Anzahl der verwendeten Bauteile, ist erkennbar, dass auf Mainboards „Made in Germany“ bis zu 20 Prozent weniger Komponenten verbaut werden und zusätzlich der Fertigungs-Automatisierungsgrad um ca. 6 bis 10 Prozent höher ist. Eine geringere Anzahl an Komponenten und somit an Lötstellen – erreicht durch eine erhöhte Bauteil-Integration – sowie der höhere Automatisierungsgrad ergeben eine erheblich bessere Fertigungsqualität und sind Basis der Industrietauglichkeit. Beispiele für solche modernen Industrie-PC-Mainboards sind die Modelle D2703-S (Mini-ITX, Bild 1), D2831-S (μATX) und D2836-S (ATX) von Fujitsu-Siemens (www.fujitsusiemens.com), anhand derer im Folgenden einige wesentliche Kriterien für industrietaugliche Mainboards herausgearbeitet werden.

Industrie-Mainboards sind für einen Temperaturbereich (Mainboard-Umluft) von 0 bis 60 °C spezifiziert. Dementsprechend wurde für die hier genannten Mainboards anhand von Klimamessungen der DIN-EN-60068-2-Reihe nachgewiesen, dass sie im spezifizierten Temperaturbereich stabil arbeiten. Um einen dauerhaften und stabilen Betrieb des Mainboards insbesondere im oberen Temperaturbereich und bei hoher Systemlast zu gewährleisten, sind alle relevanten Bauteile für eine hohe Dauerlast dimensioniert. Dabei wird zugrunde gelegt, dass alle diese Bauteile selbst bei Dauer-Volllast immer unterhalb bestimmter Oberflächen-Grenztemperaturen betrieben werden. Üblicherweise werden in diesem Zusammenhang mögliche Temperatur-Hotspots mit einer Thermographie-Analyse identifiziert (Bild 3). Während einer anschließenden Erprobung bei 60 °C in einer Klimakammer werden alle relevanten Bauteile des Mainboards per Temperaturfühler überwacht, um sicherzustellen, dass die Bauteile bei diesem Extrembetrieb (maximale Umgebungstemperatur) immer unterhalb der je Bauteiletyp definierten Oberflächen-Grenztemperaturen arbeiten. Im Rahmen dieser Klima-Erprobung wird gleichzeitig mittels spezieller Software-Tools die System-Stabilität bei Betrieb mit maximaler Umgebungstemperatur nachgewiesen. Zusätzlich wird das System einem Stabilitäts-Dauertest mit wechselnden Temperaturen unterzogen, um eventuelle Nebeneffekte auszuschließen (Bild 4).

Die durch die Entwicklung spezifizierten und mit Klima-Erprobung verifizierten zulässigen Bauteiletemperaturen werden den Industrie-Anwendern zur Verfügung gestellt, die damit ihre spezifischen Systemdesigns überprüfen und somit die Zuverlässigkeit ihrer Applikationen sicherstellen können.

Erschütterung und Vibration

Die rauheren Einsatzbedingungen wirken sich auch stark auf die Anforderungen hinsichtlich mechanischer Erschütterungen aus. So wird beispielsweise das hier erwähnte Industrie-Board auf verschärfte Anforderungen nach DIN EN 60068-2-27 (Schock) und DIN EN 60068-2-54 (Vibration) getestet.

Damit werden stabile Funktion und Langlebigkeit im industriellen Umfeld sichergestellt und darauf geachtet, dass Speichermodule, Steckverbinder und Kühlkörper dauerhaft stabil verankert sind.