Thermal Management bei Displays Mehr als nur erhitzte Komponenten

Strukturen im Display wie Ansteuerelektroniken oder Komponenten geben unterschiedliche Hitze ab und erzeugen einen Hot-Spot auch im Mikrobereich. Damit sind Bereiche innerhalb beispielsweise eines kleinen Chips deutlich wärmer bzw. kälter. Wird es dann an einigen Stellen zu heiß, kann das ganze Display Schaden nehmen.
Strukturen im Display wie Ansteuerelektroniken oder Komponenten geben unterschiedliche Hitze ab und erzeugen einen Hot-Spot auch im Mikrobereich. Damit sind Bereiche innerhalb beispielsweise eines kleinen Chips deutlich wärmer bzw. kälter. Wird es dann an einigen Stellen zu heiß, kann das ganze Display Schaden nehmen.

Es geht beim Thermal Management nicht nur darum, dass Prozessoren oder Teile zu heiß werden. Auch Cold Spots schließen das Thema nicht ab. Vielmehr geht es um die Frage, wie Temperatur ausgeglichen bzw. die richtige Temperatur in allen Produktionsprozessen hergestellt werden kann.

Thermal Management ist und bleibt eines der wichtigsten Themen bezüglich Displays und Embedded Systems. Wenn sich Verantwortliche nicht darum kümmern, treten die unterschiedlichsten Folgeschäden ein. Diese zeigen sich zum Beispiel in Delamination von Klebungen und Optical Bonds, in Kondensatbildung und anschließender Kontamination durch Schädlinge wie echte Bugs, Schimmel oder Chemikalien wie Salze, Säure, Lösemittel oder Reinigern. In Folge kommt es zu elektrischen Kurzschlüssen oder auch Vergilbung, Versprödung respektive mechanischer oder chemischer Veränderung der Materialien, zum Beispiel des optischen Films, der Light-Guides, des Polfilters oder des Klebers. Selbstverständlich können auch direkte mechanische und elektrische Ausfälle durch Überstrapazieren der jeweiligen Materialien und Komponenten eintreten. Meist sind es aber die langsamen Fehler, die, namensgetreu, erst nach einer ganzen Zeit auftreten – in nicht einfach zuordenbaren Situationen oder Konstellation: Sie kommen und gehen sporadisch, unregelmäßig, manchmal schleichend schlimmer werdend, aber häufig aus heiterem Himmel und fast immer ohne erkennbaren Grund.

Der gemeine Glaube über Thermal Management

Das Problem ist, dass durch immer kleinere Margen immer mehr Hersteller auf Vorwärtsintegration beziehungsweise Gesamtlösungen setzen und meist fertige Displays, Embedded-PCs oder Controller samt Stromversorgung in ein möglichst kompaktes Chassis packen. Ein vordergründiges Ergebnis sind häufig generelle Überhitzung und Hotspots – und diese kommen äußerst selten alleine. Denn: Nicht nur das Display ist eine Heizung, ebenso alle elektrischen Komponenten, maßgeblich Netzteil und Prozessor, sowie die oft vergessene Umgebungstemperatur samt Sonnenlicht. Die Packungsdichte gibt der Sache dann den Rest.
Hinzu kommt der Einsatzort im Sinne der Entwärmung: Heizungen im Inneren und Sonne im Freien paaren sich mit der fehlenden Möglichkeit, überschüssige Wärme loszuwerden respektive zusätzlich benötigte Energie zum Aufwärmen bereitzustellen. Wird dann ein thermisches Problem erkannt, sind die Ansätze, es zu beheben, meist auch nur oberflächlich und selten wirklich an die Applikation angepasst. So fällt oft die erste Wahl auf einen oder mehrere Lüfter oder Kühlkörper, ab und an sogar mit einer Drehzahlregelung. Wann, wie und wie viel Luft beziehungsweise Wärme wirklich zwischen welchen Wärmequellen und -senken tatsächlich transportiert werden muss und kann, ist in den allermeisten Fällen jedoch rein spekulativ oder wird schlicht nicht beachtet.

Der Wunsch nach einer One-fits-all-Lösung wird folglich übermächtig. Natürlich darf diese auch nichts kosten. Im Rahmen einer Total-Cost-of-Ownership-Betrachtung stellt sich tatsächlich sehr schnell heraus, dass ein wirklich funktionierendes und im Idealfall an unterschiedliche Anwendungen und Einbausituationen anpassbares Wärmemanagement gegebenenfalls im Gerätekonzept etwas mehr kostet. Jedoch wird dies um ein Vielfaches in puncto Betriebssicherheit und MTBF sowie deutlich geringerer Down-Time mehrfach überkompensiert.

 

Die echte Bedeutung von Thermal Management

In Bezug auf Total Cost of Ownership ist dann die technisch beste beziehungsweise ausgereifteste Lösung die kommerziell günstigste. Leider ist diese Denkweise aber immer seltener der Fall, da jede einzelne Stufe der Wertschöpfung mittlerweile eine eigene, kostenoptimierte Entity ist. Diese kümmert sich zu allem Überfluss typischerweise nicht um Belange der nachfolgenden Stufen in der Wertschöpfung – und damit auch nicht um den eigentlichen Betrieb. Schließlich wird ein solches präventives Denken in den seltensten Fällen bezahlt.
Bezahlt wird nur, was auf dem Papier steht. Dort stehen aber immer häufiger vermeintlich vergleichbare Kennzahlen, die eins zu eins und vorzugsweise auch linear miteinander vergleichbar sind oder es zumindest sein sollen. Solche einfachen Kennzahlen gibt es aber leider nicht wirklich. Schon gar nicht unter der Maxime „One fits all“ und erst recht nicht mit immer weiter steigender, wachsender technischer Komplexität, die mit jeder neuen Gerätegeneration zwangsläufig einhergeht.
Ein gutes und praktikables Thermal Management beinhaltet daher nicht nur die summarische Auflistung der gesamte Abwärme aller Komponenten in einem System. Auch nicht, wenn zusätzlich die gesamte mögliche Abgabe dieser Menge an Abwärme prinzipiell möglich sein sollte. Es geht hierbei um viel mehr, nämlich um alle Effekte, die mittels ungeschicktem beziehungsweise nicht vorhandenem Thermal Management ausgelöst werden können. Beispielsweise bedeutet es, dass auf Systemebene für alle Betriebs- und Anwendungssituationen sichergestellt ist, keine der verwendeten Komponenten zu keinem Zeitpunkt außerhalb ihrer spezifizierten technischen Rahmenbedingungen zu betreiben. Es beinhaltet außerdem, dass zusätzlich zu keinem Zeitpunkt die resultierenden Situationen und Bedingungen für das jeweilige Display respektive Embedded System in unbekannte, nicht erlaubte oder technisch ungünstige Dimensionen driften.

Fallbeispiel Cold Spot

Um die beschriebene Überhitzung, sei es im Großen oder im Kleinen, zu verhindern, müssen Verantwortliche auf Wissen, Know-how und präventives Handeln setzen, ähnlich wie bei einer Krankheit Vertreter von Heilberufen konsultiert werden, Sport gemacht wird sowie Untersuchungen und Analysen früherer Fälle durchgeführt werden.

Auch Feuchtigkeit kann viele Schäden anrichten, die man nicht – wie etwa eine durchgeschmorte Stelle – auf den ersten Blick erkennt. Im Gegensatz zu überhitzten Anzeigeeinheiten fällt der Schaden nicht sofort auf. Im Falle von Feuchtigkeit zum Beispiel haben auch Temperaturunterschiede Folgen: So bilden sich nicht nur Hot Spots mit maßgeblichen Hitzeproblemen, sondern auch Cold Spots, an denen sich Kondensat bildet. Wenn das Temperatur-Delta eine gewisse Größe erreicht, abhängig von Luftfeuchte, Luftdruck und Kontamination, entsteht Kondenswasser innerhalb der Anzeigeeinheit beziehungsweise des Embedded Systems und damit eventuelle Leitungsschäden, Kurzschlüsse oder parasitäre induktive oder kapazitive Effekte, die zum Beispiel auch ein Grund für Ghost-Touches sein können. Cold Spots sind dabei nicht absolut, sondern relativ im Vergleich zur Umgebung zu verstehen: Bereits ein halbes Grad Temperaturunterschied kann genügen, um Taubildung anzuregen.

Auch Trockenmittel im Gehäuse sind kein Allheilmittel, denn das Material sammelt tatsächlich Wasser – auch dann noch weiter, wenn irgendwann die Wasserhaltekapazität überschritten ist. Infolge der elektrischen Leitfähigkeit von wässrigen Lösungen sind Kurzschlüsse ein häufiges Problem. Außerdem: Wasser ist durch die darin gelösten Substanzen auch chemisch aktiv. Es kann somit alkalisch oder sauer werden und Korrosion nicht nur an elektronischen Bauteilen verursachen. Da Wasser immer danach strebt, sich zu verteilen, können die Schäden auch an schwer einsehbaren Stellen entstehen.