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Lebensdauer, MTBF und Zuverlässigkeit

Fit & Forget

15. September 2016, 12:14 Uhr | Ralf Higgelke

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Leiterplattendesign und Platzierung

Wichtig für eine lange Lebensdauer ist, sich bereits zu Beginn eines Designs Gedanken über das Leiterplattendesign und die richtige Platzierung der Komponenten zu machen. Bauteile, die große Hitze abgeben, sind immer schlechte Nachbarn für temperaturempfindliche Komponenten. Dabei gilt es, über Kühlkörper oder die Wärmeableitung und über die Platine (Masseflächen mit vielen Durchkontaktierungen) nachzudenken.

Auch sogenannte Thermal-Pads können wertvolle Dienste leisten (Bild 2). Diese weichen, thermisch gut leitfähigen Kissen eignen sich hervorragend, raue oder vor allem inhomogene Oberflächen thermisch definiert an ein Gehäuse oder an einen Kühlkörper zu koppeln. Jedoch gibt es auch hier Grenzen an Wirksamkeit und Langzeitstabilität. Eine erhöhte Beanspruchung (z. B. viele Temperaturwechsel) kann dieser Pads austrocknen. Dadurch lässt sich der Anpressdruck zwischen den zu kühlenden Bauteilen und der Kühlfläche nicht mehr gewährleisten. Generell gilt daher: Je höher die Packungsdichte, desto schlechter die Wärmeabgabe und desto wichtiger eine geringe Verlustleistung und eine gute Bauteilplatzierung.

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Wertvolle Dienste während des Designprozesses leistet die Thermografie, denn damit lassen sich recht früh mögliche thermische Probleme oder Hotspots detektieren. Doch wer nun meint, es genüge, einfach die Kamera auf die Platine zu richten und sich das Bild anzusehen, der irrt. Denn um eine Wärmebildmessung wirklichkeitsgetreu durchzuführen, bedarf es aufwendiger Vorbereitungen und beträchtlichen Know-hows. Da die Abwärme der einzelnen Bauteile aufgrund unterschiedlicher Oberflächenstrukturen nicht einheitlich dargestellt wird, ist die Platine zuerst zu »homogenisieren«. Dies lässt sich am einfachsten realisieren, indem man den Prüfling mit einer schwarzen, matten Beschichtung versieht. Des Weiteren sind auch externe Lichtquellen zu eliminieren, da diese Reflexionen hervorrufen können, welche die Messung verfälschen (Bild 3). Die besten Ergebnisse erzielt man daher, wenn der Prüfling in einer homogenisierten »Blackbox« vermessen wird.

Schlussendlich gilt es noch zu bedenken, dass die Temperaturverteilung innerhalb eines Designs erheblich mit der Umgebungstemperatur und den elektrischen Betriebsbedingungen variieren kann. Dem lässt sich Rechnung tragen, indem man nicht nur bei Raumtemperatur misst, sondern auch bei anderen Umgebungsbedingungen. Dazu eignet sich eine Klimakammer mit Spezialglas, das die Infrarotstrahlung (im Bereich zwischen +25 °C und +100 °C) weder dämpft noch verfälscht. Darüber hinaus muss auch die Wärmebildkamera auf die Eigenschaften des Glases justiert sein, um eine realitätsgetreue Messung zu erhalten.