Bild 1. Die Schroff-Baugruppenträger eignen sich für vielfältige Anforderungen.

Bild 1. Die Schroff-Baugruppenträger eignen sich für vielfältige Anforderungen. Pentair Technical Solutions

Vorreiter für die Forderung nach einem erweiterten Temperaturbereich sind Applikationen in der Verteidigungstechnik (MIL 810 G) und der Infrastruktur (EN 50155) – also Bahn-, Schiffs- und Flugverkehr. Doch auch immer öfter findet man diese Forderung in den Pflichtenheften von Industrieanwendungen, wie der MSR-Technik, der Kraftwerkstechnik oder auch im Medizinbereich. Vor allem die stetig steigenden Leistungen von elektronischen Bauteilen, wie Prozessoren und Netzgeräten, und die damit verbundenen hohen Verlustleistungen sind hierfür verantwortlich. Kommen Baugruppenträger in solchen Applikationen zum Einsatz, müssen die eingesetzten Materialien entsprechend gewählt werden und ausreichende Kühlungsmöglichkeiten vorhanden sein. Weitere Anforderungen betreffen die Platzverhältnisse, Normen, statische und dynamische Belastungen, EMV-Schutz und weitere. Mit seinen flexiblen und modular aufgebauten Schroff-Baugruppenträgern (Bild 1) bietet Pentair für alle Anforderungen eine geeignete Lösung.

Standardprodukte in verschiedenen Größen

Bild 2: Schock- und Vibrationstest nach MIL 810 G und IEC 61587-1, Anforderungsstufe DL 2 und DL3.

Bild 2: Schock- und Vibrationstest nach MIL 810 G und IEC 61587-1, Anforderungsstufe DL 2 und DL3. Pentair Technical Solutions

Ein Baugruppenträger besteht in der Regel aus mindestens zwei Seitenwänden und vier horizontalen Profilen, den Modulschienen. Passend hierzu gibt es weiteres Zubehör wie über dem Kartenraum montierte Abdeckbleche, Frontplatten, Rückhauben, Führungsschienen und diverse Teile für den Innenausbau. Die Basis-EMV-Schirmung ist je nach Kundenanforderung einfach aufrüstbar und es stehen unterschiedliche EMV-Dichtungskonzepte für die Frontplatten zur Verfügung. Aus Größe und Art der Elektronikbaugruppen und durch Vorgaben beziehungsweise Restriktionen am Einsatzort ergeben sich die genauen Abmessungen der Baugruppenträger. Oft ist das Platzangebot zum Beispiel beim Einbau auf Schiffen und anderen Fahrzeugen oder auch in Rechenzentren sehr begrenzt. Aus diesen Randbedingungen ergeben sich erste Festlegungen und Möglichkeiten bezüglich des einzusetzenden Baugruppenträgers.

Normen beachten

Eckdaten

Bei der Auswahl eines Baugruppenträgers für eine bestimmte Applikation sind viele Randbedingungen zu berücksichtigen. Setzt man auf ein flexibles Plattformprodukt, das entsprechend der Vorgaben durch den Kunden, die Applikation und die Umgebungsbedingungen am Einsatzort, angepasst werden kann, erleichtert dies die Wahl. Durch solche modularen Baugruppenträger entstehen auf einer einheitlichen Basis und mit verschiedenen standardisierten Bauteilen unterschiedliche Produkte. Diese können für die jeweiligen Anforderungen konfiguriert werden.

Je nach Einsatzbereich müssen internationale beziehungsweise marktspezifische Normen und Spezifikationen eingehalten werden. Aktuelle Normen enthalten ergänzende Maßfestlegungen (IEC 60297-1, IEC 60297-2, IEC 60297-3-101, IEC 60297-3-102, IEC 60297-3-103, IEC 61969-2-1, IEC 61969-2-2, IEC 60917-2-X) und – auf einer höheren Ebene – Kriterien für die physikalische Integration (IEC 61587-1, IEC 61969-3), Erdbebenbeständigkeit (IEC 61587-2), elektromagnetische Verträglichkeit (IEC 61587-3) und Thermal-Management (IEC 62194 Ed.1).

Zusätzlich zu IEC-Normen gibt es Festlegungen für Applikationen, die in speziellen Marktsegmenten erforderlich sind. Beispiele sind VME von VITA (VME International Trade Association) oder CompactPCI, CompactPCI Serial, MicroTCA und AdvancedTCA von PICMG (PCI – International Computer Manufacturing Group). Weiterhin existieren Normen und Richtlinien für Anwendungen in der Bahn- oder Militärtechnik. Außerdem müssen spezielle Schutz- und Sicherheitsnormen berücksichtigt werden.

Verschiedene Einflüsse und Belastungen

Da man Baugruppenträger in der Regel in entsprechende Elektronik- oder Schaltschränke einbaut, sind sie vor Umgebungseinflüssen, wie Schmutz, Staub und Wasser geschützt. Jedoch variieren statische Belastungen je nach Gewicht der eingebauten Komponenten. Daraus ergeben sich einerseits das Material des Aufbausystems und andererseits ob das Gehäuse geklebt, geschweißt, verschraubt oder aus einem Stück bestehen soll. Je nach Anwendung sind eventuell zusätzlich entsprechende Verstärkungen oder Versteifungen nötig.  Wird der Baugruppenträger bewegt und verschoben oder für den mobilen Einsatz vorgesehen, ist er in der Regel auch wechselnden dynamischen Belastungen ausgesetzt. Solche Schock- und Vibrationseinflüsse sind auch bei bestimmten Aufstellorten wie in der Nähe rotierender Maschinen, bei Bahnapplikationen oder der Verkehrstechnik sowie auf Schiffen oder in Flugzeugen zu berücksichtigen. Liegt der Einsatzort in einer Erdbebenzone sind seismische Tests (Bild 2) unabdingbar.

EMV-Schirmung sicherstellen

Bild 3. Schroff-EMV-Textildichtung für Temperaturen bis +85 °C.

Bild 3. Schroff-EMV-Textildichtung für Temperaturen bis +85 °C. Pentair Technical Solutions

Die Anforderungen an elektronische Geräte hinsichtlich EMV-Schirmung variieren je nach Anwendung und Einsatzumgebung. Dabei geht es nicht nur um hochfrequente Aspekte. Schirmung beginnt beim Thema ESD, reicht über niederfrequente kapazitive oder induktive Kopplungen und leitungsgebundene Störungen bis hin zu hochfrequenten elektromechanischen Störstrahlungen. Seiten-, Deck- und Bodenteile sowie Rück- und Vorderfronten der Baugruppenträger werden daher mit einer leitenden Oberfläche (passiviert oder ähnliches) und mit Kontaktmaterialien wie Federdichtungen aus Edelstahl oder EMV-Textildichtungen umlaufend leitend miteinander verbunden.

Hier wirkt sich auch der erweiterte Temperaturbereich mit Temperaturen bis +85 °C aus. Bisher wurden vor allem Edelstahldichtungen für Einsatzbereiche mit Temperaturen größer +85 °C und EMV-Textildichtungen für Temperaturen bis maximal +70 °C eingesetzt. Doch im Vergleich zu Edelstahldichtungen sind die kostengünstigeren Textildichtungen einfacher in der Handhabung, da sie lediglich aufgeklebt werden. Darüber hinaus lassen sie sich problemlos mit den stabileren U-Frontplatten kombinieren. Alle diese Vorteile können Anwender mit Applikationen in Temperaturbereichen bis +85 °C bisher nicht nutzen. Inzwischen setzt Pentair bei seinen Baugruppenträgern eine neue Schroff-EMV-Textildichtung für Temperaturen bis +85 °C ein (Bild 3). Sie ist ähnlich aufgebaut wie die bisherige EMV-Textildichtung. Allerdings kommt bei der neuen Dichtung ein anderer Kleber zum Einsatz und der Kern der Dichtung besteht nicht mehr aus TPE-Schaum, sondern aus Silikon. Diese neuen Materialien ermöglichen den Einsatz in höheren Temperaturbereichen. Die Schirmungswerte liegen im Bereich zwischen 30 und 800 dB sogar zirka 8 bis 10 dB höher als bei der Textildichtung für Temperaturen bis +70 °C. Bei Temperaturanforderungen höher als +85 °C sind weiterhin Edelstahldichtungen erforderlich.

Kühlungsmöglichkeiten

Je nach Temperatur und Einsatzbereich ist die Kühlung der im Baugruppenträger eingebauten Komponenten mit verschiedenen Konzepten möglich. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Konvektionskühlung, forcierter Kühlung und konduktiver Kühlung. Die Nutzung der natürlichen Konvektion ist die einfachste und preiswerteste Methode, um die Wärme abzuführen. Sie ist allerdings nur dann effektiv, wenn die Umgebungstemperatur deutlich unter der geforderten Innentemperatur liegt. Bei einer Raumtemperatur von 20 oder 25 °C können so etwa 10 W pro Steckplatz abgeführt werden.

Bild 4. Schroff Lüftereinschübe unterstützen die natürliche Konvektion.

Bild 4. Schroff Lüftereinschübe unterstützen die natürliche Konvektion. Pentair Technical Solutions

Am weitesten verbreitet ist die forcierte Luftkühlung, die in sehr vielen Fällen ausreichend ist. Lüfter oder Lüftereinschübe (Bild 4) unterstützen hier die natürliche Konvektion oder ermöglichen diese, wenn der Luftwiderstand der eingebauten Komponenten für die natürliche Konvektion zu groß ist. Auch hier muss die Umgebungstemperatur deutlich unter der geforderten Innentemperatur liegen. Typische Werte sind zum Beispiel 10 K Temperaturerhöhung im Slot oder im Chassis. Einzelne Komponenten auf den Steckkarten, wie zum Beispiel Prozessoren, können dabei jedoch deutlich wärmer werden. Bei der forcierten Luftkühlung unterscheidet man zwischen zwei grundsätzlich verschiedene Ansätze: Push- oder Pull-Kühlung. Bei der Push-Kühlung sitzen die Ventilatoren unter den zu kühlenden Boards und drücken (Push) die Luft an den heißen Bauteilen vorbei. Im Gegensatz dazu sind bei der Pull-Kühlung die Ventilatoren oberhalb der Boards angeordnet und saugen (Pull) die Luft durch den Kartenkorb.

Bild 5. Schroff Clamshells mit Wedge-Loks/Card-Loks oben und unten.

Bild 5. Schroff Clamshells mit Wedge-Loks/Card-Loks oben und unten. Pentair Technical Solutions

Die konduktive Kühlung, das Conduction Cooling, ist eine Möglichkeit, die Wärme innerhalb des Baugruppenträgers nicht über Luft als Medium, sondern durch direkten Materialkontakt nach außen abzuführen. Inzwischen gibt es hierzu viele Patente und Patentanmeldungen. Auch die Clamshell-Technologie von Pentair gehört dazu. Clamshells (Bild 5) sind oben und unten mit Wedge-Loks/Card-Loks sowie einem Ein-/Aushebegriff ausgerüstet und ermöglichen neben der absolut sicheren Fixierung der Leiterkarten im System eine weit effektivere Wärmeabfuhr durch die flächige Kontaktierung. Sie umhüllen die in der Regel beidseitig bestückten Leiterkarten von zwei Seiten. Zwei Ausführungen sind üblich: mit glatter Innenkontur und mit kundenspezifisch gefräster Innenkontur. Die gefräste Innenkontur entspricht der Negativabbildung der Leiterplattenbestückung. Damit entstehen Kontaktstellen zwischen der Innenseite des Clamshells und den Wärme erzeugenden Bauteilen. Für einen optimalen Wärmeübergang sorgen hier zusätzlich aufgebrachte spezielle elastische, wärmeleitende Pads. So wird die Wärme direkt zum Clamshell, über dessen Flansch und von dort zur Außenseite des Baugruppenträgers geleitet. Die Herausforderung liegt im Übergang von Metall zur Luft. Hier gibt es verschiedene Konzepte, wie zum Beispiel forcierte Luftkühlung. Hier werden die Kühlrippen an der Außenseite mit Lüftern angeblasen. Mit Conduction Cooling ist auch der Aufbau von Hybridsystemen möglich, bei denen ein Teil der Boards durch Luft und ein anderer per Conduction Cooling gekühlt werden. Als Service bietet Pentair seinen Kunden an, besonders kritische Wärmepunkte im Baugruppenträger, sogenannte Hotspots, per Simulation mit der Software Flotherm aufzudecken und empfiehlt anschließend eine passende Kühlungslösung.

Auch das Design ist wichtig

Bild 6. Individuelle Standardfrontplatten durch mechanische Bearbeitung, Aufdrucke und Gravur.

Bild 6. Individuelle Standardfrontplatten durch mechanische Bearbeitung, Aufdrucke und Gravur. Pentair Technical Solutions

Das Aussehen eines Baugruppenträgers wird vorwiegend durch seine Funktion und den meist vorgesehenen Einbau in einen Schrank bestimmt. Hier steht eindeutig die Funktionalität im Vordergrund. Jedoch bietet die Front des Baugruppenträgers im Design eine flexible Gestaltung. Die Frontplatten eines 19-Zoll-Baugruppenträgers werden für jede Anwendung individuell gefertigt und gestaltet (Bild 6). Frontplatten sind unbearbeitet und in unterschiedlichen Größen und Ausführungen erhältlich. Für die gewünschte mechanische Bearbeitung (Ausbrüche, Bohrungen und weitere) und Bedruckung bietet Pentair einen Rundum-Service mit einer umfassenden Palette an Frontplatten und Steckbaugruppen, mechanischer Bearbeitung, einer breiten Palette an Zubehör sowie der Möglichkeit, Frontplatten zu lackieren oder mehrfarbig (auch digital) zu bedrucken.

Leichte Montage

Nicht zuletzt spielt die Montagefreundlichkeit eines Baugruppenträgers eine große Rolle. In der Regel können sie sowohl als Bausatz, also in Einzelteilen, oder komplett montiert geliefert werden. Besonders bei der Lieferung in Einzelteilen muss sichergestellt sein, dass sich der Baugruppenträger einfach montieren lässt, ohne teures Spezialwerkzeug benutzen zu müssen oder zu viel Zeit zu investieren.