Wichtige Aspekte für den IoT-PCB-Test

Als eines der am häufigsten verwendeten Vokabeln ist das IoT (Internet der Dinge), auch IoE (Internet of Everything) genannt, nach und nach in fast jeden Bereich des täglichen Lebens vorgedrungen. Derzeit sind wir von zahlreichen IoT-Geräten wie Fitness Tracker, Thermostat, Smart-LED und so weiter umgeben. Das auf der ITU (International Telecommunication Union) basierende IoT ist definiert als eine globale Infrastruktur, die fortschrittliche Dienste durch die Verbindung von (physischen und virtuellen) Dingen auf der Grundlage bestehender und sich entwickelnder interoperabler Informations- und Kommunikationstechnologien ermöglicht.
Standards für IoT-Anwendungen gibt es hauptsächlich auf zwei Arten. Auf der einen Seite liegen die Standards in der Stream-Verarbeitung, die die Objektdomäne, die wahrnehmende Kontrolldomäne, die Serviceanbieterdomäne, die Ressourcenaustauschdomäne, die Operationskontrolldomäne und die Benutzerdomäne abdeckt. Auf der anderen Seite basieren die Standards auf Hardware, die zur Integration von IoT-Anwendungen beiträgt, einschließlich Sensoren und Ausrüstung, die für die Front-End-Verarbeitung und Übertragungskommunikation verantwortlich sind.

Leistungsanforderung für IoT-Geräte

Ganz klar gehören IoT-Geräte zur elektronischen Produktdomäne. Sie müssen die gemeinsamen Anforderungen erfüllen, die für elektronische Produkte gelten. Spezifikationsanforderungen von IoT-Produkten müssen in Bezug auf Leistung und Funktion mit den Anforderungen im Anwendungssystem kompatibel sein. Außerdem müssen Anwendungsumgebung, Zuverlässigkeit, Sicherheit und EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) und andere Anforderungen aufgeführt werden. Darüber hinaus müssen IoT-Geräte den entsprechenden Gesetzen und Vorschriften in diesem Bereich entsprechen. Zum Beispiel sollten Informationsprodukte mit Anforderungen in Bezug auf EMC und Sicherheit kompatibel sein. Gesetze und Vorschriften unterscheiden sich in verschiedenen Bereichen und Ländern voneinander.

EMC/EMV und Sicherheit

Neben den Anwendungen kommerzieller elektronischer Produkte werden in der Regel von der Systemintegration entwickelte modulare elektronische Geräte verwendet, die meist Module mit speziellen Funktionen wie Leistungsmodul, Digital-Analog-Umwandlungsmodul, Datenerfassungsmodul, Kommunikationsmodul und Sensormodul und so weiter sind. Funktionen und Leistung müssen strikt den Anforderungen des Referenzstandards in Bezug auf EMV entsprechen. Wenn es um Kommunikationsmodule geht, müssen sie die Anforderungen bezüglich des Kommunikationsprotokolls erfüllen. Wenn es jedoch um drahtlose Kommunikation geht, muss die Anforderung des Funk-Managements erfüllt werden.

Anwendungsumgebung

Gewöhnliche elektronische Produkte sollten den Anforderung allgemeiner elektronischer Produkte entsprechen, was jedoch für IoT-Geräte nicht ausreichend ist. Beispielsweise sollten IoT-Systeme, die zur Überwachung eingesetzt werden, die Anforderungen erfüllen, die je nach Anwendungsumgebung geregelt sind. Basierend auf der Anwendungsumgebung können elektronische Geräte, die für IoT-Systeme verwendet werden, in vier Kategorien eingeteilt werden: Maschinenraumumgebung, Innenraumumgebung, Außenschutzumgebung und Außenumgebung.

Die Maschinenraumumgebung kann durch professionelle Ausrüstung gut gesteuert und von speziell zugewiesenen Mitarbeitern verwaltet werden. Ähnlich wie bei der normalen Anwendungsumgebung elektronischer Produkte sind die Temperaturen im Innenbereich von -5 °C bis +45 °C und die Luftfeuchtigkeit von 5 % bis 90 % geregelt. Im Gegensatz dazu betragen die Umgebungstemperaturen im Freien -25 °C bis +55 °C und die Luftfeuchtigkeit von 5 % bis 90 %. Spezifische Umgebungen unterscheiden sich ein wenig voneinander, wenn elektronische Produkte im Süden und Norden der Erdkugel angewendet werden.

Abgesehen von den Klima- und Umweltelementen müssen andere Bedingungen wie Spannung, Frequenz, Blitzschutz, Wasserschutz und Erdung einheitlich berücksichtigt werden. Zum Beispiel müssen Blitzschutzeigenschaften bei Sensoren oder Systemen berücksichtigt werden, die auf Berggipfeln oder an Gebäuden installiert werden. Das Erdungssystem muss unter Berücksichtigung des Blitzschutzes geplant werden.
Wenn elektronische Produkte für IoT verwendet werden, müssen daher die Rollen, die sie in einem System spielen, und die Auswirkungen der Montage- und Anwendungsbedingungen auf Sicherheit und EMV berücksichtigt werden.

Funkmodule und Kompatibilität

Wenn es um elektronische Geräte geht, in denen ein drahtloses Übertragungsmodul montiert ist, sollte die maximale mögliche Feldstärke basierend auf der maximalen Übertragungsleistung ermittelt werden. Elektronische Ausrüstung, die zu einem System zusammengesetzt ist, sollte eine entsprechende Störfestigkeit aufweisen und eine Leistungsindexreduzierung sollte in der Datei, die die Leistungsprodukte zeigt, angegeben werden. Spezifikationen von Funkübertragungskomponenten, die um empfindliche Geräte herum montiert werden, sollten Informationen in Bezug auf Arbeitsfrequenz, Leistung und Arbeitsmodus enthalten, damit Kompatibilitätsprobleme von Benutzern bewertet werden können.

Widerspruch zwischen Leistung und Kompatibilität

Ein weiteres wichtiges Thema für IoT liegt im Bereich der drahtlosen Versorgung. In einigen Anwendungen erwarten Systembenutzer, dass der Abdeckungsbereich größer ist oder dass sie einen besseren Übertragungs- oder Schreib-/Leseeffekt erhalten. Dies führt jedoch dazu, dass die Sendeleistung von Funkgeräten zu großen Teilen verändert wird und Interferenzen mit peripheren Geräten verursacht werden oder über die Grenzwerte hinausgehen. Daher sollten Einschränkungen hinsichtlich der Sendeleistung von Funkgeräten und EMV in Betracht gezogen werden, damit sie die Anwendungsanforderungen in Übereinstimmung mit den Gesetzen und Vorschriften erfüllen können.

Geteilte Frequenzstörung

Ein integriertes IoT-System hängt von mehreren Kommunikations- und Sondierungstechniken ab, die normalerweise die gemeinsame Frequenz nutzen, was zu Interferenzen führen kann. Da Teilprojekte des gleichen IoT-Systems an verschiedene Systementwickler untervergeben werden, wird, wenn diese Interferenzprobleme nicht erfolgreich gelöst werden können, sich dies negativ auf die Kompatibilität auswirken. Einige Entwickler versuchen, ihre eigenen Probleme zu lösen, indem sie die Übertragungsleistung erhöhen, um ihre Kosten zu reduzieren. Die letztendliche Konsequenz ergibt sich daher aus einer relativ hohen Sendeleistung von Endprodukten, die periphere Elektronikgeräte und die menschliche Gesundheit bedrohen können.

Basierend auf den genannten Leistungsanforderungen für IoT-Geräte sollten IoT-PCB-Tests unter folgenden Gesichtspunkten durchgeführt werden: elektrische Sicherheit, EMV, Umwelteignung und Informationssicherheit.

Elektrische Sicherheit

Elektrizität spielt eine Schlüsselrolle im gesamten System. Das Testen und Bestätigen der Nennspannung, des Stroms und der Leistung der IoT-PCB ist für den gesamten Testprozess von grundlegender Bedeutung. Da IoT-Geräte meist zu Hause verwendet und in der Regel direkt von Personen berührt werden, muss der Berührungsstrom berücksichtigt werden und ein Sicherheitstest durchgeführt werden. Außerdem muss die Temperaturgrenze streng eingehalten  werden. Es muss sichergestellt sein, dass die weitere Wärmeabfuhr geregelt ist.

Bei elektronischen Produkten, die als Haushaltsgeräte verwendet werden, führen die Hersteller in der Regel während der Produktdesignphase doppelte elektrische Sicherheitsmaßnahmen durch. Daher ist es notwendig, doppelte Schutzfähigkeitstests zu implementieren, die Aspekte in Überstromschutzvorrichtungen, Isolationswiderstand, dielektrische Intensität, elektrisches Spiel und Kriechstrecke abdecken.

EMC/EMV

Aufgrund der Tendenz zu Miniaturisierung, höherer Dichte und hoher Geschwindigkeit, die insbesondere auf IoT-Vorrichtungen aufgrund von Funktionen von kurzer oder großer Entfernung angewendet werden kann, hat die EMV bei PCB-Tests zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dabei muss besonders auf die Umgebung geachtet werden, weshalb ein EMV-Test auf IoT-Leiterplatten unvermeidlich ist. Die Prüfung auf elektromagnetische Interferenz kann einschließlich leitender Emission, Strahlungsinterferenzfeldintensität und Oberwellenstrom durchgeführt werden.

Da elektromagnetische Wellen in unserer Umgebung von mehreren Geräten erzeugt werden, ist es äußerst wichtig, dass IoT-Produkte richtig funktionieren, auch wenn sie durch externe elektromagnetische Wellen gestört werden. Daher muss auf IoT-Leiterplatten eine Störfestigkeitsprüfung durchgeführt werden.

Umweltverträglichkeit

Aufgrund der Komplexität der Anwendungsumgebung wird die Umwelteignung als eines der entscheidenden Elemente für die Beurteilung der Leistung eines Produkts angesehen. Vor dem Testen ist es von großer Bedeutung, Anwendungsbereiche (Innen- oder Außenbereich), Anwendungszustand (fest oder tragbar) oder extreme Anwendungsumgebungen (Frost, Höhenlage, Feuchtigkeit…) und Verifikationsschemata zu kennen, die im späteren Zuverlässigkeitstest durchgeführt wurden. Basierend auf der Anwendungsumgebung der IoT-Produkte sollten IoT-PCB-Tests unter diesen Gesichtspunkten durchgeführt werden: Hoch- und Tieftemperaturtest, Feuchtigkeits- und Hitzetest, Salzsprühtest, Niederdrucktest, Vibrationstest und Stoßtest.

Informationssicherheit für IoT-PCB-Test

Die Hauptunterscheidung zwischen IoT-Produkten und traditionellen elektronischen Produkten besteht darin, dass die Ersteren Daten durch Aussenden und Empfangen von Signalen übertragen können, um Anweisungen zu erhalten oder Umgebung zu steuern, was die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Datenübertragung signifikant macht. Daher müssen IoT-Geräte die Geheimhaltung, Genauigkeit und Sicherheit bei der Datenübertragung gewährleisten. Wenn IoT-Leiterplatten getestet werden, muss daher Informationssicherheit, einschließlich physischer Sicherheit, Maschinensicherheit, Netzwerksicherheit, Anwendungssicherheit, Datensicherheit und Backups in Betracht gezogen werden.

PCB-Tests für Leistung und Funktionen spielen eine entscheidende Rolle bei der Beurteilung und Sicherstellung der Qualität elektronischer Produkte. Dies ist besonders wichtig für IoT-Produkte, -Geräte und -Systeme, da IoT so viele Dinge verbindet, die das Leben von Menschen betreffen.

(jj)