Effiziente Umhausungen für Embedded Systems

In vielen elektronischen Bereichen ist der Einsatz von Embedded Systems zur gängigen Praxis geworden. Damit diese Systeme auch unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen zuverlässig arbeiten, sind robuste und konstruktiv durchdachte Gehäuselösungen unverzichtbar. Neben dem mechanischen Schutz vor negativen äußeren Einflüssen müssen Gehäuse der implementierten Elektronik Integrationsmöglichkeiten für Leiterplatten und Modulen bieten, oder zur Entwärmung der Halbleiterbauteile beitragen. Je nach Anwendung kommen Aspekte wie die optische und funktionale Anpassung an das jeweilige Gerätekonzept hinzu. Aluminiumgehäuse haben sich hierbei als ideale Lösung etabliert. Insbesondere profilbasierte Aluminiumgehäuse ermöglichen durch die präzise Realisierbarkeit zweckdienlicher Details im Strangpressprozess und der hervorragenden Materialeigenschaften eine optimale Umhausung für Elektroniksysteme wie beispielsweise Embedded Systems. 

Modularität, Funktionsintegration und thermische Performance von Aluminiumgehäusen

Als erfahrener Hersteller von mechanischen Elektronikkomponenten offeriert Fischer Elektronik, neben Kühlkörpern und Steckverbindern, ein breites Portfolio von Aluminiumgehäusen in diversen Größen und Ausführungen. Darunter befinden sich profilbasierte Gehäuse, welche einem modularen sowie funktionsoptimierten Aufbau folgen, und aufgrund ihrer thermischen Leistungsfähigkeit als Wärmeableitgehäuse bezeichnet werden.

Der Tubus der Gehäusefamilie „EMB“ besteht beispielsweise aus einem stranggepressten und außen gerippten Aluminium-Schalenprofil (EN AW 6060 T66) sowie einer 2 mm starken Bodenplatte (AlMg1). An die Profilkontur angepasste Deckelplatten (AlMg1) schließen den Tubus front- und rückseitig ab und vervollständigen so den Grundaufbau. (Bild 1) Die Verwendung von stranggepressten Aluminiumprofilen erweist sich bei der Entwicklung von Elektronikgehäuse als sehr vorteilhaft. Zum einen werden sie bei Gehäuseherstellern als Meterware bevorratet und erst bei Bedarf zugeschnitten, was Anwendern die Gelegenheit bietet die Gehäuse, neben den Standardlängen (105, 150, 200 und 220 mm), auch in kundenspezifischen Längen zu bestellen. Des Weiteren lassen sie sich durch das Strangpressverfahren mit komplexen Geometrien, geringen Toleranzen sowie einer hohen Reproduzierbarkeit wirtschaftlich herstellen. Auf dieser Grundlage entstehen auch die Gehäuseschalen der EMB-Gehäuseserien. Sie sind mit verschiedenen praktikablen Konturelementen versehen, welche die Systemintegration erleichtern oder die Entwärmung der Halbleiterbauteile unterstützen.

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Petra Gottwald

Zur Montage der Bodenplatte besitzen die EMB-Gehäuseschale bodenseitig an beiden Schenkeln T‑Nuten, die der Aufnahme von Gewindestreifen (St1203) dienen, über welche die Fixierung der Bodenplatten mit M3‑Torx‑Schrauben erfolgt. Diese konstruktive Auslegung ermöglicht ein häufiges Öffnen und Schließen der Gehäuse, was ein klarer Vorteil für Anwendungen ist, bei denen die Bodenplatten regelmäßig abgenommen werden, um elektronische Komponenten zu warten oder auszutauschen. Die Befestigung der Deckelplatten gewährleisten vier im Schalenprofil integrierte Kanäle, welche an beiden Profilstirnseiten mit M3 Gewinden versehen sind.

Durch innere Konturelemente eröffnen die Gehäuseschale ein Montagesystem, das die Integration verschiedener Formfaktoren ermöglicht. Während Führungsnuten ein einfaches Einschieben von nicht genormten Leiterkarten oder Montageplatten auf unterschiedlichen Ebenen erlauben, bieten die in der Gehäusedecke integrierten T‑Nuten eine Aufnahme für Gewindestreifen oder variable positionierbare T‑Nutensteine, über die sich, abhängig vom Gehäuseformat, Mainboard‑Standards wie Mini‑ITX, Mini‑STX, EBX, Nano‑ITX, EPIC, ETX/XTX und PC/104 mithilfe geeigneter Befestigungselemente wie Abstandsbolzen montieren lassen.

Ein markantes Detail der EMB-Gehäusefamilie bildet die äußere Rippengeometrie. Sie dient jedoch nicht als Eyecatcher, sondern trägt vielmehr zur thermischen Leistung der Gehäuse bei. (Bild 2)

Da die vorrangige Funktion typischer Embedded Systems meist nur in einer Aufgabe besteht, arbeitet die Elektronik dieser Systeme mit niedrigen Spannungen und kleinen Strömen, und kann in der Regel ohne Lüfter betrieben werden. Doch selbst kleine Recheneinheiten erzeugen während des Betriebs kontinuierlich Verlustwärme, die bei unzureichender Abfuhr zu Überhitzung der Elektronik führt. Aufgrund der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit der Legierung EN AW 6060 von bis zu 210 (W/m·K) wirken die Gehäuse diesem Risiko entgegen, indem die Gehäuseschalen neben ihrer Funktion als robuste Umhausung gleichzeitig als effektive Wärmesenke dienen.

Mittels einer thermischen Anbindung der wärmeproduzierenden Bauteile mit der Gehäuseschale gelangt die Wärme in die Gehäuseschale, wird dort verteilt und anschließend über die Oberfläche der Gehäuseschale an die Umgebungsluft abgeleitet. Die gerippte Außengeometrie unterstützt diesen Prozess, da sie die Oberfläche vergrößert und es so zu einem besseren Energieaustausch mit der Umgebungsluft kommt. Damit Entwickler die thermische Leistung der Gehäuse besser einschätzen können, stellen Hersteller Diagramme bereit, aus denen sich der Wärmewiderstand der Gehäuseschale in Abhängigkeit von deren Länge direkt ablesen lässt. Je geringer der Rth-Wert ausfällt, desto effizienter leitet die Gehäuseschale die Wärme an die Umgebung ab. 

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Wie sich Leistungstransistoren entwärmen lassen

Üblicherweise enthalten Embedded Systems keine Leistungstransistoren, da deren Leistungsfähigkeit für die Anwendung solcher Systeme überdimensioniert wäre. Jedoch gibt es Anwendungen in denen sie gezielt eingesetzt werden. Für solche spezialisierten Fälle hat Fischer Elektronik das Gehäuse EMB FR 180 entwickelt, welches eine zuverlässige Befestigung und gleichzeitige Entwärmung von Leistungstransistoren ermöglicht. Neben T-Nuten zur Befestigung von 100 mm Europakarten und vier Führungsnuten zur Aufnahme von 160 mm Europakarten enthält die Gehäuseschale an der Innenseite beider Schenkel eine speziell entwickelte Kontur über die sich mittels Transistorhaltefedern (THFU 2, THFU 3, THFU 4 und THFU 6) verschiedenartige Transistorgehäusetypen einfach und schnell einclipsen lassen. Die durch die Geometrie der Haltefeder erzeugte Klemmkraft gewährleistet nicht nur eine dauerhafte und vibrationssichere Fixierung der Transistoren, sondern bewirkt zugleich einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem Transistor und der Gehäuseschale. Zur effektiveren Entwärmung der Transistoren verfügt die Schale auch seitlich auf den äußeren Schenkelseiten eine Rippengeometrie. (Bild 3)

Die Gehäuse-Variante EMB FR 180 hebt sich zusätzlich durch vier außenliegende Designstreifen aus UL94‑V0‑zertifiziertem Kunststoff hervor. Eingeschoben in dafür vorgesehene Führungsnuten der Gehäuseschale und durch die front- und rückseitigen Deckelplatten fixiert, bilden sie ein markantes gestalterisches Element. Die Designleisten sind in den Standardfarben türkisblau, erikaviolett, ultramarinblau, feuerrot und narzissengelb erhältlich, können jedoch auf Anfrage in zahlreichen weiteren RAL‑Farbtönen ausgeführt werden.

Erweiterungen und kundenspezifische Anpassungen für projektbezogende Anforderungen

Für eine vibrationssichere Integration in unterschiedliche Einbausituationen lassen sich die Gehäuse der EMB-Serie durch optionale Befestigungselemente erweitern. Die sichere Befestigung der Gehäuse auf Tragschienen mit Materialstärken zwischen 1 mm und 2,3 mm nach DIN EN 60715 TH 35 garantiert eine eigens dafür konzipierte Rastklammer, die aus einem Aluminiumprofil mit patentierter Geometrie und einer dort fest eingepressten Drahtformfeder aus rostfreiem Stahl besteht. Der aus Profilgeometrie und Feder resultierende Aufrastmechanismus ermöglicht ein werkzeugloses Aufschnappen von vorne auf die jeweilige Tragschiene.

Die unkomplizierte Montage an Tischflächen, Wänden oder Decken, ohne den Gehäuseinnenraum zu beeinträchtigen, gewährleisten je nach Gehäuse-Variante anschraubbare Befestigungslaschen oder einschiebbare Befestigungsprofile. (Bild 4)

Trotz der vorhandenen Konturelemente und Erweiterungsoptionen benötigen Anwender meist eine kundenspezifische Bearbeitung der Gehäuse. Der große Maschinenpark der Firma Fischer Elektronik erlaubt selbstverständlich auch umfangreiche Modifikationen sämtlicher Gehäusekomponenten nach Kundenvorgaben. Mittels Verfahren wie „Stanzen/Nibbeln“, „Lasern“ oder „Fräsen“ lassen sich notwendigen Anpassungen wie Durchbrüche, Lüftungsschlitze oder Frästaschen mit hoher Bearbeitungsqualität einbringen. Darüber hinaus stehen Beschriftungsverfahren wie das Siebdruckverfahren, Tampondruck, Untereloxaldruck und digitaler UV-Druck zur Verfügung.

Wärmeableitgehäuse wie die EMB-Serien werden standardmäßig in den Oberflächenausführungen naturfarben eloxiert, schwarz eloxiert oder einer Kombination aus beiden angeboten. Damit Kunden die Möglichkeit haben ihren Gehäusen eine individuelle Note zu geben bzw. harmonisch in das Corporate Design einzubinden, sind viele andere Eloxalfarben auf Anfrage realisierbar. So entstehen vollständig an die individuellen Anforderungen angepasste Gehäuse, die sowohl funktional als auch optisch überzeugen. (Bild 5) (na)