Thermische Simulation eines Gehäuseprofils mit Heatspreader.

Thermische Simulation eines Gehäuseprofils mit Heatspreader. Fischer Elektronik

Es ist bereits jedem versierten Elektroniker bekannt, dass die Lebensdauer von Halbleitern mit steigender Betriebstemperatur drastisch verkürzt wird und dadurch logischerweise das Risiko für einen Totalausfall mit eventuell fatalen Folgen steigt. Je nach Einsatzort können Temperaturschwankungen zwischen -40 bis +60 °C auftreten, die für manche Systeme problematisch werden. Die Hardware an einem Embedded-System kann über eine Temperaturüberwachung und eine automatische Abschaltung geschützt werden. Jedoch ist bei diesen Systemen nicht der Selbstschutz maßgebend, sondern die Zuverlässigkeit bei einem 24/7-Dauerbetrieb. Um ungeplante Ausfälle zu vermeiden, ist ein durchdachtes thermisches Management notwendig, welches das System vor kritischen Temperaturen schützt. Dieses kann mittels einer Heizung oder einer Kühlung erfolgen, wobei die Letztere die Regel ist.

Bei einer Kühlung wird zwischen aktiver und passiver Kühlung unterschieden. Ein passiv gekühltes System besteht vorwiegend aus einem Gehäuse und einem integrierten Kühlkörper. Durch die Rippengeometrie ergibt sich eine Oberflächenvergrößerung, die die aufgenommene Wärmeenergie an die Umgebung abgibt. Für die Anbindung von verlustreichen Bauteilen, wie zum Beispiel Prozessor oder Spannungswandler, und dem Wärmetransport werden Kupferplatten (englisch heatspreader) in Kombination mit Wärmeleitrohren (englisch heatpipes) eingesetzt. Passivgekühlte Systeme sind durch die fehlenden Lüfter geräuschlos und können wegen der fehlenden Lüftungsöffnungen so gut wie wartungsfrei betrieben werden.

Alternativ zur passiven Kühlung bietet sich die aktive Kühlung von Embedded-Systemen mittels Lüfter oder Flüssigkeit an. Hierbei wird auch von einer erzwungenen Konvektion gesprochen. Durch den Einsatz von Lüftern wird die kühlere Umgebungsluft ins Gehäuse und die erwärmte Luft aus dem Gehäuse an die Umgebung abgegeben. Nachteilig ist die zusätzliche Überwachung der aktiven Komponenten wie Lüfter oder Pumpen. Des Weiteren müssen Wartungen durchgeführt werden, bei denen gegebenenfalls die Filterelemente getauscht werden müssen, die bei Vernachlässigung zu Störungen oder Ausfällen führen.

Für eine möglichst optimale Wärmeübertragung, beispielsweise vom Prozessor zum Kühlkörper, ist eine direkte Verbindung notwendig, die im Idealfall aus einer Kette von Komponenten besteht, die einen niedrigen Wärmewiderstand besitzen. Hierzu ist die Wahl des richtigen Wärmeleitmaterials sehr wichtig, um den Wärmeübergangswiderstand möglichst niedrig zu halten. Die Auswahl von Wärmeleitmaterialien ist so groß wie noch nie zuvor. Pasten und Folien mit unterschiedlichen Eigenschaften stehen für nahezu jede Applikation zur Auswahl. Hier empfiehlt es sich bei der Auswahl der passenden Lösung einen Experten zu Rate zu ziehen.

Das Risiko einer thermischen Fehlauslegung lässt sich durch eine thermische Simulation stark verringern. Moderne Simulationssoftware analysiert mittels 3D-Daten am Computer das System unter realitätsnahen Bedingungen. Dadurch lassen sich Systeme im Voraus evaluieren und thermisch kritische Stellen frühzeitig erkennen.

Schock- und Vibrationsfestigkeit

Der Einsatz von Embedded-Systemen bei mobilen Anwendungen wie in der Automobilbranche, bei der Bahn oder der Luftfahrt bringen weitere Anforderungen, wie die Schock- und Vibrationsfestigkeit, mit sich. Die Schockprüfung ist nach IEC 60068-2-27 und die Vibrationsprüfung nach IEC 60068-2-6 genormt. Auf speziellen Prüfständen lassen sich unterschiedliche extreme Situationen nachstellen, bei denen das Gehäuse und die Elektronik an die Grenzen gebracht werden. Hierzu kommen die Gehäuse samt Elektronik auf einen Schwingungserreger und werden zum Beispiel elektrodynamisch bei 5 bis 2700 Hz getestet. Gehäuse, die dynamischen Kräften ausgesetzt sind, werden durch zusätzliche Dämpferelemente im Inneren und zusätzlichen Schraubensicherungen robust ausgelegt.

 

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