Stürze sind auch im Leben von elektronischen Geräten normal: Bereits vor der Auslieferung müssen manche Consumerprodukte nach dem Verpacken den Sturz vom Fließband in die Auffangwagen überstehen. Und beim Benutzen können Geräte wie Smartphones oder Bluetooth-Kopfhörer aus Versehen aus der Hand fallen. Aber nach wie vielen Stürzen bricht der Bildschirm eines Smartphones mit Sicherheit und welche inneren Schäden entstehen dabei? Diese und viele weitere Fragen beantworten Experten der Systemzuverlässigkeit im Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM. Getestet und bewertet wird auf Basis von beschleunigten Lebensdauer- sowie Belastungstests. Dazu kommen Methoden der Simulation und Analytik, um individuelle Bewertungen für ganz verschiedene Produkte zu ermöglichen. Schon zum Zeitpunkt des Designs kann somit die größtmögliche Robustheit eines Geräts sichergestellt werden.

Wie oft kann das Smartphone runterfallen, bis das Display bricht?

Um Geräte wie Smartphones oder Tablets auf ihre Robustheit zu prüfen, steht unter anderem ein Tumble-Tester zur Verfügung. In der Maschine in der Größe einer Waschmaschine werden die Geräte in rotierenden Trommeln immer wieder zum Sturz gebracht und somit der freie Fall aus unterschiedlichen Höhen simuliert. Gleichzeitig wird mit einer High-Speed-Kamera ermittelt, was im Moment des Aufpralls eigentlich passiert.

ECM-Testlabor für elektronische Bauteile

Im ECM-Testlabor können elektronische Bauteile unterschiedlichsten Belastungen, wie hier z.B. Sturz, ausgesetzt werden. Fraunhofer IZM

Doch damit nicht genug: Im Electronics-Condition-Monitoring-Labor lassen sich divese Belastungen für elektronische Geräte simulieren und somit Schlüsse über ihre Zuverlässigkeit, Robustheit und Lebensdauer ziehen. Beispielsweise können in einem kombinierten Teststand Vibration, Feuchte bis zu 95 % relativer Luftfeuchtigkeit und Temperaturen von -60° C bis 180°C appliziert werden. Auch berührungslose Schwingungsmessungen mit Laservibrometern sowie In-Situ-Erfassung elektrischer Parameter und Ausfälle von elektronischen Bauteilen sind möglich.

Aus den Testergebnissen lässt sich beispielsweise ableiten, wie die Geräte hinsichtlich ihrer Lebensdauer und Zuverlässigkeit optimiert werden können.

Aus den Testergebnissen lässt sich beispielsweise ableiten, wie die Geräte hinsichtlich ihrer Lebensdauer und Zuverlässigkeit optimiert werden können. Fraunhofer IZM

Mit Hilfe dieser Zustandsuntersuchungen können die Forschenden Fehlermechanismen identifizieren und die Elektronik nachhaltig optimieren. Auch Methoden zur Abschätzung der Lebensdauer werden in dem Labor entwickelt.

Anwendungsfelder

Nicht nur im Bereich der Konsumelektronik sind Zuverlässigkeitsbewertungen von Nutzen, auch leistungselektronische Lösungen sollen lange zuverlässig funktionieren. So wurde beispielsweise im Projekt AMWind ein Konzept des Condition Monitoring entwickelt, das es ermöglicht, die Elektronik in Off-Shore-Windkraftanlagen über große Entfernungen zu überwachen, Ausfallzeitpunkte genau vorherzusagen und somit die Betriebsführung zuverlässiger zu gestalten.

Virtuelle Möglichkeiten

Die Grenzen der Tests sind meistens durch die Prüfstände selbst gegeben. So ist zum Beispiel eine Voraussetzung für erfolgreiche Tests mit dem Tumble-Tester, dass die Testgeräte frei fallen können. Am Fraunhofer IZM lassen sich auch 13-Zoll-Notebooks testen. Größere Geräte nicht mehr. Hier werden Computersimulationen eingesetzt, um Belastungen zu prüfen, deren Umsetzung im Labor zu aufwändig wäre.

Auch zukünftig möchten die Forscher gerne mehr mit Herstellern von Smartphones und Smartwatches zusammenarbeiten. Aber auch in den Bereichen Automotive-, Harsh Environment- und Leistungselektronische Anwendungen unterstützen sie bei der Zuverlässigkeitsabsicherung.