Leiterplatten, die in rauen und extremen Umgebungen eingesetzt werden, sind extremen Temperaturen, Feuchtigkeit, Vibrationen, Stößen und anderen Bedingungen ausgesetzt, die ihre Leistung und Zuverlässigkeit beeinträchtigen können. Um diese Art von Leiterplatten zu designen, braucht man das richtige Wissen und die richtigen Werkzeuge. In zwei Blogbeiträgen werden wir erläutern, was unter dem Begriff „extreme Umgebung“ zu verstehen ist und wie man Leiterplatten für diese Umgebungen designt.
Ende 2022 absolvierte ich die sechswöchige IPC-Schulungszertifizierung PCB Design for Military, Aerospace and Other Extreme Environments. Dieser tiefgreifende Kurs vermittelte mir das nötige Wissen und die notwendigen Werkzeuge, um Kunden, die Designs für diese rauen und/oder extremen Umgebungen entwickeln, zu unterstützen. Unabhängig davon, ob es sich um Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Militär oder in der Industrie handelt, kann die Leiterplatte in rauen Umgebungen extremen Temperaturen, Feuchtigkeit, Vibrationen, Stößen und anderen Bedingungen ausgesetzt sein, die ihre Leistung und Zuverlässigkeit beeinträchtigen können.
Ich habe diesen Kurs mit sehr viel neuem Wissen verlassen, das ich weitergeben möchte. Im ersten Teil dieser zweiteiligen Reihe werde ich zunächst die Arten von Anwendungen und Produktbeispielen sowie die Kriterien erörtern, die dazu führen, dass eine Umgebung als extrem gilt. Später, im zweiten Teil, werde ich auf einige Tipps eingehen und erläutern, wie man das Design für solche Umgebungen anpassen kann, indem man die Einsatzbedingungen und die Auswahl geeigneter Materialien sorgfältig berücksichtigt.
Anwendungsbereiche und Produktbeispiele
Luft- und Raumfahrt
Die Trägheitsmesseinheit (IMU) ist ein elektronisches Gerät, das zur Messung der Ausrichtung, Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Flugzeugs, Raumfahrzeugs oder Flugkörpers verwendet wird. Sie liefert wichtige Daten für die Flugsteuerung und Navigation und ist für die Aufrechterhaltung eines sicheren und präzisen Flugbetriebs in rauen Luft- und Raumfahrtumgebungen unerlässlich.
Tiefsee
Ein autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV) ist ein Roboterfahrzeug, das ohne Leine oder Fernsteuerung arbeitet und mit bordeigenen Sensoren und Navigationssystemen navigiert und Aufgaben in der Tiefsee erfüllt. AUVs können für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z. B. für die Unterwasserkartierung, die Ozeanografie sowie die Öl- und Gasexploration.
Tiefbohrungen
MWD-Geräte (Measurement While Drilling) sind elektronische Geräte, die während der Bohrarbeiten installiert werden, um verschiedene Parameter wie Temperatur, Druck und den Verlauf des Bohrlochs zu messen. MWD-Geräte übertragen diese Daten in Echtzeit an die Oberfläche, so dass der Bohringenieur Entscheidungen treffen und die Bohrparameter nach Bedarf anpassen kann.
Verteidigung
Robuste Kommunikationssysteme, bei denen es sich um spezielle elektronische Geräte handelt, die für die extremen Bedingungen in Verteidigungsumgebungen, wie extreme Temperaturen, Feuchtigkeit, Stöße und Vibrationen, ausgelegt sind. Sie sind so konstruiert, dass sie auch unter rauen Bedingungen zuverlässig funktionieren und wichtige Daten und Kommunikationsfunktionen für das Verteidigungspersonal bereitstellen.
Welchen Belastungen kann die Leiterplatte in diesen Umgebungen ausgesetzt sein?
Es gibt zahlreiche weitere Anwendungsbeispiele und unzählige Produkte, die extremen Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Sehen wir uns nun die Einflussfaktoren an, denen die Leiterplatten in diesen Umgebungen ausgesetzt sein können.
Feuchtigkeit und Korrosion
Wasser und/oder Feuchtigkeit können in die Leiterplatte eindringen und Korrosion oder Oxidation verursachen, was mit der Zeit zu einer Zersetzung der Leiterplatte und ihrer Komponenten führt. Speziell bei Unterwasseranwendungen kann das Vorhandensein von Salzwasser dieses Problem aufgrund seiner korrosiven Eigenschaften noch verschärfen.
Druck
Hoher Druck ist bei diesen Anwendungen weit verbreitet (z. B. in der Tiefsee und im Weltraum). Je nach Tiefe und Art der Anwendung können Leiterplatten einem hohen Druck ausgesetzt sein, der die mechanische Integrität der Leiterplatte beeinträchtigen kann. Im Vakuum des Weltraums treten bei Leiterplatten aufgrund des fehlenden Atmosphärendrucks zahlreiche Probleme auf.
Temperatur
Hier geht es nicht nur um große Hitze oder Temperaturen unter dem Gefrierpunkt. Die Temperaturschwankungen im Ozean oder, was noch wichtiger ist, bei einem Satelliten im Weltraum können je nach Standort und Ausrichtung zur Sonne stark variieren. Befindet sich ein Satellit in direktem Sonnenlicht, kann er aufgrund der intensiven Sonneneinstrahlung extrem hohen Temperaturen ausgesetzt sein. Die Temperatur kann auf der der Sonne zugewandten Seite bis zu 200 °C oder mehr betragen, während es auf der schattigen Seite bis zu -200 °C oder weniger kalt sein kann.
Vibration und Schock
Bei diesen Anwendungen kann die Leiterplatte auch erheblichen Vibrationen oder Erschütterungen ausgesetzt sein, was zu Schäden an der Leiterplatte und ihren Komponenten führen kann. Das können z.B. starke Winde sein. Als ich etwa bei der US-Luftwaffe war, saß ich da und sah zu, wie F-16-Flugzeuge auf der Startbahn abhoben. Die Geschwindigkeit und Kraft, mit der sie beschleunigen, ist unglaublich hoch. Eine Leiterplatte muss dieser enorm starken Beschleunigung standhalten.
EMI/RFI-Störungen
In vielen dieser Umgebungen kann die Leiterplatte auch elektromagnetischen Störungen (EMI) oder Hochfrequenzstörungen (RFI) ausgesetzt sein, die die Leistung der Leiterplatte und ihrer Komponenten beeinträchtigen können.
Andere Umweltgefahren
Bei bestimmten Anwendungen können Leiterplatten auch einer Reihe von Umweltgefahren ausgesetzt sein, z. B. Wind, Sand, Staub und Schutt. Diese können in die Leiterplatte eindringen und Schäden verursachen oder die Leistung der Leiterplatte beeinträchtigen.
Zuverlässige Leiterplatten sind in extremen Umgebungen unerlässlich
Schließlich wollen wir noch den vielleicht wichtigsten Aspekt dieser Baugruppen erörtern. Sie müssen absolut zuverlässig sein. Hier gibt es keine Kompromisse. Das ist nicht wie bei einem Toaster, wo ich einen neuen kaufen oder ohne ihn leben kann, wenn er defekt ist oder nicht mehr funktioniert. Es darf keine Ausfallzeiten geben. Wussten Sie, dass es etwa 10.000 Dollar kostet, ein Pfund Masse ins All zu bringen? Wir müssen Leiterplatten so konstruieren, dass die Sicherheit und Funktionalität missionskritischer elektronischer Systeme gewährleistet ist. Der Ausfall auch nur einer einzigen Leiterplatte kann schwerwiegende Folgen haben, die von Fehlfunktionen der Geräte bis zum Verlust von Menschenleben, Eigentum oder unternehmenskritischen Informationen reichen. Aus diesem Grund müssen Leiterplattendesigner und -lieferanten äußerst sorgfältig darauf achten, dass ihre Produkte die hohen Zuverlässigkeitsstandards erfüllen, die für diese Anwendungen erforderlich sind. Auf diese werde ich im zweiten Teil dieser Reihe näher eingehen.
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