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Bild: Vicki Jauron, Babylon and Beyond Photography
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Vom Nordpol bis in die Sahara (Promotion) TQ-Embedded-Module - Robust in allen Lebenslagen

27.02.2017

Was macht ein wahrhaftig robustes Embedded-Modul aus? Wetterbeständigkeit ist nur eines der entscheidenden Kriterien. Welche Faktoren die zuverlässige Funktionsweise von Embedded-Modulen beeinflussen, erfahren Sie hier.

Wer Elektronik nur aus dem klimatisierten Büro kennt, kann sich kaum ausmalen, was außerhalb des Office Rechnern abverlangt wird. Das beginnt schon beim Wetter: Sowohl der klirrenden Kälte am Nordpol als auch der Hitze der Sahara, sowohl dem Staub in der Wüste als auch der Feuchtigkeit im Regenwald - all diesen extremen Umwelteinflüssen müssen Embedded-Module trotzen.

Nicht nur das Klima entscheidet

Das Wetter ist aber nicht der einzige Faktor, der auf ein Embedded-Modul einwirkt. Hinzu kommen Schocks und Vibrationen. In einem Lastwagen sind die Erschütterungen noch nicht so groß, direkt neben einem Schiffsdiesel sieht das schon anders aus. Auch die Beschleunigung kann sehr unterschiedlich ausfallen - je nachdem, ob das Modul in einer Maschine oder in einer Rakete verbaut ist.

Aber nicht nur aus solchen offensichtlichen Parametern ergibt sich seine Robustheit. Entscheidend ist auch, wie sich das Modul im Langzeiteinsatz verhält; ob es also auch nach Jahren noch zuverlässig und stabil läuft. Im weitesten Sinn spielt auch die langfristige Verfügbarkeit eines Embedded-Moduls für die Robustheit eine Rolle: Dann ist es robust in seiner langfristigen Lieferzuverlässigkeit.

Komponenten sind die halbe Miete

Ob ein Embedded-Modul verlässlich funktioniert, entscheidet sich im Wesentlichen in der Entwicklung. Die Wahl der Komponenten ist dabei der einfachere Teil, um ein Modul etwa für den erweiterten Temperaturbereich fit zu machen. Entsprechend für den erweiterten Temperaturbereich qualifizierte Komponenten auswählen - schon ist der halbe Weg geschafft. Auch das Thema langfristige Verfügbarkeit kann hier gleich mit erledigt werden. Dadurch ist das Modul aber noch nicht automatisch für den erweiterten Temperaturbereich qualifiziert.

Cool bleiben beim Layout Design

Im Design muss man eine vernünftige Wärmeverteilung und -ableitung sicher stellen. Innerhalb des Moduls erreicht man das durch geschickte Bauteilplatzierung und einen entsprechenden Lagenaufbau im Layout. Außerhalb des Moduls können Kühllösungen helfen, die erzeugte Wärme möglichst sicher von dem Embedded-Modul wegzuführen. In einem robusten System sollten keine rotierende Lüfter verbaut werden. Deshalb kommt der verwendeten passiven Kühlung eine besondere Bedeutung zu.

Sehr vorteilhaft ist es, wenn erst gar keine Hitze entsteht. Wo keine Hitze entsteht, muss auch keine Hitze abgeführt werden. Deshalb sollte man bereits im Design Hitzequellen vermeiden. Hierbei können in der Entwicklungsphase thermische Simulationen helfen.

Der Nachweis der Funktionsfähigkeit im erweiterten Temperaturbereich ist meist einfach möglich. Jeder Anbieter sollte entsprechende Klimaschränke besitzen, um Temperaturzyklen zu fahren. Eine noch genauere Aussage erhält man durch entsprechende HASS/HALT-Tests, die jedoch etwas aufwendiger sind.

Robustheit beginnt im Design

Ein wesentlicher Teil der Robustheit ergibt sich aus dem Layout-Design. Umfangreiche Design-Regeln und großes Design-Know-how helfen dabei, ein zuverlässiges Embedded-Modul zu entwickeln. Wichtig ist allerdings nicht nur das Layout-Design, auch der Lagenaufbau sorgt für ein robustes Design. Vorsichtig sein sollte man beim Einsparen von Lagen. Manchmal lassen sich zum Beispiel zwei Lagen entfernen, aus Stabilitätsgründen spart man unter Umständen aber an der falschen Stelle. Ein gutes Layout mit entsprechender Beschaltung sorgt für EMV-Festigkeit - sowohl bei der Abstrahlung, als auch bei der einwirkenden Störstrahlung.

Eingebettetes sicher verpacken

Staub alleine ist nicht unbedingt ein Todesurteil für die Elektronik. Wer den jahrelang benutzten Büro-PC aufschraubt, findet oft ein völlig verstaubtes Innenleben vor - dennoch hat der Rechner zuverlässig seinen Dienst geleistet. Die Kombination aus Staub und Feuchtigkeit hingegen kann sich fatal auf die Elektronik auswirken. Diese Mischung generiert oft Kurzschlüsse, die zu einem Systemausfall führen.

Dagegen hilft nur, die Elektronik und das Embedded-Modul sicher zu verpacken, etwa durch die richtige Oberflächenbeschichtung. Von Nanobeschichtung über Conformal Coating bis hin zum kompletten Vergießen ist alles machbar. Welches die beste Lösung ist, ergibt sich aus dem konkreten Einsatzgebiet. Soll es besonders robust werden, ist unter Umständen bei den BGA-Chips ein Underfill erforderlich.

Falls Staub in das Steckersystem gerät, ist es mit der Kontaktsicherheit des Embedded-Moduls meist vorbei. Robuste Systeme benötigen deshalb ein passendes Steckersystem. Offene Steckersysteme, wie SO-DIMM, bieten keine ausreichende Sicherheit für diesen Anwendungsfall.

So werden Stecksysteme unerschütterlich

Das Thema Schock- und Vibrationsfestigkeit ist ein ebenso häufiges, wie komplexes Thema für die Robustheit. Hier spielt die komplette Geometrie des Systems eine Rolle, inklusive der Montagepunkte. Durch konstruktive Maßnahmen lassen sich Eigenresonanzen vermeiden. Ganz wesentlich ist dabei das Stecksystem des Embedded-Moduls. Entscheidende Fragen dabei sind: Für welche Schock- und Vibrationswerte ist das Stecksystem ausgelegt? Wann verliert der Steckerkontakt die Verbindung, also ab wann gehen Signale verloren? Und im allerschlimmsten Fall: Wann fliegt das Modul aus den Gegenstecker?

Anders als oft angenommen, bietet eine Verschraubung keine absolute Sicherheit, denn bei SO-DIMM-Stecksystemen kann trotzdem der Kontakt verloren gehen. Ein Test gibt im Allgemeinen eine klare Auskunft darüber, ob ein System den Anforderungen standhält.

Nicht an der Robustheit sparen!

Robustheit hat ihren Preis. Wie robust ein Embedded-Modul tatsächlich ausgelegt sein muss, entscheidet der Einsatzort. Bei missionskritischen Anwendungen, zum Beispiel in der Raumfahrt, kann man sich vorstellen, dass bei der Robustheit keine Kompromisse gemacht werden sollten. Schließlich muss das Modul auf jeden Fall funktionieren. Der Preis darf in solchen Fällen kein Entscheidungskriterium sein. Ein Ausfall kostet in aller Regel ein Vielfaches der vermeintlich eingesparten Kosten.

Die TQ-Group legt bei der Entwicklung ihrer Embedded-Module besonderen Wert auf Robustheit. Umfangreiche FMEA-Betrachtungen in der Entwicklungsphase sorgen dafür, dass die Module zuverlässig funktionieren - auch in sehr rauen Umgebungen. Sichergestellt wird das durch umfangreiche Tests in der Entwicklungsphase. Auch das Anwenderfeedback aus mehr als 20 Jahren Einsatz von TQ-Modulen bestätigt die absolute Zuverlässigkeit der Module in allen Lebenslagen, zuverlässig über den gesamten Lebenszyklus des Produktes.

Bildergalerie

  • Energieeffizienz für Zukunftsdesign: TQMa6ULx - mit ARM Cortex™-A7 basierend auf i.MX6UL

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  • Multifunktionstalent für den universellen Einsatz: TQMa28L - mit ARM9 basierend auf i.MX28

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  • TQMx50UC – COM Express® Compact Modul (Type 6) mit 5. Generation Intel® Core™ i3/i5/i7 5000U

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