Spis treści:
- 1 Eine defekte Wetterstation also Wasser und Feuchtigkeit
- 2 Temperatur, nicht nur zu hoch
- 3 Elektrostatische Entladung
- 4 Unbekanntes Problem im Cleanroom - Staub und Schmutz
- 5 Unsichtbare Schäden, also Stöße und Vibrationen
- 6 Der unsichtbare Feind - elektromagnetische Störungen
- 7 Elektronik in OP1, also chemische Gefährdungen
- 8 Wie Satelliten sterben - kosmische Strahlung
- 9 Denken Sie daran - Elektronik ist nicht unsterblich
Die moderne Elektronik ist ein fester Bestandteil unseres Lebens und in fast allen Bereichen des täglichen Lebens präsent. Von intelligenten Haushaltsgeräten bis hin zu fortschrittlichen medizinischen Systemen sind die elektronischen Komponenten, die normalerweise in Gehäusen verborgen sind, integrale Begleiter unseres Alltags. Um die Leistung und Zuverlässigkeit der Geräte zu erhalten, ist es jedoch notwendig, die elektronischen Komponenten zu verstehen und wirksam vor äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit, Staub, Vibrationen oder elektromagnetischen Störungen zu schützen.
Nahezu jedes Gerät ist spezifischen Schäden ausgesetzt, vom Mobiltelefon, das uns an verregneten Abenden begleitet, bis hin zu Flugsteuerungssystemen in Flugzeugen, die unter extremen Wetterbedingungen arbeiten müssen. Die zerstörerischen Faktoren für die Elektronik sind sehr zahlreich, und jeder ist eine eigene Herausforderung für die Entwickler der Geräte und Maschinen, die uns täglich begleiten.
In diesem Artikel werden wir in die Welt der elektronischen Sicherheit eintauchen. Wir werden erfahren, wie Ingenieure und Konstrukteure Lösungen entwickeln, die es den Geräten ermöglichen, unabhängig von den Witterungsbedingungen, der Umgebung oder den harten Anforderungen der Anwendung zuverlässig zu funktionieren. Wir werden moderne Technologien und Praktiken kennenlernen, um dies zu erreichen, und erfahren, warum die Sicherung von Elektronik in der heutigen digitalen Welt so wichtig ist.
Eine defekte Wetterstation also Wasser und Feuchtigkeit
Wasser und damit Feuchtigkeit gehören zu den zerstörerischsten externen Faktoren, die Elektronik erheblich beschädigen können. Ihre Auswirkungen auf elektronische Geräte sind äußerst gefährlich, da sie zu ernsten Problemen wie Kurzschlüssen und Korrosion führen.
Wasser ist aufgrund seiner leitenden Eigenschaften besonders zerstörerisch. Gelangt es ins Innere des Geräts, kann es Kurzschlüsse zwischen Bauteilen, Leitungen oder Drähten verursachen, was wiederum zu schwerwiegenden Ausfällen oder dem vollständigen Tod des Geräts führt. Darüber hinaus kann Feuchtigkeit auch Metallkomponenten auf Leiterplatten und Anschlüssen korrodieren, was zu einer langfristigen Verschlechterung und einem Verlust der Verbindungen zwischen ihnen führt. Dies ist besonders wichtig für Geräte, die in Meeresumgebungen oder in der Industrie eingesetzt werden, wo ständig Feuchtigkeit vorhanden ist. Darüber hinaus kann Feuchtigkeit Geräte wie Wetterstationen im Haus oder Solarleuchten, die den Garten beleuchten, beschädigen.
Der Schutz von Elektronik vor den Auswirkungen von Wasser und Feuchtigkeit erfordert fortschrittliche Technologien wie Dichtungen, hydrophobe Beschichtungen und hermetische Gehäuse. Darüber hinaus kann auch eine angemessene Belüftung und Temperaturkontrolle dazu beitragen, das Risiko von Feuchtigkeitsschäden zu verringern. Es ist erwähnenswert, dass in der heutigen Welt, in der Elektronik zunehmend in unserer Umgebung präsent ist, ein wirksamer Wasser- und Feuchtigkeitsschutz zu einem Schlüsselelement für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit elektronischer Geräte wird.
Temperatur, nicht nur zu hoch
Die Temperatur ist ein weiterer wichtiger äußerer Faktor, der die Zuverlässigkeit und Leistung der Elektronik erheblich beeinträchtigen kann. Elektronische Bauteile sind oft sehr empfindlich gegenüber extremen Temperaturen, sowohl gegenüber extremer Abkühlung als auch gegenüber großer Hitze. Seine zerstörerische Wirkung zeigt sich sowohl in Spannungsspitzen als auch in der Veränderung des Materialwiderstands.
In der Raumfahrtindustrie herrschen extrem niedrige Temperaturen. Bauteile, Verbindungen und damit ganze Einheiten sind seiner zerstörerischen Natur ausgesetzt, die sich beispielsweise in der Versprödung von Bauteilwerkstoffen äußern kann. Andererseits beschleunigen die hohen Temperaturen, die in Computersystemen oder Industrieanlagen auftreten können, den Abbau von Halbleiterkomponenten, wodurch sich ihre Lebensdauer verkürzt und ihre Leistung verringert. Wenn Sie mehr über die Auswirkungen von hohen Temperaturen auf Halbleiter erfahren möchten, empfehle ich Ihnen einen Blick auf einen meiner Beiträge über den brennenden Transistor.
Um die Elektronik vor den Auswirkungen der Temperatur zu schützen, werden verschiedene Techniken angewandt, die man als Wärmemanagement bezeichnen kann. Typische Beispiele sind die aktive und passive Kühlung sowie Wärmedämmstoffe. Die Verwendung spezifischer elektronischer Komponenten mit erhöhter Temperaturbeständigkeit ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung. Das Verständnis der Auswirkungen der Temperatur auf eine bestimmte Anwendung ist für die Entwicklung zuverlässiger elektronischer Schaltungen von grundlegender Bedeutung, insbesondere in Bereichen, in denen erhebliche Temperaturschwankungen herrschen.
Elektrostatische Entladung
ElektrostatischeEntladung, auch einfach als ESD (ElectroStatic Discharge) bezeichnet, ist eine erhebliche Bedrohung für die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Elektronik. Diese plötzlichen Ströme elektrischer Ladung können durch ein Potenzialungleichgewicht zwischen zwei Punkten entstehen, das häufig bei der Montage, Lagerung oder Handhabung elektronischer Bauteile auftritt. Die zerstörerischen Auswirkungen von ESD auf die Elektronik werden besonders im Mikrobereich deutlich, wo selbst kleine Entladungen Schäden an integrierten Schaltungen, Transistoren und anderen Bauteilen verursachen können.
Die Auswirkungen von ESD beschränken sich nicht nur auf physische, allgemeine Bauteilschäden, sondern können auch zu versteckten Defekten führen, die nicht sofort erkennbar sind. Solche Schäden können den Betrieb des Geräts stören oder zu einer allmählichen Verschlechterung führen. Daher ist ESD eine der Hauptursachen für das Versagen elektronischer Schaltungen und kann die Wartungskosten und die Zuverlässigkeit elektronischer Geräte erheblich beeinträchtigen.
Es werden verschiedene Vorsichtsmaßnahmen getroffen, um die Elektronik vor den Auswirkungen von ESD zu schützen, z. B. eine ordnungsgemäße Erdung, die Verwendung spezieller ESD-Schutzvorrichtungen oder die Einhaltung ordnungsgemäßer Verfahren bei der Handhabung und dem Zusammenbau elektronischer Komponenten. Auch die Entwicklung von Schaltkreisen unter Berücksichtigung des ESD-Schutzes ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung langlebiger und zuverlässiger elektronischer Systeme. Die Auswirkungen von ESD zu verstehen und sich ihrer bewusst zu sein, ist von grundlegender Bedeutung für den Schutz der Elektronik vor diesem zerstörerischen Faktor.
Unbekanntes Problem im Cleanroom - Staub und Schmutz
Staub und Schmutz sind Faktoren, vor denen es kein Entrinnen gibt, und, was am schlimmsten ist, sie können die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Elektronik erheblich beeinträchtigen. Diese mikroskopisch kleinen Partikel, die sich auf den Oberflächen und in den Ritzen elektronischer Geräte ablagern, führen zu einer Vielzahl von Problemen, die von der Überhitzung von Bauteilen bis hin zu Fehlfunktionen der Geräte reichen.
Eine Staubschicht auf elektronischen Bauteilen kann als Wärmeisolator wirken, was zu einer Überhitzung der Bauteile führt und gleichzeitig einen angemessenen Luftstrom im Gerät behindert. Daher können elektronische Geräte, die in staubigen Umgebungen arbeiten, wie z. B. in Lagerhäusern oder in der Papierindustrie, leicht beschädigt werden. Darüber hinaus kann angelagerter Staub empfindliche Komponenten wie Drähte und Kontakte stören.
Zum Schutz der Elektronik vor Staub- und Schmutzeinwirkung werden verschiedene Maßnahmen ergriffen, wie z. B. spezielle Gehäuse, Luftfilter, luftdichte Abdichtungen sowie die regelmäßige Wartung und Reinigung der Geräte. Eine angemessene Belüftung und Kontrolle der Arbeitsumgebung spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Minimierung der Auswirkungen dieser unerwünschten Faktoren auf die Elektronik.
Unsichtbare Schäden, also Stöße und Vibrationen
Stöße und Vibrationen stellen eine ernsthafte Herausforderung für die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Elektronik dar, insbesondere in Situationen, in denen die Geräte regelmäßigen und starken Vibrationen ausgesetzt sind. Die zerstörerische Wirkung dieser Faktoren zeigt sich besonders bei integrierten Schaltkreisen, Festplatten, mechanischen Komponenten und Verbindungen.
Stöße und Erschütterungen können zu losen oder unterbrochenen Verbindungen zwischen elektronischen Bauteilen führen, was Stromkreisunterbrechungen und größere Ausfälle zur Folge haben kann. Darüber hinaus sind mechanische Komponenten wie Festplatten besonders anfällig für Vibrationsschäden, die zu Datenverlust und dauerhaften Schäden am Gerät führen können.
Um die Auswirkungen von Stößen und Vibrationen auf die Elektronik zu beseitigen oder zumindest zu verringern, werden verschiedene Techniken eingesetzt, z. B. Dämpfung, Federung und spezielle Gehäuse und Halterungen, die die Vibrationsenergie absorbieren. Es ist auch gängige Praxis, Geräte so zu konstruieren, dass sie stoßfest sind; in diesem Fall werden verstärkte Verbindungen und mechanischer Schutz verwendet.
Der unsichtbare Feind - elektromagnetische Störungen
ElektromagnetischeStörungen, auch bekannt unter dem Begriff EMI (ElectroMagnetic Interference), sind ein erheblicher Risikofaktor für die Elektronik. Zu diesen Störungen gehören eine Vielzahl von elektromagnetischen Signalen, wie z. B. Funkwellen, Funkstörungen, elektromagnetische Felder oder das so genannte elektromagnetische Rauschen. Dessen Auswirkungen auf die Elektronik können zerstörerisch sein und zu Instabilitäten im Betrieb, Verzerrungen bei der Signalübertragung oder im Extremfall sogar zur Beschädigung von Bauteilen führen.
Bei Geräten, die in unmittelbarer Nähe von EMI-Quellen betrieben werden, wie z. B. Elektromotoren oder Telekommunikationsgeräte, können elektromagnetische Störungen zu Fehlern bei der Datenübertragung führen und die Leistung der Elektronik beeinträchtigen. In einigen Fällen kann starke EMI zu Schäden an Bauteilen wie Transistoren oder Mikroprozessoren führen, was wiederum kostspielige Reparaturen und Ausfallzeiten zur Folge haben kann.
Um die Elektronik vor elektromagnetischen Störungen zu schützen, werden verschiedene Lösungen eingesetzt, wie z. B. Abschirmungen, EMI-Filter und die entsprechende Anordnung von Bauteilen auf den Leiterplatten. Der EMI-Schutz wird oft schon in der Entwurfsphase durch die Verwendung von metallischen elektromagnetischen Abschirmungen und geeigneten Gehäusen berücksichtigt. Das Verständnis für die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen und geeignete Schutzmaßnahmen sind der Schlüssel zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Einheitlichkeit der elektronischen Leistung, insbesondere in der heutigen Umgebung, die mit einer Vielzahl von EMI-Geräten und -Quellen übersättigt ist.
Elektronik in OP1, also chemische Gefährdungen
Chemische Stoffe ist ein ziemlich allgemeiner Begriff, der auch eine Bedrohung für die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Elektronik darstellen kann. Chemikalien können die Leistung und Langlebigkeit beeinträchtigen, insbesondere bei Geräten, die in Umgebungen und Räumen betrieben werden, in denen aggressive Chemikalien vorhanden sind.
Säuren, Laugen und Salze können zur Korrosion von Metallkomponenten auf Leiterplatten und anderen Teilen elektronischer Systeme führen. Unerwünschte Stoffe sind auch organische Lösungsmittel wie Aceton oder Toluol, die Kunststoffgehäuse und Isolatoren in elektronischen Geräten auflösen und beschädigen können. Darüber hinaus gibt es eine ganze Reihe von aggressiven Chemikalien, wie z. B. Chlor, die die Bauteile beschädigen und zu Korrosion führen können.
Der Schutz von Elektronik vor chemischen Stoffen ist ein sehr umfangreiches Thema. Wir können auf eine Vielzahl von Schutzmethoden treffen, wie hermetische Gehäuse, Dichtungen und spezielle Schutzbeschichtungen. Die Auswahl geeigneter Materialien, die gegen aggressive Chemikalien resistent sind, ist ebenfalls entscheidend für die Entwicklung zuverlässiger elektronischer Geräte. Für Geräte, die in der chemischen, labortechnischen oder medizinischen Industrie eingesetzt werden, ist der Chemikalienschutz ein unverzichtbarer Bestandteil zur Gewährleistung von Zuverlässigkeit und Haltbarkeit.
Wie Satelliten sterben - kosmische Strahlung
Kosmische Strahlung ist eine der einzigartigsten und potenziell zerstörerischsten Bedrohungen für elektronische Geräte. Diese Strahlung besteht aus verschiedenen Arten von geladenen Teilchen wie Protonen, Elektronen und Atomkernen, die sich mit hoher Energie fortbewegen und den Raum durchdringen. Die Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf die Elektronik zeigen sich besonders deutlich bei Geräten, die in und außerhalb der Erdumlaufbahn betrieben werden, wie Satelliten und Raumsonden.
Kosmische Strahlung kann den Siliziumkern eines integrierten Schaltkreises fast unbemerkt beschädigen und so Speicherfehler oder einen instabilen Betrieb des Geräts verursachen. Der gesamte Prozess beruht auf dem Phänomen der Ionisierung, die die Ladung der Elektronen im Chip verändern oder den Stromfluss unterbrechen kann. Langfristig kann die kosmische Strahlung zu einer Verschlechterung von Materialien, insbesondere von Halbleitern, führen, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Geräten verringert.
Konstrukteure von Weltraumausrüstung verwenden verschiedene Strategien und Technologien, um Elektronik vor kosmischer Strahlung zu schützen. Eine der wichtigsten Lösungen ist die Verwendung so genannter strahlungsresistenter integrierter Schaltungen (RRICs), die speziell dafür ausgelegt sind, dem Beschuss durch geladene Energieteilchen standzuhalten. Darüber hinaus gibt es auch Bleiabschirmungen oder andere Abschirmungsmaterialien, die dazu dienen, die Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf die Elektronik so weit wie möglich zu minimieren. Interessant ist auch die Technologie zur autonomen Erkennung und Korrektur von Strahlungsschäden in Echtzeit.
Denken Sie daran - Elektronik ist nicht unsterblich
Der Schutz der Elektronik vor äußeren Einflüssen ist ein äußerst wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Geräten. Ganz gleich, ob Sie eine Wetterstation bauen, die gegen Feuchtigkeit resistent sein muss, in einer Fabrik mit Vibrationen an den Produktionslinien arbeiten oder bei SpaceX strahlungsresistente Elektronik für den Weltraum entwerfen, Sie müssen bedenken, dass die Bedingungen, unter denen Ihre Geräte arbeiten, extrem wichtig sind.
Quellen:
https://resources.altium.com/pl/p/circuit-design-tips-pcb-moisture-protection-humid-environments
https://ep.com.pl/rynek/prezentacje/14337-jak-zabezpieczyc-moduly-elektroniczne-aby-dzialaly-bezawaryjnie
www.rafalbartoszak.pl/jak-pali-sie-tranzystor-w-ukladzie-wspolnego-emitera/
https://www.analog.com/en/thought-leadership/challenges-for-electronic-circuits-in-space-applications.html
www.airinnovations.com/blog/semiconductor-clean-room-requirements/
www.agro-chemistry.com/news/chemical-industry-is-switching-to-renewable-carbon/
