Kältemanagement von Leiterplatten

| Autor / Redakteur: Dirk Müller* / Benjamin Kirchbeck

In der Raumfahrt gibt es die größten Temperaturbereiche, in der Elektronik funktionieren muss. Eine Raumsonde zum Neptun musste bei einer Temperatur von -222 °C noch funktionieren und eine Sonde zur Venus soll bei +330 °C ebenfalls noch Signale senden.
In der Raumfahrt gibt es die größten Temperaturbereiche, in der Elektronik funktionieren muss. Eine Raumsonde zum Neptun musste bei einer Temperatur von -222 °C noch funktionieren und eine Sonde zur Venus soll bei +330 °C ebenfalls noch Signale senden. (Bild: FlowCAD)

Bei thermischem Verhalten oder thermischer Simulation von Leiterplatten denkt jeder sofort an die Überhitzung der Bauteile und den daraus folgenden Problemen. Über das untere Ende der Temperaturskala machen sich die wenigsten Designer Gedanken. Viele Entwickler arbeiten mit Hausregeln oder Vorschriften von ihren Lieferanten. Ist das alles problemlos?

In den vergangenen Jahrzehnten hatten sich Elektronik Designer darauf verlassen, dass ihre Schaltungen in einem Temperaturbereich um die Raumtemperatur funktionieren mussten. Nur wenige, aufwendig getestete Bauelemente waren für den Betrieb im Temperaturbereich für militärische Anforderungen von -55 °C bis 125 °C geeignet, und die meisten Bauteile für den kommerziellen Bereich zeigen bereits bei Temperaturen von unter 0 °C ein Fehlverhalten. Die letzten Jahre hat sich aber der Einsatzort von Elektronik verändert. Seien es DSL-Verteiler, Mobilfunkmasten, Smartphones oder Car-Entertainment. Immer komplexere Elektronik kommt draußen zum Einsatz, bei der der Preis eine wesentliche Rolle spielt und es sich nicht um Spezialelektronik für den Außeneinsatz handelt.

Die elektrischen Verluste bei niedrigen Temperaturen werden durch bessere Leitfähigkeit der Metalle geringer. Bei CMOS-Schaltkreisen verbessert sich der Sättigungsstrom, die ICs schalten schneller und können mit höheren Taktfrequenzen betrieben werden. Die minimale Temperatur, bei der CMOS-Schaltkreise getestet wurden, liegt bei ca. -230 °C (bipolar nur bei -195 °C), also 40 K über dem absoluten Nullpunkt. Das CMOS-Silizium alleine ist also für solche Temperaturen geeignet. Jedoch verschiebt sich die Schaltspannung nach oben und es muss mit höheren Spannungspegeln gearbeitet werden, was zu einem höheren Zerstörungsrisiko und SI-Problemen bei steileren Flanken führt.

In der Raumfahrt gibt es wohl die größten Betriebstemperaturbereiche, in der Elektronik funktionieren muss. Eine Raumsonde zum Neptun musste bei einer Temperatur von -222 °C noch funktionieren und eine Sonde zur Venus soll bei +330 °C ebenfalls noch Signale senden. Die extrem tiefen Temperaturen herrschen nicht nur in den Weiten des Universums auf dem Neptun, sondern auch schon im Orbit, wenn sich Satelliten im Schatten der Erde befinden.

Was macht also die Raumfahrt, um solche Temperaturbereiche zu meistern? Meist wurde die einfachste Lösung gewählt. Die Elektronik bei Satelliten wird mit Schaum und Folien isoliert, anschließend mit Heizungen und Kühlungen die Temperatur der Elektronik auf einen kontrollierten Bereich geregelt, in der konventionelle Elektronikbauteile funktionieren. Aber die kalten oder warmen Temperaturen sind nicht das einzige Problem der Raumfahrt. Vielleicht noch gravierender ist der Temperaturwechsel, wenn Satelliten von der Sonneneinstrahlung in den Erdschatten fliegen oder Sonden in die Atmosphäre eintreten.

Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien führen bei Temperaturschwankungen in den Bauteilen dazu, dass sich die Leiterplatte, Leitungen und Durchkontaktierungen, Verbindungen von Bonddrähten, Silizium-Dies und die Balls des Packages unterschiedlich schnell ausdehnen und durch den mechanischen Stress so

Verbindungen aufbrechen und hochohmig werden. Das Silizium im Inneren der ICs kann sogar brechen bzw. Risse bekommen.

Unterschiedliche Temperaturbereiche

Auf der Erde sind neben der Luftfahrt andere Branchen von niedrigen Umgebungstemperaturen betroffen. In der Medizintechnik gibt es extrem gekühlte Magnete für die Computertomographie und hochsensible, analoge Schaltungen, die bei tiefen Temperaturen betrieben werden. Im Automobil gibt es schon länger Steuerelektronik im Innenraum und im Motorraum, wo ein weiteres Temperaturspektrum herrscht. Neu ist aber, dass vermehrt Konsumelektronik im Auto zum Einsatz kommt und Tablets, Smartphones und mobile Navigationsgeräte im Winter über Nacht im Auto bleiben. Automobilelektronik ist für tausende Temperaturzyklen von -40 °C bis 200 °C ausgelegt und soll anschließend noch zuverlässig funktionieren.

Unter -20 °C friert der Elektrolyt in einem Kondensator langsam ein und wird hochohmig. Der ESR bei Elektrolyt-Kondensatoren nimmt bei niedrigen Temperaturen, die deutlich unter dem Gefrierpunkt liegen, stark zu. Gleichzeitig steigt der Verlustfaktor (tan δ) von Elektrolyt-Kondensatoren, und durch diese Verluste werden elektromagnetische Wellen gedämpft.

Bei IPS- und TFT-Bildschirmen sind kälteanfällige Flüssigkeitskristalle verbaut, dagegen arbeiten in AMOLED-Displays Dioden. Flüssigkristalle können bei niedrigen Temperaturen einfrieren. Sie reagieren dann nur träge oder gar nicht mehr auf Berührungen. Gegenüber Kälte sind Dioden widerstandsfähiger. Um ein eingefrorene Display wieder benutzen zu können, hilft nur, es langsam und schonend aufwärmen. Schädlich ist das Einfrieren nur, wenn es beim Temperaturwechsel zu Spannungen im Glas kommt und das Glas springt.

Clock-Oszillatoren driften bei Kälte verstärkt und Analog-Digital-Konverter können unter Umständen auch versetzte Ergebnisse liefern. Widerstände sind innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs konstant. Außerhalb dürfen sie maßgeblich abweichen. Präzisionswiderstände gleichen temperaturabhängige Längenausdehnungen mit Änderung der temperaturabhängigen Leitfähigkeit im Betriebsbereich aus. Dieser Abgleich funktioniert aber nur über eine begrenzte Temperaturspreizung. Digitale Schaltungen werden bei Kälte schneller. Dies führt zu Timing-Fehlern und Hold-Time-Verletzungen.

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Die Heizleitungen in den Zwischenlagen der Leiterplatte sind aber keine Induktionsschleifen  lesen
posted am 28.02.2018 um 09:21 von Unregistriert


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