Wie dicht sind die Gehäuse unserer Elektronik?
Produktionsfirmen von Elektronikequipment, das zum Beispiel in Autos oder
Industriemaschinen eingebaut wird, kennen es: Elektronikgeräte fallen
früher aus als geplant, wenn in das schützende Gehäuse der Bauteile
Feuchtigkeit eindringt. Um das zu verhindern, werden
Zuverlässigkeitsanalysen der Elektronik durchgeführt. Nun haben sich
Forschende am Fraunhofer IZM in Zusammenarbeit mit dem European Center for
Power Electronics (ECPE) auch mit den klimatischen Bedingungen in
Elektronikgehäusen beschäftigt. Mit einem Test-Kit aus Simulationen und
Analyseverfahren können Umwelteinflüsse so schon in der Konstruktion von
Dichtungskonzepten mitgedacht und nachgelagerte Fehleranalysen vermieden
werden.
Damit elektronische Komponenten ungestört von Feuchtigkeit arbeiten
können, brauchen sie ein schützendes Gehäuse, das diese nach Möglichkeit
von den empfindlichen Bauteilen fernhält. Nur so kann eine hohe
Lebensdauer beispielsweise bei Motoren in Autos oder großen
Industriemaschinen gewährleistet werden. Je nach Anwendung müssen die
Gehäuse unterschiedlichen Umwelteinflüssen und wechselnden klimatischen
Bedingungen entsprechend konzipiert werden. Denn durch eine innere
Temperaturverteilung, die sich aus der Verlustleistung der entsprechenden
elektronischen Baugruppen ergibt, können sich Mikroklimas in ihnen bilden.
Durch überlegtes Platzieren der sensitiven Bauteile kann ein
funktionierendes, elektronisches System erzeugt werden, bei dem sich das
Mikroklima im Gehäuse für die Anwendung der Elektronik lokal günstig
ausprägt.
Dass die klimatischen Bedingungen in einem abgeschlossenen Gehäuse je nach
Betrieb nicht konstant sind, konnte im Rahmen des erfolgreich
abgeschlossenen Projekts RoDosH (Relevance of Diffusion of Humidity in
sealed Housings) nun am Beispiel eines Photovoltaik-Wechselrichter-
Gehäuses der Firma SMA gezeigt werden. Ein Wechselrichter wandelt die
erfasste Solarenergie in einem Solarmodul so um, dass er ins Stromnetz
eingespeist werden kann. Die Abteilung Environmental & Reliability
Engineering am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und
Mikrointegration IZM, die schon seit 30 Jahren
Zuverlässigkeitssimulationen und -bewertungen durchführt, hat ihr
Methodik-Knowhow für die Untersuchung des Wechselrichter-Gehäuses in vier
Prozessschritten eingesetzt. Das Besondere dabei ist die Kompetenzvielfalt
der Forscher*innen. Denn um Materialien bis ins Detail charakterisieren
und simulieren zu können sowie den Austausch mit Kolleg*innen aus der
Fertigung des eigenen Instituts einfließen lassen zu können, braucht es
jahrelange Erfahrung aus diversen Forschungs- und Industrieprojekten, die
das Fraunhofer IZM und auch die Arbeitsgruppen mitbringen. Neben der
Vielzahl an Anwendungsfällen, die die Forscher*innen aus vorherigen
Arbeiten mit einfließen lassen, verfügen Sie über modernstes Equipment -
von klassischen Klimakammern über besondere Droptest-Maschinen bis hin zu
speziellen Messgeräten, wie einem sogenannten TGA-SA, gleich
Thermograviations- mit Sorptionsanalyser.
Charakterisierung und Modellierung von Dichtungskonzepten
Den klassischen aber auch spezifischeren Zuverlässigkeitstests
vorgelagert, sind im ersten Schritt am Fraunhofer IZM fast immer
Belastungsprofile oder auch Mission Profiles. In diesem Fall wurden zwei
Belastungsprofile für das Gehäuse des Photovoltaik-Wechselrichters
abgeleitet, die ausführlich darstellen, welchen klimatischen Bedingungen
Gehäuse dieser Art an verschiedenen Orten auf der Welt ausgeliefert sind.
Dabei haben die Expert*innen aus Berlin ein Profil unter harten
klimatischen Bedingungen, z.B. Photovoltaik-Geräten aus Kuala Lumpur und
Mumbai umgesetzt, in dem sie die verfügbaren Wetterdaten aus dem Internet
analysiert und skizziert haben, wie sehr hohe Durchschnittstemperaturen
und eine hohe Luftfeuchtigkeit. Parallel wurde auch ein Belastungsprofil
aus moderateren Temperaturbereichen der Erde erstellt, in dem Wetterdaten
aus Kassel, Peking und Tromsø ausgewertet wurden.
Im zweiten Schritt testete das Forschungsteam das Gehäuse des
Photovoltaik-Wechselrichters in diversen Durchläufen in Bezug auf die
Temperaturen in und außerhalb des Gehäuses. Neben klassischen Klimakammern
verwendeten sie dafür auch spezielle Messgeräte zur
Materialcharakterisierung, wie den TGA-SA, mit dem besonders kleine Mengen
an Feuchtebelastung durch die Messung der Gewichtszunahme über eine lange
Zeit kontinuierlich gemessen werden können. Um hier über das Klima im
Inneren versus außerhalb des Gehäuses auf die Dichtungskonzepte und
Beschaffenheit einzelner Gehäusematerialien genauer Auskunft geben zu
können, analysierten die Klima-Expert*innen dafür die entsprechenden
Diffussionskoeffizienten. Diese bestimmen die Geschwindigkeit, in der die
Feuchtigkeit durch ein Material ein- oder wieder ausdringt.
Der partielle Wasserdampfdruck, die Luftfeuchtigkeit und weitere
Erkenntnisse wurden im dritten Schritt, der gekoppelten Simulation von
Temperatur- und Konzentrationsfeldern mittels der Software ANSYS®,
modelliert und ermöglichten so die Darstellung der relativen
Luftfeuchtigkeit und die lokale Temperaturverteilung im Gehäuse. Weitere
durchgeführte Simulationen zu Kondensationsrisiken, basierend auf den in
Schritt zwei experimentell ermittelten Materialeigenschaften und eines
Tag-Nacht-Zyklus mit normalen und verlängerten Haltezeiten sowie einer
ungleichmäßigen Temperaturverteilung, wurden ebenfalls erstellt.
Bewertung der Lebenszeitrelevanz
Abschließend in Schritt vier geben die Test- und Simulationsexpert*innen
Hinweise darauf, wie sich eine kummulierende Feuchtebelastung auf die
Lebensdauer der Systeme auswirken kann. Im Fall des Gehäuses des
Photovoltaik-Wechselrichters tritt eine inhomogene Temperaturverteilung
auf, die sich durch lokale Verlustleitungen ergibt und diese führt
ebenfalls zu einer inhomogenen Feuchtigkeitsverteilung.
Das Projekt über eine Laufzeit von 18 Monaten hat gezeigt, dass das
Simulationsmodell realistische Verhalten sehr gut vorhersagen kann und das
Test-Kit des Fraunhofer IZM den Einfluss verschiedener Layout- und
Materialoptimierungen von Gehäusen und elektronischen Komponenten
eindeutig untersuchbar macht. Dieses Vorhaben kann so nun auf diverse
elektronische Bauteile und deren Gehäuse zur Analyse, Bewertung und
Charakterisierung der Lebenszeitrelevanz überführt und bereits in der
frühen Entwicklungs- und Konzipierungsphase angewendet werden.
Besonders für Produktionsfirmen von Elektronikequipment jeder Art ist das
eine Neuheit, denn bisher wurden Ausfälle der Elektronik höchstens durch
Erfahrungswerte analysiert, wenn die Elektronik bereits ausgefallen war.
Mit den Erkenntnissen der Expert*innen vom Fraunhofer IZM hat das ein Ende
und die Dokumentation von Fehlern kann Simulation und Tests vor
Inbetriebnahme der Elektronikgeräte zu sicherer und langlebigerer
Elektronik inklusive ihrer Gehäuse führen.
Mehr zu dem Leistungsangebot der Gruppen finden Sie hier:
https://www.izm.fraunhofer.de/
Das Projekt wurde durch das gemeinsame Forschungsprogramm der ECPE
finanziert.
(Text: Niklas Goll)
