Auswahl von Embedded-Gehäusen: drei Entwicklertipps

| Autor / Redakteur: Fatih Sahin * / Gerd Kucera

Das passende Embedded-Gehäuse auswählen: Steht die Funktionssicherheit über einen langen Zeitraum im Mittelpunkt, dann ist die sorgsame Auswahl Pflicht.
Das passende Embedded-Gehäuse auswählen: Steht die Funktionssicherheit über einen langen Zeitraum im Mittelpunkt, dann ist die sorgsame Auswahl Pflicht. (Bild: Fischer Elektronik)

Wer das Systemgehäuse möglichst früh in die Elektronik-Entwicklung einbezieht, sorgt für optimalen Schutz gegen Staub, Feuchte, EMI, Abwärme und andere harsche Betriebsbedingungen.

Die Schutzart bestimmt die Eignung elektrischer Betriebsmittel für verschiedene Umgebungsbedingungen und zusätzlich den Schutz von Menschen gegen potenzielle Gefährdung bei deren Verwendung. Schutzarten sind IP 00 bis IP 69K. Die Schutzart ist von der elektrischen Schutzklasse zu unterscheiden.

Der IP-Code ist in der DIN EN 60529 klassifiziert und besteht aus einer Kombination von zwei Ziffern. IP ist die Abkürzung für International Protection und wird oft auch als Ingress Protection bezeichnet. Die erste Ziffer steht für den Berührungs- und Fremdkörperschutz und die zweite Ziffer steht für den Wasserschutz.

Embedded-Systeme und das richtige Gehäuse

Embedded-Systeme, die in ihrer Anwendung besonderen Gefahren etwa durch Wasser, Schmutz oder auch Vibration ausgesetzt sind, werden mit Vergussmassen aus Epoxidharz geschützt. Für die einfacheren Anwendungen kommen meist aufgeschäumte Polyurethan-Dichtungen, Flach-Dichtungen oder Dichtmassen zum Einsatz. Bei hohen Temperaturschwankungen werden Druckausgleichelemente eingesetzt, um die im Gehäuse durch Wärmeausdehnung erzeugte Druckdifferenz zur Umgebung aufzuheben. Systeme die in IP-geschützten Schaltschränken zum Einsatz kommen, brauchen keine zusätzliche Abdichtung.

Elektromagnetische Abschirmung: Elektromagnetismus kann zur falschen Zeit am falschen Ort erhebliche Störungen und sogar zu totalen Systemausfällen führen. Daher ist diese Tatsache bei der Neuauslegung von Embedded-Systemen besonders sensibel zu betrachten. In Europa müssen Geräte, die in Umlauf gebracht werden, unter anderem der europäischen EMV-Richtlinie 2014/30/EU entsprechen. Darin wird beschrieben, dass elektrische Betriebsmittel in einer elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend arbeiten müssen, ohne dabei selber Störstrahlung zu verbreiten, die bei anderen Betriebsmitteln unerwünschten Einfluss nehmen könnten.

Durch den Einsatz von elektrischen Filtern, systematisch ausgelegten Platinen-Layouts und einer lokalen Abschirmung von empfindlichen elektrischen Bauteilen sind bereits die wichtigsten Maßnahmen getroffen. Eine zusätzliche Abschirmung per Gehäuse sollte im Idealfall nicht nötig sein. Die Regel zeigt aber, dass Systeme ohne ein hinreichend EMV-taugliches Gehäuse nicht wirksam geschützt sind.

Ein Gehäuse wirkt schirmend, wenn es wie ein faradayscher Käfig elektrisch leitend ist und im Idealfall aus einem ferromagnetischen Werkstoff besteht. Eine hohe Schirmdämpfung wird durch komplett geschlossene Gehäuse mit großen Wandstärken erreicht. Spalte zwischen zwei Gehäuseteilen sind mit speziellen EMV-Dichtungen abzudichten, da sie sonst als Antennen fungieren können. Unternehmen die sich auf diese Thematik spezialisiert haben, bieten verschiedene Abschirmmaterialien an. Neben Dichtungen mit elektrisch leitenden Füllstoffen, etwa Aluminium, Graphit, Kupfer, Nickel oder Silber, gibt es Dichtungen aus Schaumstoff und einer Ummantelung mit Metallgewebe.

Systeme entwärmen: Die Lebensdauer der Elektronik ist temperaturabhängig. Daher muss auch bei Embedded-Systemen stets darauf geachtet werden, dass die zulässigen Halbleitertemperaturen nicht überschritten werden, um einen langfristigen und zuverlässigen Systembetrieb gewährleisten zu können. Die Kunst besteht darin, die Wärme an der Quelle verlustfrei abzugreifen und kontrolliert an die Umgebung zu verteilen. Es ist leichter gesagt als getan, denn die Miniaturisierung und die wachsen Packungsdichten der Schaltungen stellen die Systementwickler immer wieder vor neue Herausforderungen.

Bei der Entwärmung spricht man von einer Konvektion, die sowohl für Wärmeleitung als auch für Wärmestrahlung steht. Sie wird unterteilt in die freie und die erzwungene Konvektion. Bei Systemen mit geringer Verlustleistung, bei den gegebenenfalls eine lokale Entwärmung mittels einfachen Strangkühlkörpern und Lüftungsschlitzen am Gehäuse ausreicht, spricht man von einer freien Konvektion. Die Wärme wird über eine natürliche Strömung abtransportiert, die durch die Temperatur hervorgerufene Dichtedifferenz bzw. Druckdifferenz entsteht.

Reicht die freie Konvektion für eine ausreichende Entwärmung nicht aus, ist eine erzwungene Konvektion anzuwenden. Bei der erzwungenen Konvektion kommen Axial- oder Radiallüftern zum Einsatz, die Umgebungsluft in das Gehäuse und warme Luft aus dem Gehäuse blasen. Man spricht hierbei auch von einer aktiven Kühlung.

Eine weitere gängige Möglichkeit besteht darin, die Wärme am Entstehungspunkt durch thermische Hilfsmittel wie Metallblöcke oder Wärmeleitrohre abzugreifen und an die Gehäuseoberfläche, die im Idealfall aus Kühlrippen besteht, weiterzuleiten. Über die Gehäuseoberfläche gelangt die Wärmeenergie durch eine freie Konvektion weiter an die Umgebung. Eine solche passive Kühlung ist durch den Wegfall der Lüftereinheit wartungsfreundlicher und kostengünstiger. Zur Kontaktierung der einzelnen Komponenten in der Wärmekette kommen Wärmleitmaterialien zum Einsatz. Diese stehen in großer Auswahl in Form von Folien oder Pasten zu Verfügung.

Die 3D-Simulation vermeidet Fehlauslegung

Wer das Risiko von thermischen Fehlauslegungen verringern will, für den bieten sich thermische Software-Simulationen an. Hierbei werden mittels 3D-Daten am Computer unter realitätsnahen Bedingungen die Systeme evaluiert. Auf diese Weise lassen sich Problemzonen frühzeitig erkennen und in der Entwicklungsphase beheben. Nachträgliche, kostenintensive Korrekturmaßnahmen werden so vermieden.

Der Gehäusewerkstoff: Ob Kunststoff oder Metall, beide Werkstoffe haben ihre Vor- und Nachteile. Auch hier spielen viele Faktoren eine wichtige Rolle, beispielsweise der zukünftige Einsatzort. Kunststoffgehäuse werden aus den amorphen Thermoplasten Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS) oder Polycarbonat (PC) hergestellt. ABS und PC sind elektrisch isolierend, chemisch widerstandsfähig und können mit Glasfaser verstärkt (GFK) auch mechanisch stark belastet werden. Gehäuse aus Kunstostoff sind im Vergleich zu Metallgehäusen leichter und lassen sich in beliebigen Formen und Farben herstellen. Für EMV-Anwendungen bekommen Kunststoffgehäuse elektrisch leitende Beschichtungen aus Lack oder thermoplastischen Harzen. Diese Beschichtungen sind mit Graphit-, Nickel-, Kupfer- oder Silberpigmenten verfüllt, die mit steigender Schichtstärke eine bessere Abschirmung ermöglichen.

Aluminium als Gehäusewerkstoff eignet sich wegen der geringen Dichte und der hohe Wärmleitfähigkeit von ca. 220 (W/m*K) besonders gut für den Gehäusebau. Es lässt sich gut formen, spanend und dekorativ bearbeiten. Für EMV-Anwendungen werden Aluminiumgehäuse mit einer elektrisch leitenden Passivierung versehen.

Frühzeitig an das Gehäuse denken: Ein Gehäuse für das Embedded-System sollte bereits in der frühen Entwicklungspahse ausgesucht werden, um alle funktionsrelevanten Aspekte ganzheitlich bewerten zu können. EMV, IP-Schutz und Wärmeableitung sind wichtige Merkmale eines Gehäuses, die eine individuelle Betrachtung erfordern. Nur ein System mit einer guten Soft- und Hardwareauslegung garantiert Funktionssicherheit über einen langen Zeitraum. Nachträgliche Maßnahmen zur Optimierung sind oft nur mit großem Kostenaufwand möglich. Bei Fragen helfen Ihnen Gehäusehersteller gerne weiter.

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* B.Eng. Fatih Sahin ist Entwicklungsingenieur bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid.

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