Expertentipp: Problemfelder der Elektronik bei Minusgraden

| Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

Bild 1: Wenn Bauteile unterhalb der spezifizierten minimalen Temperatur betrieben werden, dann sind sie bei diesen Temperaturen nicht getestet. Alle Simulationsmodelle verlieren für diese Bereiche ihre Gültigkeit.
Bild 1: Wenn Bauteile unterhalb der spezifizierten minimalen Temperatur betrieben werden, dann sind sie bei diesen Temperaturen nicht getestet. Alle Simulationsmodelle verlieren für diese Bereiche ihre Gültigkeit. (Bild: FlowCAD)

Bei tiefen Temperaturen sinken die elektrischen Verluste durch höhere Leitfähigkeit der Metalle. Doch unter -20 °C gefriert das Elektrolyt des Kondensators. Nachfolgend Betrachtungen zur Anomalie Kälte.

Beim Stichwort thermisches Verhalten oder thermische Simulation denkt jeder sofort an Verlustwärme und Überhitzung von Bauteilen oder Lötstellenprobleme auf Leiterplatten. Doch über das untere Ende der Temperaturskala machen sich die wenigsten Entwickler Gedanken. Was passiert bei tiefen und sehr tiefen Temperaturen? Aus Anwendungssicht ist dieser Temperaturbereich wissenschaftlich wenig ausführlich beschrieben. Viele Entwickler halten sich hier deshalb an Hausregeln oder Vorschriften von ihren Lieferanten.

In den vergangenen Jahrzehnten haben sich Elektronik Designer darauf verlassen, dass ihre Schaltungen in einem Temperaturbereich um die Raumtemperatur funktionieren. Nur wenige, aufwendig getestete Bauelemente waren für den Betrieb im Temperaturbereich 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 stark verändert. Seien es DSL-Verteiler, Mobilfunkmasten, Smartphones oder Car-Entertainment. Immer komplexere Elektronik kommt in rauen Anwendungen zum Einsatz, bei denen 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 etwa -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 Problemen der Signal-Integrität bei steileren Flanken führt.

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

Was machen also die Raumfahrt-Ingenieure, 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. 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 auch andere Branchen von niedrigen Umgebungstemperaturen betroffen. In der Medizintechnik etwa 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 das 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 eingefrorenes Display wieder benutzen zu können, hilft nur, es langsam und schonend aufzuwärmen. 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, wodurch Timing-Fehler und Hold-Time-Verletzungen auftreten.

PCB-Design und Co-Simulation für elektrische Antriebe

PCB-Design und Co-Simulation für elektrische Antriebe

25.04.18 - Der Einsatz einer Co-Simulationssoftware, in Kombination mit leistungsstarker Computing-Infrastuktur, verbessert Arbeitsweise und Ergebnis der Elektronikentwicklung für Motoransteuerungen. lesen

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45305256 / Leiterplatten-Design)