Wie wirkt sich Kälte auf Elektronik aus

Bei thermischem Verhalten oder thermischer Simulation von Leiterplatten denkt jeder sofort an die Überhitzung von Bauteilen und Lötstellen sowie die daraus folgenden Probleme. Das untere Ende der Temperaturskala beschäftigt die wenigsten Designer. 

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

In IPS- und TFT-Bildschirmen sind kälteanfällige Flüssigkeitskristalle verbaut, die bei niedrigen Temperaturen einfrieren können. Sie reagieren dann nur träge bzw. gar nicht mehr auf Berührungen. Im Vergleich dazu arbeiten in AMOLED-Displays Dioden, die gegenüber Kälte widerstandsfähiger sind. Damit ein eingefrorenes Display wieder benutzen werden kann, muss es langsam und schonend aufgewärmt werden. Das Einfrieren ist nur dann schädlich, wenn es beim Temperaturwechsel zu Spannungen im Glas kommt und das Glas springt.

Bei Kälte driften Clock-Oszillatoren 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 jedoch nur über eine begrenzte Temperaturspreizung.

Temperaturspreizung von -40 bis +150°C
Temperaturspreizung von -40 bis +150°C

Abrupte Kalt-Warm-Wechsel bergen das große Risiko der Kondensation. Feuchte, warme Luft schlägt sich dabei im kalten Gehäuse und dem kalten Bauteil nieder. In diesem Fall sollte man das Gerät ausschalten und den Akku herausnehmen. Anschließend lässt man das geöffnete Gerät an einen trockenen, warmen Ort für mehrere Stunden oder Tage austrocknen, bevor es wieder in Betrieb genommen wird. Die Nässe im Gerät kann Schaden an den Akku-Kontakten anrichten, oder das Wasser kann zu Kurzschlüssen und Korrosion führen. Dementsprechend müssen die Kriechstrecken auf den Leiterplatten für mit Wasser bedampfte Oberflächen berücksichtigt und entsprechende Abstände eingehalten werden.

Dringt Feuchtigkeit in die Leiterplatte ein und gefriert, so kommt es durch die Anomalie des Wassers und der Volumenvergrößerung beim Gefrieren zu Ausdehnungen und der Erweiterung von Haarrissen. Über mehrere Temperaturzyklen kann gefrierendes Wasser Leiterplatten zum Platzen bringen. Das Aufquellen der Leiterplatte und entstehende Hohlräume verändern das elektrische Verhalten für Antennen und High-Speed-Signale. In den Hohlräumen kann es auch zu kristallinen Ablagerungen kommen (CAF = Conductive Anodic Filament). Plötzliche Ausfälle im Langzeitbetrieb sind die Folge.

Deshalb werden Leiterplatten, die Kälte und Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind, häufig in geschlossene Gehäuse (z.B. IP54) eingebaut. Luftdichte Gehäuse, die gegen Kälte helfen, sind bei höheren Betriebstemperaturen wiederum problematisch, da eine Wärmeabfuhr ohne Lüftung erschwert wird. Durch thermoelektrische Co-Simulationen von Elektronik und Gehäuse bei verschiedenen Umgebungstemperaturen lässt sich das multiphysikalische Verhalten abbilden.

Für extrem niedrige Temperaturbereiche sollte eine Isolation durch Vakuum oder eine aktive Feuchtigkeitskontrolle zum Herabsetzen des Kondensationspunktes verwendet werden. Allerdings haben Schutzlacke gegen Feuchtigkeit nur eine begrenzte Lebensdauer.

Zur Kühlung von Leiterplatten dienen Lüfter und Kühlkörper. Für viele unbekannt sind Heizungen für Leiterplatten. Diese schalten sich ein, wenn eine minimale Temperatur erreicht ist. Auf einer Innenlage fließt dann ein höherer Ruhestrom und die ohmschen Verluste bewirken eine gleichmäßige Erwärmung der Leiterplatte von innen. Die Feuchtigkeit verzieht sich, und es kommt nicht zu Kurzschlüssen oder mechanischem Stress durch gefrierendes Wasser. Solche Induktionsschleifen lassen sich in PCB Layout Tools wie Cadence Allegro dimensionieren und die Erwärmung mit Sigrity simulieren.

Das Einschalten bei extrem niedrigen Temperaturen kann in der Elektronik eine lokale, schnelle Erwärmung hervorrufen, die zu mechanischen Spannungen führt. Diese Spannungen durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten und hohen Temperaturdifferenten bewirken, dass Gehäuse platzen oder Lötstellen und Microvias bei HDI-Technologie abreißen.

Unterhalb der spezifizierten Temperatur betrieben lassen strombegrenzende Bauteile wie PTC oder PPTC viel mehr Strom durch. Diese hohen Ströme können andere Bauteile zerstören. Bei der Simulation solcher Schaltungen ist darauf zu achten, dass die PSpice-Modelle an die niedrigen Temperaturbereiche angepasst werden, da Bauteilhersteller häufig nur PSpice-Modelle für den kommerziellen Temperaturbereich liefern. Allgemein gilt: Werden Bauteile unterhalb der minimalen Temperatur betrieben, erlischt für den Kunden die Garantie bzw. alle Simulationsmodelle verlieren ihre Gültigkeit.

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