Tipps zum Schaltungsdesign: Schutz von Leiterplatten in feuchten Umgebungen

Erstellt: September 15, 2021
Tipps zum Schaltungsdesign: Schutz von Leiterplatten in feuchten Umgebungen

Bei der Überprüfung meiner Designs bin ich sehr sorgfältig. Dabei verbringe ich Stunden damit, Schaltpläne, Footprints und die richtigen Bauteilwerte zu prüfen, bevor ich das Design fertigstelle. Leider lege ich bei der Hausarbeit nicht den gleichen Eifer und Perfektionismus an den Tag. Eine Reinigungskraft wäre über den Staub in meinem Haus sicher schockiert.

Besonders peinlich war es einmal, als ich vergaß, meinen Abwasch zu spülen, und eine fünfköpfige Eidechsenfamilie darin hauste. Wenn Ihre Baugruppe in einer feuchten, dunklen und nassen Umgebung verbaut ist, werden diese freundlichen Reptilien jedoch Ihr geringstes Problem sein. In jedem Fall ist es wichtig, die Einsatzumgebung Ihrer Platine bei der Gestaltungsauslegung zu berücksichtigen. Feuchte Milieus stellen eine besondere Herausforderung dar. Untersuchen wir also, was schiefgehen kann und wie Sie Schäden an Ihrer Elektronik verhindern können.

Hier erfahren Sie, wie sich Feuchtigkeit auf die Elektronik auswirken und die Lebensdauer Ihres Systems verkürzen kann:

  1. Kurzschlüsse
  2. Korrosion

Falls Sie wissen möchten, wie Sie elektronische Geräte vor Feuchtigkeit schützen können, springen Sie zu einem der folgenden Abschnitte, um mehr über unsere Design-Tipps zu erfahren:

  1. Schutzbeschichtung und Gehäuse
  2. Sauggebläse
  3. Silicagel
  4. Heizelemente

Wie Luftfeuchtigkeit Ihre Baugruppe beeinflussen kann

Die Luftfeuchtigkeit bezieht sich auf die Menge an Wasserdampf in der Luft und wird als relative Luftfeuchtigkeit angegeben. Wenn Sie sich nicht gerade in der Wüste befinden, ist es an fast jedem Ort der Erde feucht und Wasser kann an kalten Oberflächen kondensieren. Ist die Luftfeuchtigkeit hoch, so kondensiert mehr Wasser an der kalten Oberfläche. Ein häufiges Problem, das durch Feuchtigkeit verursacht wird, ist die Betauung von elektronischen Geräten, insbesondere der Baugruppen, da sie die Kupferbahnen angreifen. Kondenswasser auf einer Strom führenden Leiterplatte kann Kurzschlüsse erzeugen und damit Schäden an anderen Bauteilen verursachen. Neben der direkten Schädigung der Platine zieht eine feuchte Umgebung auch Reptilien und Insekten an, die wiederum Kurzschlüsse verursachen können. Die Vermeidung von Feuchtigkeitsschäden an einer Leiterplatte, oder generell einem elektronischen Gerät, hat zwei Ziele:

  • Feuchtigkeit von empfindlichen elektronischen Bauteilen fernhalten
  • Die Entstehung von Kurzschlüssen durch Kondenswasser verhindern

Hier erfahren Sie, wie Feuchtigkeit Ihre Elektronik während des Betriebs beeinträchtigen kann:

1. Kurzschlüsse

Wenn eine Leiterplatte großen Mengen Wasser ausgesetzt ist, entstehen in der Regel Kurzschlüsse. Jeder, der schon einmal versehentlich Flüssigkeit auf seinen Laptop verschüttet hat, war sicherlich entsetzt, als sein Bildschirm plötzlich dunkel wurde. Wasser ist äußerst leitfähig, und ein kurzzeitiger Stromstoß kann zum Ausfall eines ganzen Schaltungsbereichs oder zum Durchbrennen eines Bauteils führen.

Short circuit, burnt battery cables
Wassertropfen können Kurzschlüsse verursachen

2. Korrosion

Wenn eine Leiterplatte Kondenswasser ausgesetzt ist, kann es freiliegende Leiterbahnen korrodieren lassen. Ungeschütztes Metall auf einer Platine kann auf verschiedene Wege korrodieren.

  • Atmosphärisch: Bei Kontakt mit feuchter Luft kann es zur Oxidation kommen, bei der sich Metallionen mit Sauerstoffatomen verbinden und ein Oxid bilden. Oxide sind Isolatoren, die den Widerstand eines freiliegenden Leiters leicht erhöht. Sie sind auch mechanisch schwach und brechen leicht.
  • Elektrolytische Filamentierung: Wenn Wasser mit darin gelösten Elektrolyten auf ungeschütztes Metall trifft und ein elektrischer Strom durch die Lösung fließt, kann ein Dendritenwachstum auf der Oberfläche einsetzen. Aus diesem Grund sollte freiliegendes Metall neben der Leiterplattenbeschichtung (siehe unten) vor dem Beschichten gründlich gereinigt werden.
  • Galvanische Korrosion: Galvanische Korrosion tritt zwischen ungleichen Metallen in Gegenwart eines gelösten Salzes auf. Anders als bei der elektrolytischen Filamentation erfolgt dies unabhängig vom Vorhandensein eines elektrischen Stroms.
  • Fretting: Diese Art von Korrosion tritt auf, wenn verlötete Schaltkontakte geschlossen werden. Beim Schließen des Schalters wird die Oberflächenoxidschicht durch Reibung entfernt. Trifft Wasser auf das nun freiliegende Metall, oxidiert es. Über die Zeit baut sich Korrosion auf.

Diese Korrosionsmechanismen werden durch eine Oberflächenbeschichtung der freiliegenden Leiterbahnen (ENIG, ENIPEG, Ni-Au usw.) verhindert bzw. verlangsamt.

Wie man elektronische Geräte vor Feuchtigkeit schützt

Angesichts der Probleme, die Feuchtigkeit bei Leiterplatten anrichten kann, gibt es einige einfache Maßnahmen, mit denen verhindert werden kann, dass Feuchtigkeitsschäden an empfindlichen Bauteilen entstehen. 

1. Schutzbeschichtung und Gehäuse

Die einfachste Lösung, um Ihre Elektronik vor Feuchtigkeit zu schützen, ist natürlich das Aufbringen einer Schutzschicht auf die Platine. Diese bietet einen effektiven Schutz vor Umwelteinflüssen, solange die Beschichtung nicht porös ist und vollständig ausgehärtet ist. Das Prinzip besteht darin, die Leiterplatte und das freiliegende Kupfer abzudecken. Dazu eignen sich z. B. Acryl-, Urethan- und Silikonbeschichtungen. Der Nachteil dieses passiven Ansatzes ist, dass Nacharbeiten an der Leiterplatte problematisch sind, da die Beschichtung abgezogen werden muss, bevor die Bauteile entfernt werden können, um sie nach der Reparatur wieder aufzubringen.

Die Verwendung der richtigen Schutzlackierung kann über den Schutz vor Umwelteinflüssen hinaus weitere Vorteile bieten. Elektromagnetisch absorbierende Beschichtungen helfen beispielsweise, EMI bei hohen MHz-Frequenzen zu reduzieren. Solche Störstrahlungen treten typischerweise in der Stromversorgung (PDN) einer Platine mit unzureichender Kopplung auf.

2. Sauggebläse

Embedded Systems werden häufig in Industriegehäusen untergebracht und eingeschlossene Feuchtigkeit wird dann schnell zu einem lästigen Problem. Der Einbau eines Ventilators, der die Luft aus dem Gehäuse absaugt, kann dazu beitragen, die Feuchtigkeit zu reduzieren. Eine ähnliche Anwendung finden Sie im Abluftventilator Ihres Badezimmers. 

3. Silicagel

Ein Päckchen Silicagel in der Leiterplattenverpackung kann dazu beitragen, den Feuchtigkeitsgehalt der Luft zu reduzieren. Das Silicagel adsorbiert mühelos Feuchtigkeit aus der Luft, sodass nur wenig oder gar keine Betauung an den Leiterbahnen der Leiterplatte entstehen kann.

Leider ist Silicagel nur unter 60 °C wirksam. Oberhalb dieser Temperatur wird das Adsorptionsgleichgewicht in den Dampfzustand zurückverlagert, und das Wasser beginnt, aus dem Gel zurück in die Umgebungsluft zu resorbieren.

how to protect electronic devices from humidity silica gel

Silicagel ist ein starkes Trockenmittel

Anstelle von Silicagel können auch andere Adsorptionsmittel verwendet werden, um Feuchtigkeit oder andere Spurengase aus der Umgebungsluft zu entfernen. Aktiviertes Aluminiumoxid ist ein im Handel erhältliches poröses Trockenmittel, das bei niedrigen Temperaturen eine etwas geringere, bei höheren Temperaturen jedoch eine höhere Feuchtigkeitskapazität aufweist. Aktivkohle ist eine weitere Alternative, die gegen Gerüche und giftige Gase in militärischen Gasmasken eingesetzt wird. Sie kann auch dazu verwendet werden, korrosive Gase und Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft zu entfernen. Phosphorhaltige Verbindungen und Metallsalze bieten eine Reihe weiterer Vorteile. Wenn sie Ihre Elektronik in besonderen Umgebungsbedingungen mit korrosiven Gasen und hoher Luftfeuchtigkeit einsetzen, können Sie den Einsatz eines dieser alternativen Trockenmittel in Betracht ziehen.

4. Heizelemente

Die Verwendung Ihres Embedded Systems als intelligente Mini-Heizung ist ein effektiver Weg, um Feuchtigkeitsprobleme zu lösen. Dies eignet sich besonders gut für Systeme, die in einem Industriegehäuse für Außenanwendungen untergebracht sind. Ich habe dazu einmal ein Heizelement verwendet, um die relative Luftfeuchtigkeit zu senken und die Befeuchtung in Parkautomaten zu verhindern. Dort ist die Kondensation am Morgen wirklich schlimm.

Anstatt die Luft blindlings zu erwärmen, kann ein Feuchtigkeits- und Temperatursensor zusammen mit einem Heizelement in das Gehäuse eingebaut werden. Ein einfacher PID-Regler regelt dann die Lufttemperatur auf der Grundlage von Temperatur-, Luftfeuchtigkeits- und Druckmessungen. Ist die Lufttemperatur zu niedrig, wird die Umgebungsluft mit dem Heizelement erwärmen. Im Idealfall liegt das System dann oberhalb des Dreiphasenpunkts (Tripelpunkts) von Wasser in der jeweiligen Umgebung. Dadurch wird die Gefahr der Betauung stark reduziert.

Hot heating element
Mehr Wärme senkt die relative Luftfeuchtigkeit

Seien Sie vorsichtig mit dieser Art der Steuerung, da Sie die Platine und ihre Bauteile nicht auf eine unzulässig hohe Temperatur erhitzen dürfen. Wenn Ihre Bauelemente zu heiß werden, altern sie schneller und können frühzeitig ganz ausfallen. Diese Technik lässt sich am besten anwenden, indem ein Heizelement an der Außenkante des Gehäuses angebracht wird, sodass das Element die einströmende Luft erwärmt. Diese Technik eignet sich auch sehr gut in Umgebungen, in denen die Außentemperatur und die relative Luftfeuchtigkeit hoch sind. Liegt der Druck bereits in der Nähe des Tripelpunkts, kann das Heizelement die Lufttemperatur über diesen Punkt bringen und so die Kondensation verhindern.

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