Hallo Zusammen, ich habe eine Anfrage für Leiterplattenkonstruktion im Unterwassereinsatz auf den Tisch bekommen. Im konkreten Fall werden die jeweiligen äußeren wasserdichten Gehäuse bis 2MPa (20bar) im Testfall belastet. Wie hoch der Druck auf die Bauteile wird, hängt noch am Gehäusedesign. Selbstverständlich wird für jedes einzusetzende Bauteil einzeln geklärt, welche Limits der Hersteller garantieren kann. Unabhängig davon wollte ich in die Runde fragen, ob jemand schon entsprechende Erfahrungen gemacht hat. Insbesondere negative Erfahrungen wären natürlich von großem Interesse. Sind neben den Bauteilen Probleme mit den SMD-Lötstellen bekannt? FR4 wird sich wohl anders verhalten als Kupferauflage, Lötzinn und Bauteile. Beispiel: Spontan könnte ich mir auch vorstellen, dass sich ein flüssigkeitsgefüllter Kondensator nur bedingt über die Druckwechsel freuen wird. Ich bin gespannt auf Eure Ideen, Marcus P.S.: pnu hat mich auf einen Kommafehler aufmerksam gemacht -> 1MPa~10bar~100m Wassersäule
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Dann musst Du einfach alles eingießen! In Vergussmasse, meine ich.
Marcus H. schrieb: > ich habe eine Anfrage für Leiterplattenkonstruktion im > Unterwassereinsatz auf den Tisch bekommen. Im konkreten Fall werden die > jeweiligen äußeren wasserdichten Gehäuse bis 20MPa (20bar) im Testfall > belastet. Wie hoch der Druck auf die Bauteile wird, hängt noch am > Gehäusedesign. Wieso? Da stimmt doch was nicht. Entweder ist das Gehäuse druckdicht, dann braucht man sich über die Leiterplatte und die Bauelemente darauf nicht den Kopf zerbrechen. Oder das Gehäuse ist nicht druckdicht, dann füllt man typischerweise das Innenleben mit einem möglichsts unkomplizierten inkompressiblen Medium, also typischerweise einer (bezüglich des Innenlebens des Gerätes) chemisch möglichst inaggresiven Flüssigkeit. > Selbstverständlich wird für jedes einzusetzende Bauteil einzeln geklärt, > welche Limits der Hersteller garantieren kann. Das ist bei nicht druckdichtem Gehäuse dann notwendig, ja. > Sind neben den Bauteilen Probleme mit den SMD-Lötstellen bekannt? Es ist alles problematisch, was Gase einschließen kann (oder definitiv eingeschlossen hat), denn im Gegensatz zu den meisten Flüssigkeiten sind ausnahmslos alle Gase stark kompressibel. Lötstellen im Allgemeinen und VIAs im besonderen gehören definitiv in die Kategorie stark durch Druck gefährdeter Konstruktionen. Zumal kein normaler Dienstleister hier irgendwas garantiert, was außerhalb der normalen atmospärischen Druckschwankungen von ein paar mBar liegt. > Beispiel: Spontan könnte ich mir auch vorstellen, dass sich ein > flüssigkeitsgefüllter Kondensator nur bedingt über die Druckwechsel > freuen wird. Ob du der richtige Mann bist, eine druckfestes Design zu machen, da du offensichtlich nicht einmal die Trivialität mit den inkompressiblen Flüssigkeiten beherrschst? Da befallen mich doch erhebliche Zweifel...
Ah, das geht ja flott los. Formulieren wir die Frage um: Welche Erfahrungen habt Ihr mit bestückten Leiterplatten die unter erhöhtem Druck (fallweise bis 20MPa) betrieben werden? Ich habe die Frage bewusst offen formuliert, weil es mir um Eure konkreten Erfahrungen geht. @Knut: danke für die Anregung, aber durch die o.g. Fragestellung fällt Dein Ansatz aus. @c-hater: Danke für Deine Einschätzung. Meine komplette U-Boot Ausbildung erstreckt sich auf das mehrfache Anschauen von "Operation Petticoat", "Down Periscope" und "Hunt for Red October". Man sieht in U-Boot Filmen immer wieder mal, wie ein Besatzungsmitglied an der Oberfläche eine Leine zwischen den Wänden spannt. In 100m Tiefe hängt die dann deutlich durch. Und ein U-Boot, wie es in der Natur vorkommt, würde ich erstmal als "druckdicht" einstufen. Den Kappa habe ich als ein triviales anschauliches Beispiel genannt. Google liefert auf "capacitor altitude" eine Menge interessante Dokumente, leider wird hier eher auf Druckminderung eingegangen. Noch interessanter ist "capacitor pressure", hier findet man dann auch "defense grade" Bausteine für Tiefseeanwendungen. Zitat aus CDM "Aluminum Electrolytic Capacitor Application Guide": ELEVATION AND EXTERNAL PRESSURE Not relevant for capacitors with solid electrolyte. Aluminum electrolytic capacitors can operate to 80,000 feet and pressures as low as 3 kPa. Maximum air pressure depends on the size and style of the capacitor. Exceeding the maximum value can damage the capacitor by crushing the case, opening the pressure-relief vent or causing a short circuit.
>@c-hater: Danke für Deine Einschätzung. Meine komplette U-Boot >Ausbildung erstreckt sich auf das mehrfache Anschauen von "Operation >Petticoat", "Down Periscope" und "Hunt for Red October". Meine auf ein paar Jahre U-Boot fahren. >Man sieht in U-Boot Filmen immer wieder mal, wie ein Besatzungsmitglied >an der Oberfläche eine Leine zwischen den Wänden spannt. In 100m Tiefe >hängt die dann deutlich durch. Hollywood Unsinn. >Und ein U-Boot, wie es in der Natur >vorkommt, würde ich erstmal als "druckdicht" einstufen. Sonst würde es ja auch voll Wasser laufen;) Im inneren eines U-Bootes herrscht normaler Luftdruck. Der Unterschied zum Luftdruck an der Oberfläche beträgt höchstens ein paar Millibar. Wenn es mehr wäre würde die Besatzung entweder dekomprimieren und sterben oder bei erheblichem Überdruck über längere Zeit müssten Austauchzeiten eingehalten werden. Davon habe ich damals nichts bemerkt. Wir sind einfach aufgetaucht und nach einem kleinen Druckausgleich wurde der Deckel aufgemacht;)
Marcus H. schrieb: > ich habe eine Anfrage für Leiterplattenkonstruktion im > Unterwassereinsatz auf den Tisch bekommen. Im konkreten Fall werden die > jeweiligen äußeren wasserdichten Gehäuse bis 20MPa (20bar) im Testfall > belastet. Wie hoch der Druck auf die Bauteile wird, hängt noch am > Gehäusedesign. Eigentlich tut es ganz normale Elektronik, denn wie andere schon schrieben: Wenn Menschen überleben, überlebt auch Elektronik. Schwieriger wird es, ein wirlich dichtes Gehäuse zu finden/bauen, aber das ist ja nicht dein Problem. Eventuell wird du gefragt, welche Kabel aussen taugen und was als Kabeldurchführung verwendet werden kann. Oder die Elektronik ist ein einem Raum, der sehr wohl unter dem Aussendruck liegt, bloss vergossen mit inkompressiblen Zeug (Silikon, Epoxy), so daß der ganze Druck auf die Bauteile geht. Hab ich schon gesehen bei einem U-Boot von Fraunhofer, geht also, man verwendet Kabel, die gefüllt sind, also nicht Adern in Umhüllung, das ist das einzige Detail an das ich mich noch erinnere. Raumfahrtelektronik hatte deutlich mehr Besonderheiten.
Ich würde ein solides Gehäuse favorisieren (der Druck bleibt draußen). Natürlich mit passenden Dichtungen. Ich bezweifle, das "normale" Bauteile für hohe Drücke geeignet sind.
Es gibt nicht viele Wege die hier an das Ziel führen. Ich selbst habe Elektronik bis zu knapp 100bar bei 160grad C im Einsatz. In der Regel hast du entweder ein Druckdichten Behälter oder du sorgst für einen Druckausgleich über Labyrinth oder Balgkonstruktionen. Für die beschriebene Anwendung kommt wohl ersteres in Frage. Bitte auch an Temperatur, Wärmeausdehnung und Gase denken. Komplexe Elektronik in Wasser zu werfen ist nicht ganz trivial. Wenn es die Anwendung erlaubt würde ich nur Sensorik unter Wasser verstecken. Zugehörige Intelligenz über dem Wasser platzieren. Falls etwas an der Elektronik zu reparieren und oder zu warten ist müssen die gut 200m'Wassersäule zunächst abgebaut werden, wenn die Elektronik unter Wasser sitzt.
Amateur schrieb: > Ich würde ein solides Gehäuse favorisieren (der Druck bleibt > draußen). ...was leider geweisse Nachteile hinsichtlich der entv. erforderlichen Kabeldurchführungen und der Gehäusekonstruktion hat. Ein druckfestes Gehäuse zu bauen, erfordert einen gewissen Aufwand und ist daher sehr teuer. Sehr viel einfacher und meist auch billiger ist es daher, ein nicht druckfestes Gehäuse zu verwenden. Amateur schrieb: > Ich bezweifle, das "normale" Bauteile für hohe Drücke geeignet sind. nur Mut, Versuch macht klug. Von Baueilen die innen mit einem Gas gefüllt sind mal abgesehen, sollte es keine Probleme geben. ICs mit Fenster, Quarze und normale Elkos sind aber definitiv unbrauchbar.
Wenn 20 bar auf ein dichtes Gehäuse (innen anfangs 1 bar) mit entsprechend druckfesten Anschlüssen wirken, hast du vielleicht 1,1 bar drinnen. Problem??? Eher nicht. Wenn sich das Gehäuse auf das halbe Volumen zusammendrücken lässt (2 bar), wird die Elektronik gequetscht und funktioniert sowieso nicht mehr, selbst wenn die Bauelemente 20 bar aushalten. Datenblatt ist gut, gesunder Menschenverstand (manchmal) besser!
>Sehr viel einfacher und meist auch billiger ist es daher, ein nicht >druckfestes Gehäuse zu verwenden. Stimmt! Nützt aber nichts, wenn die Bauteile anschließend im Nirwana rumhängen.
Marcus H. schrieb: > Im konkreten Fall werden die jeweiligen äußeren wasserdichten Gehäuse bis > 20MPa (20bar) im Testfall belastet. Wie hoch der Druck auf die Bauteile > wird, hängt noch am Gehäusedesign. Bis auf Sonderfälle verwendet man druckfeste Gehäuse, d.h. Leiterplatten innerhalb des Gehäuses werden nur mit einem minimal erhöhten Druck beaufschlagt, der sich aus den elastischen Eigenschaften des Gehäuses ergibt. Inbesondere bei gerade mal 20 bar (200 m Wassertiefe) ist das bei einer vernünftigen Gehäusegeometrie ziemlich unkritisch. Das hängt natürlich von der Gehäusegröße ab. Vielleicht schreibst du etwas genauer, was du vor hast. Kritisch sind Fenster, Dichtungen und Deckelkonstruktion.
Vielen Dank an die ganzen Nachtmenschen für die verschiedenen Hinweise. Bei einer Unterwasseranwendung sehe ich verschiedene Einsatzzonen. In manchen wird marginal erhöhter Druck herrschen, in anderen Umgebungswasserdruck. Mir geht es um das grundsätzliche Verständnis und konkrete Erfahrungen, wie sich Elektronikkomponenten bei Luftdrücken >1MPa verhalten.
Also Ihr werdet es sicher wieder anders sehen, weil Ihr Elektroniker, aber keine Physiker seid. Mal angenommen, eine normale Platine wäre z.B. von einer dünnen Silikonfolie vor dem Wasser, aber natürlich nicht vorm Druck geschützt, so würden ALLE heute üblichen Bauteile die 20 bar locker überleben. Ausnahme wäre vielleicht ein riesiger Elko oder sowas. Oder vielleicht filigrane Trimmer o.ä.. 20 bar ist gar nix für heute übliche Bauteile und deren Größen. Bei SMD (ohne Elkos) reden wir bei 500 bar nochmal weiter...aber auch nur bezüglich des Drucks auf die Lötstellen, nicht etwa wegen der Bauteile selbst. Das Wasser selbst ist natürlich ne andre Sache, davor liesse sich ne Platine aber recht leicht schützen.
Was zu beachten ist, Das Gehäuse wird sich durch den Druck etwas elastisch verformen. Da die Elektronik mit dem Gehäuse irgendwie mechanisch verbunden ist sollte man also die Konstruktion so wählen, daß sich bei den Gehäuseverformungen keine Spannungen auf die Platine übertragen: Elastische Aufhängung mit genügend "Raum" zum arbeiten.
@0815: Hast Du konkrete Erfahrungen? Was macht FR4, Kupfer, Lot, Bauteil wenn der Druck schwankt? Angenommen FR4 komprimiert anders als ein ADC im MLP-Gehäuse, dann würde ich hier Probleme erwarten. @Udo: Yo, danke, man wird beachten müssen, dass der Aufbau nicht statisch überbestimmt wird.
Marcus H. schrieb: > Hast Du konkrete Erfahrungen? Was macht FR4, Kupfer, Lot, Bauteil > wenn der Druck schwankt? Probiere es doch einfach aus. Entweder die Platine unbestromt z.B. 10.000x 0-20 bar aussetzen (direkt im Wasser, was aber unrealistisch ist, weil man das so real auch nie machen könnte. Dürfte auch zu Wasser in Bauteilen führen). Oder (besser) die Platine entsprechend lackieren/schützen, und dann das Gleiche beim Betrieb der Schaltung. Das Einzige das überhaupt halbwegs fraglich wäre, sind die Lötungen. Vielmehr der Druck, den manche Bauteile über das Gehäuse sammeln, und auf kleine Lötaugen komprimieren. Aber auch dies würde der Lack verhindern, wenn er entsprechend unflexibel ist. Eine Möglichkeit wäre ein erster, sehr harter Lack zur Stabilisierung der Bauteile, und darauf mehrere Lagen absolut wasserdichtem Lacks. Letzteres dürfte das größere Problem sein.
Marcus H. schrieb: > 20MPa (20bar) im Testfall Hallo, für eine Richtigstellung wirds Zeit: 1 bar sind 100 000 Pa, kann man an Barometern in etwa ablesen. daher: 1MPa = 10 bar, also 20MPa = 200 bar
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@Peter: Autsch, danke für die Korrektur. Da rächt es sich, dass ich selbst umgangssprachlich meist Bar verwende. Besonders interessant ist das im Flieger: Höhenmesser in mBar, Öldruck in bar, Ladedruck in mmHg, Reifendruck in psi... Also, die Messlatte für meine Frage liegt bei angenommenen 200m Wassertiefe, entsprechend 20bar oder 2MPa.
Marcus H. schrieb: > Mir geht es um das grundsätzliche Verständnis und konkrete Erfahrungen, > wie sich Elektronikkomponenten bei Luftdrücken >1MPa verhalten. Warum stelltest du dann eine anderen Frage ? 0815 schrieb: > so würden ALLE heute üblichen Bauteile die 20 bar locker überleben. Aha. > Ausnahme wäre vielleicht ein riesiger Elko Nicht nur der. Ein SMD Widerstand liegt nicht platt auf der Platine, sondern hat etzwas Abstand, zumindest die 35um weil er links und rechts auf Kupfer aufliegt das dazwischen weggeätzt ist, aber in der Praxis sogar mehr. Seitlich ist diese Lücke mit Silikon verschlossen, aber unter em SMD Widerstand ist ein Luftraum. Nun drückt es von allen Seiten, weil der Luftraum komprimiert werden kann. Entweder bricht die SMD Keramik, oder die Platine veriebt sich, was Belastungen auf die Lötpunkte hat. Empfindliche ICs verändern auf solche Zugspannungen hin ihre Kennwerte. http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/60812fd.pdf (Mounting to PC boards may cause additional hysteresis due to mechanical stress) So genau wie im normalen Leben wird eine Elektronik also nicht. Reden wir nicht von Keramikkondensatoren, der Material aus demselben besteht wie Piezos, die also auf mechanischen Druck mit Spannung an den Ansdhlüssen reagieren. IC-Fassungen kannst du auch vergessen. Aber es hilft viel, wenn man alles in Silikonöl eingiesst und per Vakuum die letzte Luft rausholt, dann überlebt vermtulich sogar dein POti, zumindest so lange es nicht dicht zu sein versucht.
MaWin schrieb: > wenn man alles in Silikonöl eingiesst Mawin, Du hättest Dir deinen langen Beitrag sparen können, wenn Du meinen Post gelesen hättest. Die Aufgabe des Öls soll der Lack übernehmen. Ist einfacher und auch deutlich sportlicher als ne 10 Kilo-Ölwanne..
Wir haben immer ein druckfestes Gehäuse genommen. Einmal war es nicht so fest, da hat die Elektronik bis knapp 40 Bar mitgemacht. Elkos hatten wir nicht. Aber der Quarz ging kaputt. Die Chips alleine haben noch mehr mitgemacht. Denn das Flash war nach dem Auslöten noch lesbar. (Daher die Kenntnis der 40 Bar). Und der Maximaldruck war über 100.
Danke, MaWin.
Die Frageeinleitung sollte die grundsätzliche Motivation nennen ("Was
passiert bei einer Anwendung unter Wasser"), die spezielle Fragestellung
bezieht sich aber nur auf einen Teilaspekt ("eine bestückte
Leiterplatte, ohne weitere Schutzmaßnahmen, wird mit Überdruck
beaufschlagt - hat jemand dazu Erfahrungen").
Die Möglichkeit der von Dir genannten Probleme ist mir bewusst, was ich
vor allem Suche, sind Erfahrungswerte, wann dieselben tatsächlich
auftreten. Ich würde z.B. TQFP gegenüber MLP Gehäusen bevorzugen. Potis
und Elkos sind nicht vorgesehen.
Gesockelte ICs sind nicht vorgesehen, allerdings werden wir besonders
die geplanten (aber noch nicht definierten) Steckverbinder im Auge
behalten.
@PittyJ: Danke. Es ist tatsächlich kein Quartz vorgesehen. Desweiteren
nur X7R/X5R-Cercos, 0603 SMD Widerstände, ICs in MLP und TQFP Gehäusen.
Allerdings sind einige hundert 1bar-20bar-Zyklen wünschenswert.
0815 schrieb: > Also Ihr werdet es sicher wieder anders sehen, weil Ihr Elektroniker, > aber keine Physiker seid. Nö, das hat nichts mit der Profession zu tun, die öde blöde Mathematik gilt für alle, ob nun Physiker oder Elektroniker. Bloß BWLer dürfen natürlich daran vorbei entscheiden (wohl deshalb, weil sie sie sowieso nicht verstehen), aber das ist ein anderes Thema... > Mal angenommen, eine normale Platine wäre z.B. von einer dünnen > Silikonfolie vor dem Wasser, aber natürlich nicht vorm Druck geschützt, > so würden ALLE heute üblichen Bauteile die 20 bar locker überleben. Das ist schon falsch. Praktisch bei keinem normalen Halbleiter-Bauelement sind mögliche Gaseinschlüsse im Package ausgeschlossen oder wenigstens hinreichend spezifiziert, um 20bar garantiert widerstehen zu können. > 20 bar ist gar nix für heute übliche Bauteile und deren Größen. Gerade die geringe Größe ist das Problem. Eine kleine Gasblase kann bei geringem Gehäusevolumen natürlich eine viel signifikantere Schwächung der Struktur darstellen als dieselbe Gasblase bei einem altertümlichen Gehäuse mit viel mehr Volumen der Vergußmasse drumrum. Damit wird eine weitere Fachrichtung relevant: Technische Mechanik. Ist aber auch bloß wieder die immer gleiche Mathematik, nur gewisse Konventionen bei den Formelzeichen variieren je nach Fachrichtung. Ein wissenschaftlich gebildeter Mensch sollte darüber stehen und auch die Erkenntnisse der "Konkurrenz" wahrnehmen und nutzen können...
0815 schrieb: > Mawin, Du hättest Dir deinen langen Beitrag sparen können, wenn Du > meinen Post gelesen hättest. Die Aufgabe des Öls soll der Lack > übernehmen. Lack kann nicht die Aufgabe des Öls übernehen, denn Aufgabe des Öls ist es, alle Luft zu verdrängen, damit nichts kompressibles übrig bleibt. Dazu muss es das ganze Gehäuse ausfüllen. Lack ist nur eine dünne Schicht gegen Tauwasser oder so.
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