DE19936398C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Schaltungsträgers bei Kondenswasser-Abscheidungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Schaltungsträ­ gers bei Kondenswasser-Abscheidungen.

Insbesondere bei Schaltungsträgern, die im Einsatz häufig Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, können Fehlfunktionen oder Totalausfälle des damit bestückten elektronischen Gerä­ tes auftreten, wenn die Temperatur derart stark fällt, daß eine Betauung - Abscheidung von Kondenswasser aus der feuch­ ten Umgebungsluft - der Schaltungsträger auftritt.

Im Falle von in der Automobilindustrie verwendeten Schal­ tungsträgern ist an deren Rückseite häufig eine Aluminium- Platte als Wärmeabfuhr-Hilfe vorgesehen, um eine Überhitzung der auf dem Schaltungsträger angeordneten elektronischen Bau­ elemente zu vermeiden. Ein mit einer metallischen Kühlplatte versehener Schaltungsträger ist beispielsweise aus der Offen­ legungsschrift DE 197 06 790 A1 bekannt. Gerade hier kann ei­ ne Abkühlung des Schaltungsträgers und der letzteren umgeben­ den Luft unter deren Taupunkt auftreten, wodurch Kondenswas­ ser auf dem Schaltungsträger abgeschieden wird.

Bei vielen elektronischen Geräten kann eine derartige Er­ scheinung nicht vermieden oder nur mit aufwendigen, konstruk­ tiven Abänderungen des Geräteaufbaus verbunden mit sehr hohen Kosten ausgeschlossen werden.

Deswegen ist es üblich, elektronische Geräte in ihrer Proto­ typ-Phase durch eine Betauungsprüfung zu testen. Auf diese Weise wird ermittelt, welche Auswirkungen die Betauung be­ sitzt und wie bei gegebenenfalls auftretenden Störfällen diesen beispielsweise bereits durch eine Änderung der Schal­ tungsträger-Architektur abgeholfen werden kann.

Bei bekannten Prüfverfahren und Prüfvorrichtungen für Schal­ tungsträger zur Bestimmung deren Funktionsfähigkeit bei Kon­ denswasser-Abscheidungen wird der zu prüfende Schaltungsträ­ ger in einem Klimaraum mit einem großen Wasserreservoir un­ tergebracht. Dieses Wasserbad wird ständig aufgeheizt, so daß die absolute Feuchte und Temperatur im Klimaraum zunehmen. Der Schaltungsträger hinkt dem Temperatur-Vorlauf der ihn um­ gebenen Luft nach, wodurch sich zunehmend Kondenswasser an dem Schaltungsträger abscheidet. Andere bekannte Prüfverfah­ ren, beispielsweise nach der japanischen Norm JASO D 0001-94, erzeugen den Betauungsfilm durch Einbringen eines kalten Prüflings in feuchte, warme Atmosphäre.

Bei diesen bekannten Prüfverfahren und Prüfvorrichtungen be­ steht zum einen eine Abhängigkeit zwischen der thermischen Masse - insbesondere bei der Verwendung von Schaltungsträgern mit Aluminium-Platte als Wärmeabfuhr-Hilfe - der zu prüfenden Leiterplatte und der Dicke des abgeschiedenen Kondenswasser- Filmes. Zum anderen ist die Bildung des Kondenswasser-Filmes von den das Prüfgerät bestimmenden Eigenschaften, wie z. B. die Heiz-Leistung und das Volumen der Klimakammer oder der Wärmeaustausch mit der Umgebung, abhängig.

Aufgrund dieser Abhängigkeiten ist die Prüfung als solche oftmals nicht reproduzierbar. Außerdem wird bei den bekannten Prüfverfahren bzw. Prüfvorrichtungen häufig ein zu dicker Kondenswasser-Film auf dem Schaltungsträger aufgebracht, der eine aussagekräftige Interpretation der Prüfergebnisse häufig nicht zuläßt.

Ausgehend von der geschilderten Problematik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfah­ ren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Schaltungs­ trägers bei Kondenswasser-Abscheidungen zu schaffen, mit de­ nen eine reproduzierbare und zuverlässige Betauungs-Prüfung von Schaltungsträgern ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale bzw. die im Anspruch 6 angegebenen Verfahrensschritte gelöst. Mit einer derartigen Prüfvor­ richtung bzw. einem derartigen Prüfverfahren wird die Kon­ denswasser-Bildung durch eine Abkühlung des Schaltungsträgers und somit der letzteren umgebenden, feuchten Luft erzeugt. Die Kondenswasser-Bildung als Regelgröße wird über einen di­ rekt die Oberfläche des Schaltungsträgers erfassenden Sensor und einen daran anschließenden und mit einer Kühleinheit ver­ bundenen Regelkreis eingestellt. Auf diese Weise wird der Ein­ fluß der thermischen Massen des Prüflings auf die Bildung des Kondenswasser-Filmes umgangen und dieser direkt detektiert. Zudem ist die Prüfung nicht mehr von den herrschenden Bedin­ gungen, wie der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft oder deren Temperatur, sowie dem Prüfgeräte-Typ abhängig und somit für jeden Schaltungsträger zu jeder Zeit reproduzierbar.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden mit der folgenden Beschreibung eines bevor­ zugten Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnung deutlich, die einen schematischen Aufbau der erfindungsgemä­ ßen Prüfvorrichtung darstellt.

Die Prüfvorrichtung 1 läßt sich im wesentlichen in drei Hauptbestandteile - die Kühleinheit 2, die Einrichtung 3 zum Erfassen der Kondenswasser-Bildung und den die beiden Be­ standteile 2, 3 der Prüfvorrichtung 1 miteinander elektrisch koppelnden Regelkreis 4 - unterteilen.

Die Kühleinheit 2 ist als abgeschlossene Kältekammer 5 ausge­ bildet, an deren Boden 6 ein Peltier-Element 7 angeordnet ist. Die Kältekammer 5 wird durch eine Trennwand 8 in eine obere 11 und untere Kammer 12 unterteilt. Im wesentlichen im linken Abschnitt der Trennwand 8 ist ein dem Peltier-Element gegenüberliegender Lüfter 9 vorgesehen, der einen durch Pfei­ le 13a, b, c, d angedeutet dargestellten Luftstrom 13 erzeugt. Im rechten Abschnitt der Trennwand 8 ist eine Öffnung 14 vor­ gesehen, durch die der Luftstrom 13 in die untere Kammer 12 gelangt. Auf diese Weise zirkuliert ein geschlossener Luft­ strom 13 in der Kältekammer 5.

Der zu prüfende Schaltungsträger 16 ist an der oberen Wand 17 der Kältekammer 5 angeordnet. Die zu überprüfende, mit elek­ tronischen Bauelementen 21 versehene Bestückungsseite 18 des Schaltungsträgers 16 liegt außen und ist der Umgebungsluft ausgesetzt. Hingegen weist die andere, bauelementfreie Seite 22 in die Kältekammer 5 und ist dem in der Kältekammer 5 zir­ kulierenden, kühlenden Luftstrom 13 ausgesetzt. Für eine der­ artige Schaltungsträger-Aufnahme ist die obere Wand 17 der Kältekammer 5 mit einer durchgehenden Aussparung versehen, die von dem Schaltungsträger 16 luftdicht verschlossen ist.

Auf der Bestückungsseite 18 des Schaltungsträgers 16 gegen­ überliegend ist oberhalb davon ein Sensor 23 der Einrichtung 3 zum Erfassen der Kondenswasser-Bildung angeordnet, wobei der bevorzugte Sensor 23 ein optischer Farbsensor ist, der die durch die Betauung entstehende Farbänderung im erfaß­ ten Oberflächenbereich auswertet. Alternativ dazu könnte auch ein optischer Sensor eingesetzt werden, der den Reflexions­ grad eines Bereichs der Schaltungsträger-Oberfläche detek­ tiert. Bei der Auswahl des zu detektierenden Bereiches ist darauf zu achten, daß ein gleichmäßiger Oberflächenabschnitt der Schaltungsträger-Platte oder eines Bauelementes 21 - also kein Übergangsbereich beispielsweise von der Schaltungsträ­ ger-Platte auf ein Bauelement - abgetastet wird.

Der Sensor 23 ist im übrigen am freien Ende der Querstrebe 24 eines Befestigungsgalgens 25 befestigt, der wiederum an der oberen Wand 17 der Kältekammer 5 angebracht ist.

Beim Prüfvorgang wird in der Kältekammer 5 der Luftstrom 13 am Peltier-Element 7 abgekühlt und über den Lüfter 9 zum Schaltungsträger 16 geleitet, wo der abgekühlte Luftstrom 13 dem Schaltungsträger 16 Wärme in der Art entzieht, daß auch die die Außenseite 18 des Schaltungsträgers 16 umgebende, feuchte Luft unter ihren Taupunkt abgekühlt wird. Auf diese Weise scheidet sich Kondenswasser auf der mit Bauelementen 21 versehenen Seite 18 des Schaltungsträgers 16 ab.

Der sich auf dem Schaltungsträger 16 bildende Kondenswasser- Film (nicht-dargestellt) wird von dem Sensor 23 auf Grund der Änderung der Reflexions-Charakteristik der mit Kondenswasser- Abscheidungen belasteten Oberfläche detektiert, was mit dem zwischen dem Sensor 23 und dem Schaltungsträger 16 einge­ zeichneten Doppelpfeil angedeutet ist.

Der Sensor 23 ist mit dem Peltier-Element 7 der Kältekammer 5 über den Regelkreis 4 elektrisch gekoppelt. Hierbei sendet der Sensor 23 ein Ausgangssignal 26 zu einem Signalverstärker 27, der ein davon abhängiges Stellsignal 28 dem Peltier- Element 7 zuführt. Entsprechend dem Stellsignal 28 wird die Kühlleistung der Kühleinheit 2 eingestellt, um die Bedingun­ gen für die Bildung des Kondenswasser-Filmes wunschgemäß ab­ zuändern.

Eine besonders einfache, trotzdem ausreichende Zweipunkt- Regelung kann dabei eingesetzt werden. Erst bei Erreichen ei­ ner bestimmten Schaltschwelle für das Ausgangssignal 26 vom Sensor 23 wird der Verstärker aktiv, um dem Peltier-Element 7 ein Deaktivierungs- oder Aktivierungssignal zuzuführen. Dem­ gemäß wird das Peltier-Element 7 bei zu starker Kondenswas­ ser-Bildung abgeschaltet und entsprechend bei zu geringer Filmdicke der Kondenswasser-Abscheidung eingeschaltet.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Schaltungsträgers bei Kondenswasser-Abscheidungen umfassend:

• - eine Kühleinheit (2),
• - eine an der Kühleinheit (2) vorgesehene Schaltungsträger- Aufnahme,
• - einen Sensor (23), der einen Bereich der mit Kondenswasser belasteten Oberfläche des Schaltungsträgers zum Nachweis von Kondenswasser-Bildung erfaßt, und
• - einen Regelkreis (4), der den Sensor (23) mit der Kühlein­ heit (2) koppelt und mittels dessen die Kondenswasser- Bildung regelbar ist.

2. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensor (23) ein optischer Farbsensor ist, der den Reflexionsgrad der Oberfläche (18) des Schal­ tungsträgers (16) detektiert.

3. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kühleinheit (2), eine abgeschlossene Kältekammer (5) umfaßt, wobei der Schaltungs­ träger (16) an einer Außenwand (17) der Kältekammer (5) befe­ stigt ist.

4. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kühleinheit (2) eine abgeschlossene Kältekammer (5) umfaßt, wobei der Schaltungs­ träger (16) einen Teil der Außenwand (17) der Kältekammer (5) bildet und eine Seite (22) des Schaltungsträgers (16) in das Innere der Kältekammer (5) weist, während die andere, mit elektronischen Bauelementen versehene Seite (18) des Schal­ tungsträgers(16) der Umgebungsluft ausgesetzt ist.

5. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kühleinheit (2) ein Peltier-Element (7) aufweist.

6. Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Schaltungsträgers bei Kondenswasser-Abscheidungen, wobei:

• - Kondenswasser auf den Schaltungsträger (16) durch Abkühlung desselben bis unter den Taupunkt aufgebracht wird,
• - ein Bereich der mit Kondenswasser belasteten Oberfläche (18) des Schaltungsträgers (16) von einem Sensor (23) zum Nachweis von Kondenswasser erfaßt wird,
• - der Sensor (23) ein Stellsignal erzeugt und
• - die Bildung von Kondenswasser auf dem Schaltungsträger (16) in Abhängigkeit von dem Stellsignal des Sensors (23) über die Abkühlung des Schaltungsträgers (16) eingestellt wird.

7. Prüfverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit dem Sensor (23) der Reflexionsgrad der Oberfläche (18) des Schaltungsträgers (16) detektiert wird.

8. Prüfverfahren nach Anspruch 6 oder 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bildung von Kondens­ wasser auf dem Schaltungsträger (16) über die Abkühlung des Schaltungsträgers (16) in einer Zweipunkt-Regelung geregelt ist.

9. Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung über den Peltier- Effekt realisiert wird.