Winzlinge ganz groß MCU-Entwicklungsboards als Einplatinencomputer nutzen

Während Entwicklungsboards zwar immer noch QS-geprüfte Halbleiter- und Hardware-Komponenten verwenden, die für den kommerziellen oder industriellen Einsatz bestimmt und getestet sind, müssen Ingenieure heute auch verstehen, dass Entwicklungsboards anders spezifiziert sind als industrielle SBCs, und welches Maß an Tests notwendig ist, bevor sie ein Board für den Dauereinsatz genehmigen.

Um dieses Verständnis zu wecken, wird in diesem Beitrag erörtert, welche Einschränkungen diese Boards haben, wie ihre Eignung für die Zielanwendung richtig bestimmt werden kann und welche Aspekte ein Ingenieur bei der Auswahl eines Entwicklungsboards für den dauerhaften Einsatz in einer Anwendung berücksichtigen muss.

SBC-Qualitätssicherung in der Industrie

Industrielle Standard-SBCs werden oft zur Steuerung industrieller elektromechanischer Geräte sowie der Entwicklung von IoT- und IIoT-Systemen eingesetzt. Ein SBC ist bereits mit getesteten Komponenten bestückt und wird mit einer vollständigen Dokumentation ausgeliefert.

Ein kundenspezifischer SBC ist eine mögliche Option für den Einkauf, wenn das Volumen hoch genug ist und kein handelsüblicher SBC die benötigte Funktionalität zum richtigen Preis bietet. Allerdings kann eine ausgetestete Standardlösung trotzdem vorteilhafter sein, da sie eine schnelle Entwicklung und Markteinführung ermöglicht.

Hersteller von SBCs unterziehen neue Boards einer langen Reihe strenger Qualitätskontrolltests, bevor sie das Design für die Produktion freigeben. Speziell SBCs, die für den industriellen Einsatz entwickelt wurden, durchlaufen strenge Qualitätskontrolltests, um sicherzustellen, dass sie in der Zielanwendung zuverlässig funktionieren.

Für eine übliche Industrieanwendung, die auf -40 bis 85 °C ausgelegt ist, werden industrietaugliche Halbleiter und Hardware ausgewählt, die für diesen Temperaturbereich ausgelegt sind. Alle Komponenten sind auf einer Leiterplatte mit einem Material montiert, das ebenfalls im diesen Nenntemperaturbereich arbeitet. Bei einigen Anwendungen kann eine konforme Beschichtung über den SBC aufgetragen werden, um die Platine vor Feuchtigkeit, Staub und Umgebungspartikeln sowie vor dem Austreten von Chemikalien zu schützen.

Die initiale Qualitätssicherung eines neuen industriellen SBCs umfasst Tests auf dem Prüfstand, der die oberen und unteren elektrischen Bemessungsgrenzen wie Strom und Spannung überprüft. Nach dieser grundlegenden Kontrolle durchläuft der neue SBC dann eine umfassende und langwierige Qualitätssicherung. Hier werden die Prüflinge unter Lastbedingungen getestet, ob sie die angestrebten Temperaturextreme wie Hitze und Kälte sowie unter extremer Feuchtigkeit und Vibration funktionieren.

Der Hersteller des Industrie-SBCs kann auch Stresstests durchführen, bei denen er tagelang die Probanden unter extremen Bedingungen betreibt. Jeder noch so kleine Fehler wird protokolliert und sorgfältig auf seine Ursache überprüft. Aufgetretene Ausfälle während der Testphase können dazu führen, dass Komponenten ausgetauscht oder der SBC neu konstruiert wird.

QS-Prüfungen können Wochen oder Monate dauern. Erst wenn der SBC-Entwurf vollständig qualifiziert ist, gibt der Hersteller das Board endgültig zur Produktion frei. Jeder einzelne SBC, der sich jetzt in der Produktion befindet, wird am Ende der Produktionslinie zusätzlich noch Schnelltests unterzogen, die in der Regel weniger als eine Minute dauern.

Auch nach der Freigabe des SBC für die Produktion hören die Tests nicht auf. Der Hersteller des industriellen SBCs kann nach dem Zufallsprinzip einen SBC von der Produktion abziehen und einer vollständigen Qualitätssicherung auf vierteljährlicher oder jährlicher Basis unterziehen, um sicherzustellen, dass die Qualität aufrechterhalten wird. Oft sind diese QA-Ergebnisse für Kunden verfügbar.

Darüber hinaus sendet der Hersteller aus Qualitätsgründen bei jeder Änderung des SBC, zum Beispiel beim Austausch von Platinenkomponenten, eine technische Änderungsmitteilung (Engineering Change Notice, ECN) an seine Kunden.

Entwicklungsboards für den industriellen Einsatz

Die von Mikrocontroller-Herstellern freigegebenen oder von Dritten gelieferten Entwicklungsboards werden weniger strengen Tests unterzogen als industrielle SBCs. Die Komponenten sind in der Regel von kommerzieller Qualität, einige Boards enthalten jedoch auch Komponenten industrieller Qualität.

Entwicklungsplatinen sind normalerweise nur für den Betrieb bei Raumtemperatur ausgelegt. Daher werden erste Prototypen von Entwicklungsplatinen nur bei Raumtemperatur getestet, aber dies ist je nach Hersteller sehr unterschiedlich. Man kann zudem auch davon ausgehen, dass diese Platinen nicht für Temperaturextreme, für hohe Luftfeuchtigkeit sowie für extreme Vibrations- und Schockbedingungen ausgelegt sind.

Das vorrangige Ziel bei der Entscheidung, welches Entwicklungsboard in einer industriellen Anwendung eingesetzt werden soll, ist die Risikominderung. Aus diesem Grund ist es wichtig, zunächst einen Blick auf den Hersteller des Boards zu werfen – insbesondere auf die EOL-Richtlinie (End-of-Life-Richtlinie) des Herstellers und die Geschichte der Entwicklungsboards. Das Letzte, was ein Ingenieur braucht, ist ein Volumeneinkauf einer perfekten Platine, die dann wegen eines EOL eingestellt wird.

Bei der Entscheidung, ob eine Entwicklungsplatine in einer industriellen Anwendung eingesetzt werden soll oder nicht, sollten die Komponenten auf der Platine genauer betrachtet werden. Stellen Sie sicher, dass die Komponenten die richtige Temperaturklasse für die Zielanwendung aufweisen.

Wenn das Board in einer industriellen Umgebung mit geringen klimatischen Anforderungen eingesetzt werden soll, dann sind wahrscheinlich Komponenten in kommerzieller Qualität für die Anwendung ausreichend. Zudem sollten alle Steckverbinder oder andere zugehörige Hardwarekomponenten auf festen Sitz geprüft werden, um sicherzustellen, dass sie fest montiert sind. Auch sollten alle nicht eingelöteten Schrauben aus Qualitätsgründen mit einem Schraubendreher kontrolliert werden – zu viel Spiel kann auf einen inkonsistenten QS-Prozess hinweisen.

Wenn Platinenkomponenten und die Konstruktion akzeptabel sind, dann ist es eine gute Idee, drei oder mehr Platinen gleichzeitig über einen Zeitraum von mehreren Tagen unter hohen Temperaturen zu testen. Um eine gute Vorstellung von der Produktionskonsistenz zu erhalten. Zudem sollte jeder Testkandidat im Laufe der Zeit separat gekauft werden, sodass verschiedene Produktionslose bemustert werden können. Jeder Fehler verursacht Kosten, und wenn der Hersteller den Fehler nicht ausnahmslos angemessen erklären kann, sollte ein anderes Entwicklungsboard beziehungsweise Hersteller gewählt werden.

Fazit

Wenn der SBC in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit verwendet werden soll, dann sollte die Platine in einer Umgebung mit angemessener Luftfeuchtigkeit getestet werden. Entwicklungsboards sind nicht für den Einsatz bei hoher Luftfeuchtigkeit ausgelegt. Eine konforme Beschichtung kann zum Schutz vor Feuchtigkeit auf die Leiterplatte aufgetragen werden, vorausgesetzt, dass Steckverbinder und elektrische Kontaktstellen sorgfältig vor der Beschichtung geschützt werden.

Erkundigen Sie sich auch beim Hersteller, ob er mit jeder Änderung an der Platine ein ECN verschickt. Häufig geschieht dies nicht mit Entwicklungsboards. Deshalb sollten alle gekauften Boards visuell auf Änderungen an Komponenten überprüft werden. Wenn die Karte in einer Umgebung mit hohen Vibrationen eingesetzt werden soll, sollte sie in einem Testrahmen montiert und einem Vibrationstest unterzogen werden. Am Ende des Tests sollte es visuell auf Risse oder Verformungen untersucht sowie Schrauben auf festen mechanischen Sitz überprüft werden.

Mikrocontroller-Entwicklungsboards können als industrielle Anwendungsboards eingesetzt werden, wenn das Board sorgfältig ausgewählt und getestet wird, bevor es in der Zielanwendung eingesetzt wird. Der Ingenieur muss die Hardware vor der Verwendung strengen Tests unterziehen und den Hersteller sorgfältig auf die Lieferzuverlässigkeit einschließlich der EOL-Richtlinien prüfen. Durch die riesige Auswahl an Entwicklungssystemen kann ein Ingenieur durchaus ein geeignetes Board finden, das die interne QS für den Einsatz in einer industriellen Anwendung besteht.