Hintergrund

Kurzlebige Hardware und die Geschichte von zwei kurzlebigen Bauelementen

Wenn die Hardware nicht stimmt, ist es schwer, ein Produkt lange zu nutzen. Kaputte Geräte werden eher ausgetauscht als repariert. Sinnvoll wäre also, wenn Produkte so gebaut sind, dass sie so lange wie möglich halten. Woran kann es liegen, dass dies nicht (ausreichend) passiert?

Photo by Lucas Santos on Unsplash

Erste Schwachstelle: Kondensatoren

Der technische Hauptgrund für das Versagen von Elektrogeräten sind deren lebensdauerbegrenzende Bauelemente. Insbesondere die im Produkt enthaltenen Kondensatoren, können zum Ausfall des gesamten Geräts führen, wenn sie nicht mehr richtig funktionieren [2,3] . Kondensatoren werden zur Speicherung von elektrischer Ladung, also Energie genutzt, damit trotz einer zeitweise zu hohen oder zu niedrigen Spannung weiterhin Energie an die hinter den Kondensatoren geschalteten elektronischen Bauelemente geliefert wird. In der Unterhaltungselektronik werden am häufigsten Flüssig-Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren (Elkos) verwendet, da sie bei niedrigen Kosten am besten Energie speichern [3,4] .

Was genau ist ein Kondensator?

Prinzipiell besteht ein Kondensator aus zwei gegenüberliegenden leitenden Schichten (Elektroden), einer Anode und einer Kathode, getrennt durch ein nichtleitendes Material (Dielektrikum, hier die Oxidschicht) und einem Elektrolyten zum Transport der Ionen zwischen den Elektroden [5] . Durch das Anlegen einer Spannung werden die beiden Elektroden gegenteilig aufgeladen und zwischen ihnen baut sich ein elektrisches Feld auf, in dem Energie gespeichert ist. Dieser „Vorrat“ kann dann bei Schwankungen in der Stromversorgung genutzt werden, um das Gerät trotzdem noch mit Energie zu beliefern.

Abb.2 Aufbau Aluminium Elektrolytkondensator

Die Anodenfolie wird sehr stark aufgeraut, damit sie eine größere spezifische Oberfläche erhält und so effektiver arbeiten kann. Diese Struktur macht die Folie allerdings auch empfindlicher, weswegen die Degradation der Anode einer der Hauptgründe für das Versagen eines Elkos ist.

Der Elektrolyt liegt in flüssiger Form vor, was den Vorteil einer optimalen Anpassung an die raue Oberfläche der Anode hat. Allerdings ist der flüssige Zustand stark den Kern- und Umgebungstemperaturen ausgesetzt und verdunstet bzw. entweicht mit der Zeit an den Verschlussstellen des Elkos. Dadurch trocknet der Kondensator zunehmend aus. Seine Leistungsfähigkeit nimmt ab, bis er letztlich nicht mehr funktionieren kann [6,7,8] .

Die extreme Temperaturabhängigkeit ist Bestandteil aktueller Forschung, in der untersucht wird, wie stark sich die Reduzierung der Betriebstemperatur von elektronischen Geräten auf die Lebensdauer dieser Produkte auswirkt. Dabei beruft man sich auf ein von Svante Arrhenius entwickeltes Modell, welches bezogen auf Kondensatoren aussagt, dass sich bei einer Betriebstemperaturerniedrigung um 10° C die Lebensdauer verdoppelt. Diese Relation wurde allerdings in den 1990er ermittelt, weswegen eine Anpassung an moderne Technologie und Verwendung notwendig ist [3,9] .

Zweite Schwachstelle: Schalttransistoren

Das elektrische Bauteil, welches nach Kondensatoren am häufigsten ausfällt, sind die sogenannten Schalttransistoren [10] . Diese steuern die elektrische Spannung und Ströme, indem sie z.B. Strom verstärken für Geräte, die eine hohe Schaltfrequenz benötigen [11] . Am meisten werden dabei bipolare Transistoren verwendet, die sich aus drei Halbleiterschichten zusammensetzen, bestehend aus Silizium und Siliziumoxid [10] .

Die Hauptursache für den Verschleiß von Transistoren liegt bei Schwankungen der Temperatur, des Stroms und der Spannung. Diese Effekte treten vor allem dadurch auf, dass sich mit der Zeit die Werte anderer elektronischer Bauteile in dem System ändern und es damit zu Überlastung von den Parametern kommen kann, unter denen der Transistor ursprünglich funktionieren sollte, zum Beispiel bezogen auf Hitze und Betriebsspannung [12,13] . Das kann zu Änderungen auf atomarer Ebene der Halbleiterschichten führen, wo sich durch fehlende Sauerstoffatome die Ladung an dieser Stelle ändert und damit die benötigte Schwellenspannung steigt [14] . Auch hier gibt es Untersuchungen zu den Auswirkungen von temperaturabhängiger Transistor-Degradation, womit die Betriebstemperatur von Haushaltselektrogeräten einen zentralen Forschungsschwerpunkt bei lebensdauerbegrenzenden Bauteilen darstellt.

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Literatur/Quellen

[1] https://de.statista.com/infografik/12272/die-zehn-laender-mit-dem-groessen-elektroschrott-aufkommen/, letzter Zugriff 14.12.20

[2] Birolini, A. (2014): Reliability Engineering – Theory and Practice. Springer, Berlin Heidelberg. 7th edition

[3] Huang, S.; Xiong, S.; Zeng, D.; Quo, L.; Nie, L.; Zhu, G. (2018): Accurate lifetime predication of aluminium electrolytic capacitor considering equivalent series resistance variations. Conference: IEEE 2018 - PEAC

[4] Kirisken, B. (2014): Cost-benefit approach to degradation of electrolytic capacitors. Conference: RAMS 2014

[5] http://www.elektronikinfo.de/strom/kondensatoren.htm, letzter Zugriff 09.12.20

[6] Albertsen, Arne (2009): Elko-Lebensdauerabschätzung

[7] Zhao, K.; Ciufo, P.; Perera, S. (2010): Lifetime analysis of aluminium electrolytic capacitor subject to voltage fluctuations. Conference: 14th International Conference on Harmonics and Quality of Power

[8] Zhou, D.; Wang, H.; Blaabjerg, F.; Kaer, S. K.; Bloom-Hansen, D. (2017): Degradation effect on Reliability Evaluation of Aluminium Electrolytic Capacitor in Backup Power Converter. Conference: IFEEC 2017 – ECCE Asia

[9] Wang, X.; Tallam, R.; Shrivastave, A.; Morris, G. (2019): Reliability test setup for liquid aluminium electrolytic capacitor testing. Conference: RAMS 2019

[10] https://www.britannica.com/technology/transistor, letzter Zugriff 14.12.20

[11] https://www.grund-wissen.de/elektronik/bauteile/transistor.html, letzter Zugriff 14.12.20

[12] https://learnabout-electronics.org/Semiconductors/transistor_faults_01.php, letzter Zugriff 14.12.20

[13] Yan, B.; Quin, J.; Dai, J.; Fan, Q., Berstein, J. B. (2008): Reliability Simulation and Circuit-Failure Analysis in Analog and Mix-signal Applications. IEEE Transaction on Device and Materials Reliability Volume 9 Issue 3

[14] Grasser, T.; Kaczer, B.; Goes, W.; Reisinger, h.; Aichinger, T.; Hehenberger, P.; Wagner, P.-J.; Schanosvsky, F.; Franco, J.; Luque, M. T.; Nelhiebel, M. (2011): The paradigm shift in understanding the bias temperature instability: From reaction–diffusion to switching oxide traps. IEEE Transactions on Electron Devices Volume 58 Issue 11

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