Sollte die Reparierbarkeit ein Kriterium bei der Bestimmung der Zuverlässigkeit sein?

Bei vielen kritischen Anwendungen sind wir heute auf Elektronik angewiesen: von medizinischen Geräten bis hin zu Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilsystemen. Daher sind die Sicherheit und Zuverlässigkeit dieser Geräte von entscheidender Bedeutung und gute Designverfahren sowie die Auswahl der richtigen, hochzuverlässigen elektronischen Bauelemente unerlässlich.

Die Zuverlässigkeit ist einer der wichtigsten Faktoren in jedem elektronischen System. Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, vertrauen Entwickler häufig auf verschiedene Prüfungsstufen für hochzuverlässige elektronische Bauelemente, darunter AEC-Q, COTS, MIL-PRF, JAN und andere. Dabei wird jedoch oft ein Aspekt übersehen, der in der Zuverlässigkeitsgleichung ebenso wichtig ist: die Reparierbarkeit.

Wenn eine Komponente ausfällt, kann die schnelle Reparierbarkeit oder Austauschbarkeit den Unterschied zwischen einem kleinen Problem und einem katastrophalen Ausfall ausmachen. In den meisten Fällen werden komplette Leiterplatten und Unterbaugruppen ausgetauscht, und die alten Komponenten werden entsorgt. Die Entscheidung für wartungs- bzw. reparaturfreundliche Leiterplatten oder Unterbaugruppen bedeutet, dass einige Teile gesockelt sind, dass Steckverbinder leicht zugänglich sind und nicht verlötet werden und dass Elemente, die eine geringe Lebenserwartung haben oder bei Belastung ausfallen können (z. B. Elektrolytkondensatoren), leicht entfernt und ausgetauscht werden können.

Bei der Auswahl hochzuverlässiger elektronischer Bauelemente sollte daher unbedingt auf die Reparierbarkeit geachtet werden. Einige hochzuverlässige Bauelemente lassen sich nur schwer oder gar nicht reparieren und müssen stattdessen komplett ersetzt werden. Andere Komponenten lassen sich hingegen leichter reparieren oder ersetzen. Dieser Umstand kann für die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit des Systems entscheidend sein.

In vielen Fällen bieten modulare High-End-Prozessorplatinen keine Benutzerunterstützung für Reparaturen auf Leiterplattenebene, und kein Chiphersteller unterstützt die Reparatur von Chips. Die Eingriffsmöglichkeiten des Benutzers in eine Leiterplatte oder Unterbaugruppe beschränken sich auf Firmware-Updates. In unserer „Wegwerfgesellschaft“ wird wenig Zeit für die Fehlersuche aufgewendet – und eine Reparatur ist nicht Teil des geplanten Lebenszyklus eines Produkts.

Ein Weg, um die Reparierbarkeit zu gewährleisten, ist die Auswahl von Komponenten, die sich in der Vergangenheit als reparier- oder austauschbar erwiesen haben. So sind Bauelemente mit standardisierten Schnittstellen, wie Steckverbinder oder modulare Komponenten, oft einfacher austauschbar als individuell gefertigte Komponenten. Ein weiterer Weg, um die Reparaturfähigkeit zu gewährleisten, ist die Auswahl von Komponenten von Herstellern, die Reparatur oder Austausch unterstützen. Einige Hersteller bieten Reparatur- oder Austauschdienste für ihre Teile an, um sicherzustellen, dass ein defektes Teil bei Bedarf schnell und einfach repariert oder ausgetauscht werden kann.

Unter rauen Bedingungen ist eine Reparatur vor Ort häufig nicht möglich. Ein technisch versierter Astronaut/Techniker repariert eine Leiterplatte im Weltraum (noch) nicht. Er tauscht sie aus. Das Gleiche gilt für eine Maschine in der Fabrik. Ausfallzeiten in der Produktion sind teuer. Wenn eine ausgefallene Komponente innerhalb weniger Stunden ausgetauscht und wieder in Betrieb genommen werden muss, ist es eine echte Herausforderung, zwei Tage auf ein Ersatzboard oder -modul zu warten. Falls Ersatzboards oder -module auf Lager sind, ist der Austausch eine schnelle Lösung, nicht die Reparatur.

Die Reparierbarkeit ist jedoch nur ein Aspekt bei der Auswahl hochzuverlässiger elektronischer Bauelemente. Entwickler müssen auch die Kritikalität des Systems, Umweltfaktoren und Kosten in ihre Überlegungen einbeziehen. Durch sorgfältiges Abwägen dieser Faktoren können Entwickler die geeigneten Komponenten auswählen und die Zuverlässigkeit und Sicherheit ihrer elektronischen Systeme gewährleisten.

Gute Designverfahren bei der Entwicklung von Leiterplatten und Systemen tragen dazu bei, dass das Design insgesamt zuverlässiger und robuster wird. Dabei ist die Auswahl der Bauelemente von entscheidender Bedeutung. Eine wichtige Überlegung ist die Kritikalität des Systems. Bei sicherheitskritischen Anwendungen wie in der Luft- und Raumfahrt oder bei medizinischen Geräten können die Folgen eines Ausfalls gravierend sein. Hier ist die Auswahl von Bauelementen, die strengen Tests und Prüfungen unterzogen wurden, von entscheidender Bedeutung, um ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Komponenten, die den MIL-PRF-Screening-Levels entsprechen, wurden beispielsweise umfangreichen Tests unterzogen, damit sie rauen und extremen Bedingungen standhalten.

Zudem spielen Umweltfaktoren bei der Auswahl von hochzuverlässigen elektronischen Komponenten eine entscheidende Rolle. Komponenten, die in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, müssen beispielsweise extremen Temperaturen, Strahlung und anderen Umweltfaktoren standhalten können. Auch Komponenten, die in Fahrzeugsystemen eingesetzt werden, müssen den rauen Bedingungen im Motorraum standhalten, beispielsweise hohen Temperaturen und Vibrationen. Die Zuverlässigkeitsanforderungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie schreiben einen Großteil der erforderlichen Teileprüfungen und Konstruktionsverfahren vor.

Ein weiterer Aspekt bei der Auswahl hochzuverlässiger elektronischer Bauelemente sind die Kosten. Es ist teurer und arbeitsintensiver, demontierbare Schrauben und Scheiben zu verwenden, als eine Platine mit dem Gehäuse zu vernieten. Für einen Techniker vor Ort ist die Reparatur einer Baugruppe jedoch wesentlich einfacher, wenn sie verschraubt statt vernietet ist.

Allerdings lassen sich nicht alle Bauteile oder Leiterplatten reparieren. Fine-Pitch-Chips mit vielen Pins lassen sich außerhalb des Werks nicht so einfach und sicher ausbauen und austauschen. Dies gilt auch für Flatpacks und Ball-Grid-Array-Gehäuse. Die Unterbringung dieser Komponenten auf auswechselbaren Zwischenbaugruppen ist problematisch, wenn die Größe eine wichtige Rolle spielt. Außerdem entstehen bei der Verwendung von Zwischenbaugruppen mehr Verbindungen – und je höher die Anzahl der Verbindungen, desto geringer die Zuverlässigkeit.

Es mag zwar verlockend sein, die jeweils teuersten Komponenten auszuwählen, aber das ist nicht immer notwendig. Entwickler sollten stattdessen die Kosten eines Bauelements sorgfältig gegen die Kritikalität des Systems und die erwartete Lebensdauer des Bauelements abwägen. In manchen Fällen kann die Wahl eines günstigeren Teils mit einer kürzeren erwarteten Lebensdauer kosteneffizienter sein, vor allem wenn es einfach zu reparieren ist.

Gleichzeitig muss beachtet werden, dass die Reparierbarkeit zwar wichtig ist, aber nicht alle Komponenten repariert werden können oder sollten. So sind integrierte Schaltkreise oft versiegelt, was eine Reparatur unmöglich macht. Wenn Entwickler jedoch Bauelemente mit standardisierten Schnittstellen oder von Herstellern auswählen, die Reparatur- oder Austauschdienste anbieten, können sie sicherstellen, dass die Reparierbarkeit ein wesentlicher Aspekt der Zuverlässigkeitsgleichung ist.

Fazit

Bei der Auswahl von hochzuverlässigen elektronischen Bauelementen ist die Wahl der richtigen Zuverlässigkeitsklasse entscheidend für den Erfolg jeder Anwendung. Bei der Zuverlässigkeit von elektronischen Leiterplatten und Unterbaugruppen wird die Reparierbarkeit jedoch häufig vernachlässigt. Durch die Berücksichtigung der Reparierbarkeit und die Auswahl von leicht reparierbaren oder austauschbaren Systemkomponenten können Entwickler sicherstellen, dass ihre Systeme zuverlässig und zugleich wartungsfreundlich sind.