In veel elektronische ontwerpen is het essentieel om warmte effectief te verplaatsen voordat deze wordt afgevoerd naar een warmteafvoerkanaal, zoals een koellichaam. Een van de beste methoden hiervoor is het gebruik van een heatpipe, een dunne, platte koperen buis die aan beide uiteinden is afgesloten. Binnenin bevindt zich meestal een klein beetje water. Heatpipes zijn uitstekend in het verplaatsen van warmte van een klein oppervlak (zoals de bovenkant van een IC) naar een groter oppervlak zoals een koellichaam. Ze zijn relatief goedkoop en bijzonder geschikt voor toepassingen waarbij er niet genoeg ruimte is om een koellichaam direct op de warmtebron te plaatsen.

Het is echter van groot belang dat er geen lucht of lege ruimte is tussen een warmtebron en het thermische systeem. Lucht is namelijk een uitstekende isolator, wat betekent dat je een aanzienlijke thermische weerstand zult krijgen in je systeem, en je zorgvuldig ontworpen warmteafvoermethoden zullen niet effectief zijn. Wanneer er onderdelen zowel aan de bovenkant als aan de onderkant van de printplaat zitten, is het belangrijk om te controleren of er grote soldeerpads op de bovenste laag direct boven grote soldeerpads op de onderste laag zitten. Dit kan problemen veroorzaken tijdens het solderen. Vergelijkbare thermische problemen kunnen zich voordoen tijdens de levensduur van het product als beide chips proberen warmte in elkaar te zinken. Om dit te voorkomen, moet je de footprint lichtjes verschuiven.

Een groot apparaat met een hoge thermische capaciteit kan ook thermisch 'schaduwen' voor een kleiner apparaat ernaast, wat kan voorkomen dat het kleinere onderdeel voldoende opwarmt om goed te kunnen solderen. Een andere techniek voor het afvoeren van warmte is het gebruik van thermisch geleidende hars of pottingmateriaal. Als je van plan bent om je ontwerp te potten (zie Hoofdstuk 12 voor meer informatie over potting), kan het kiezen van een thermisch geleidende stof je in staat stellen om het volledige omhulsel en al het pottingmateriaal als een koellichaam te behandelen. Warmte zal worden opgenomen in het pottingmateriaal en efficiënt tussen de warmtebron en de behuizing die het pottingmateriaal raakt, worden geleid.

Voor het bepalen van de benodigde materialen en technieken voor thermisch beheer in je ontwerp, is een volledige thermische analyse noodzakelijk. Een uitstekende bron die je helpt bij het uitvoeren van deze analyse is de TI Application Note AN-2020, Thermal Design by Insight, Not Hindsight (https://www.ti.com/lit/an/snva419c/snva419c.pdf). In plaats van de inhoud van deze applicatienotitie hier te herhalen, raad ik je aan deze te lezen en als bron te gebruiken om elke component van je thermische circuit te berekenen en te bepalen wat je nodig hebt en wat niet.

Er zijn veel factoren waarmee je rekening moet houden bij het ontwerpen van een layout, maar er zijn ook specifieke valkuilen die voor veel ontwerpers een probleem kunnen vormen. Deze fouten hebben vaak niets te maken met de fysica of de fabricage, maar eerder met softwareontwerpen of niet-evidente conventies. Een veelvoorkomende bron van ontwerpproblemen is de auto-router in je EDA-pakket. Dit hulpmiddel lijkt een handige manier om tijd te besparen door het computerwerk het vaak tijdrovende layoutproces te laten doen, maar laat je niet misleiden: auto-routers zijn altijd slecht. Ze maken vaak slechte keuzes over waar ze de sporen moeten leggen, zelfs als je plaatsing goed is. De auto-router weet namelijk niet van alle ontwerpvereisten en -overwegingen die jij als ontwerper kent.

Fouten kunnen ook optreden bij het importeren of exporteren van ontwerpbestanden tussen verschillende CAD-formaten. Controleer de resulterende bestanden zorgvuldig op elke stap. Wanneer een import niet goed werkt, kunnen subtiele problemen ontstaan, zoals ontbrekende soldeermaskers, keep-outs, polygonevullingen en zijdruk. Open je Gerber-bestanden altijd in een Gerber-viewer, zoals gerbv of ViewMate (beide te vinden op de website van het boek). Sommige CAD-software repouren geen polygonen of vullen geen vullingen wanneer je dat verwacht, wat kan leiden tot kortsluitingen. Controleer altijd op kortsluitingen of overgebleven thermische isolatie, vooral op binnenlagen, aangezien die het moeilijkst opnieuw te bewerken zijn.

Een andere belangrijke voorzorgsmaatregel is om je ontwerp af te drukken op papier op een schaal van 1:1 voordat je de printplaat voor fabricage verstuurt. Als je de behuizing van de printplaat al hebt of gevisualiseerd, kun je een pasvormcontrole doen om te controleren of de gaten goed uitgelijnd zijn. Als je onderdelen uit je BOM bij de hand hebt, kun je ze op de geprinte footprintraster plaatsen om te controleren of ze correct zijn. Dit kan ook helpen bij het controleren van connectororiëntatie en pinouts om ervoor te zorgen dat alles goed in elkaar past.

Nieuwe ontwerpers moeten ook voorzichtig zijn met de eenheden die vaak worden gebruikt bij PCB-ontwerpen. Wanneer iemand het heeft over een 'mil', bedoelen ze 0,001 inch (duizendste van een inch). Dit wordt soms ook wel 'thou' genoemd, wat afkorting is voor duizendste. Het is belangrijk om niet te verwarren met millimeter (mm). Zorg ervoor dat je altijd de juiste eenheid gebruikt en controleer goed de eenheden in technische tekeningen van componenten. Veel van deze tekeningen gebruiken 'mil' of inch als eenheid.

Daarnaast is het belangrijk om altijd een ontwerpregelcontrole (DRC) uit te voeren om ervoor te zorgen dat je ontwerp voldoet aan alle noodzakelijke productievereisten. Je ontwerp zou zonder fouten of waarschuwingen moeten doorgaan. Als er fouten of waarschuwingen zijn die je niet hebt opgelost, moet je een goede reden hebben voor elke situatie, en deze goed documenteren. Als de PCB-fabrikant geen DRC-bestand biedt, zul je je eigen moeten maken op basis van de ontwerpregels die op de website van het bedrijf staan.

Ten slotte, voor het controleren van voetafdrukken, kunnen fouten ontstaan wanneer je zelf voetafdrukken voor componenten tekent. Sommige componentfabrikanten bieden voetafdrukken aan die je kunt downloaden en waarvan je kunt vertrouwen dat ze correct zijn. Websites zoals UltraLibrarian en SnapEDA bieden een uitgebreide bibliotheek van voetafdrukken die je kunt gebruiken.

Hoe je hardwarevereisten definieert en risico's in een project minimaliseert

Bij het ontwikkelen van hardware is het essentieel om zo vroeg mogelijk in het proces je productvereisten vast te stellen. Het is vaak gemakkelijker om bepaalde eisen te laten vallen dan om ze te veranderen. De feedbacklus waarin je beslist welke vereisten je wel of niet gebruikt, moet gedreven worden door gesprekken met je gebruikers. Het is van cruciaal belang om bèta-hardware te bouwen en deze in de handen van gebruikers te krijgen om te ontdekken welke aanpassingen nodig zijn. Dit helpt je aannames over hoe het product zal worden gebruikt en hoe intuïtief het is te controleren.

Een belangrijke les in deze fase is dat de eerlijke feedback die je nodig hebt alleen kan worden verkregen als je gebruikers daadwerkelijk geld betalen voor het product. Geld verhoogt de inzet: als iemand zijn eigen geld voor een product moet betalen, zullen ze je eerlijk vertellen of ze het de moeite waard vonden of niet. In de bètafase kan het vreemd aanvoelen om iemand te laten betalen voor een simpel apparaat, zoals een Arduino in een grove 3D-geprinte behuizing, maar als je gebruikers kunt vinden die bereid zijn zelfs voor een “slechte” oplossing te betalen, krijg je niet alleen eerlijke feedback, maar toon je ook aan dat het probleem dat je probeert op te lossen groot genoeg is dat mensen zelfs een onvolmaakte oplossing willen proberen.

Na het identificeren van je productvereisten, is de volgende stap het schrijven van de productspecificaties. Dit is een lijst van technische details die nodig zijn om de vereisten te realiseren. Ter illustratie: een onderwatercamera kan de volgende specificaties hebben om te voldoen aan de vereisten die eerder zijn genoemd. Het apparaat zou bijvoorbeeld een CMOS-sensor van 1920x1080 moeten bevatten, in staat om 60 FPS op te nemen, 24-bit audio vast te leggen, en een USB-C-aansluiting te hebben. Voor elke specificatie moet duidelijk zijn welke vereiste deze vervult.

Het is belangrijk te begrijpen dat het aantal specificaties vaak groter zal zijn dan het aantal vereisten. Dit komt omdat een algemene productvereiste meerdere specificaties nodig heeft voor een volledige implementatie. Goede engineering begint bij het ontwerpen van degelijke productspecificaties. Omdat een goed geschreven productvereiste niet gebonden is aan een specifieke implementatie, zullen er vaak veel verschillende specificaties zijn die dezelfde set vereisten kunnen vervullen. Het kiezen van de juiste specificaties vereist een combinatie van creativiteit en pragmatisme.

Terwijl je de productspecificaties opstelt, is het belangrijk technologieën en benaderingen te kiezen die het eindproduct robuust, kosteneffectief en elegant maken. Idealiter zou geen enkel project over budget of schema moeten gaan, omdat de benodigde tijd en kosten conservatief zijn geschat op basis van de specificaties. Als een specificatie te veel tijd of geld vereist, moet je de productvereisten aanpassen om deze weer onder de drempel te krijgen. Deze feedbacklus is cruciaal voor het succes van het product.

In de praktijk moeten specificaties voldoen aan de productvereisten, maar ze hoeven deze niet te overschrijden. Het ontwerpen van iets “beter” dan vereist, als de vereisten goed zijn geschreven, introduceert alleen maar risico en aansprakelijkheid. Als je denkt dat het nodig is om verder te gaan dan de vereisten, pas dan de vereisten aan.

Tijdige levering is een van de grootste uitdagingen in hardware-ontwikkeling. Veel ingenieurs hebben moeite om realistische tijdramen voor taken vast te stellen, vooral omdat ze van nature optimistisch zijn. Ze denken vaak in termen van hoe lang ze zouden willen dat een taak duurt, niet hoe lang het werkelijk zal duren. Een veelvoorkomende valkuil is dat ingenieurs onderschatten hoeveel tijd er nodig is voor onverwachte problemen. Het proces van engineering zit vol verborgen valkuilen en vertragingen, vooral als je werkt aan iets dat nog niet eerder is gebouwd.

Het versnellen van hardware-iteraties is een belangrijke manier om de doorlooptijd van projecten te verkorten. Dit kan door meer geld uit te geven voor snellere productietijden bij fabrikanten en voor versnelde verzending. Deze extra kosten zijn bijna altijd de moeite waard. Het is belangrijk om te begrijpen hoeveel het kost om ingenieurs dagelijks in te schakelen, en hoeveel tijd er gewonnen kan worden door de productie een dag of twee te versnellen.

Daarnaast kunnen tools voor rapid prototyping, zoals een circuitmolen, goed van pas komen, vooral wanneer je snel ontwerpen wilt testen. Het stelt je in staat om ideeën dezelfde dag nog te testen in plaats van een week later, en kan vooral nuttig zijn voor antenneontwikkeling.

Een andere manier om risico's te minimaliseren is door meerdere versies van je ontwerp parallel te bouwen of door noodplannen in je ontwerp in te voegen. Voeg voetafdrukken toe voor onderdelen die je kunt gebruiken als iets niet werkt, en geef jezelf voldoende ruimte voor eenvoudige herwerkingen. Door geavanceerde herwerkingen uit te voeren (zoals het toevoegen of verwijderen van componenten, IC’s of het wijzigen van tracé-routing) kun je veel vertragingen in de planning voorkomen. Het is belangrijk te weten dat niet alle herwerkingen het volledige rendement of functionaliteit opleveren van een nieuw ontwerp, maar vaak is het voldoende om het ontwerp te de-riskeren voordat je het nieuwe bord maakt.

Het is ook belangrijk om de risico’s van het ontwerp in stukjes op te splitsen en elke sectie apart te testen. Het gebruik van ontwikkelborden of snelle PCB-fabricage kan je helpen om individuele delen van het ontwerp te verifiëren voordat je alles samenbrengt.

Hoe lost men problemen op in elektronica: van troubleshooting tot het vinden van de oorzaak

Troubleshooting, ofwel het oplossen van problemen, is een van de meest cruciale vaardigheden die een ontwerper kan ontwikkelen. Elektronische systemen werken zelden perfect bij de eerste poging, waardoor troubleshooting een essentieel onderdeel is van het ontwerpproces. Dit hoofdstuk biedt nuttige tips en technieken om effectief te troubleshooten, een proces dat vaak frustrerend kan zijn. Het duurt bijna altijd langer dan gewenst, en je kunt het gevoel hebben dat je geen vooruitgang boekt, zelfs als je van alles probeert.

Er is een grap onder computerwetenschappers die ook van toepassing is op elektronica: de fasen van debugging zijn als volgt:

  1. Dit kan niet gebeuren.

  2. Dit gebeurt niet op mijn machine.

  3. Dit zou niet moeten gebeuren.

  4. Oh, ik zie het.

  5. Hoe werkte dit ooit?

Troubleshooting is moeilijk, en wordt in de meeste gevallen geleerd door ervaring, niet uit een boek. Toch zijn er verschillende strategieën die je kunt toepassen om het proces te vergemakkelijken. De belangrijkste strategie is simpel: om een probleem effectief op te lossen, moet je de ware oorzaak van het probleem achterhalen. Alleen dan kun je de juiste oplossing vinden.

De oorzaak vinden

De sleutel tot het snel oplossen van een probleem ligt in het vermogen om het probleem snel te identificeren en correct aan te pakken. Dit betekent niet alleen de ‘symptomen’ verhelpen, maar daadwerkelijk de oorzaak van het probleem oplossen. Het verhelpen van de symptomen kan je misschien tijdelijk helpen, bijvoorbeeld voor een hackathon of een demo, maar uiteindelijk zal het probleem dan alleen maar erger worden. In het geval van veiligheidskritieke apparaten is het van nog groter belang om de werkelijke oorzaak van het probleem te achterhalen, aangezien het welzijn van mensen op het spel staat.

Hoe dicht je bij de werkelijke oorzaak kunt komen, hangt af van de beschikbare apparatuur en faciliteiten. Bijvoorbeeld, als je ontdekt dat een microvia de oorzaak is van delaminatie in een binnenlaag van een printplaat, vereist dit dat je de plaat doorsnijdt, deze voorbereidt en onder een microscoop onderzoekt. Dit soort werk wordt dagelijks uitgevoerd in gespecialiseerde laboratoria voor falanalyse, maar niet iedereen heeft de tools of vaardigheden om dit zelf te doen. In dit geval zou je niet de oorzaak tot in detail kunnen achterhalen, maar je kunt het probleem isoleren tot een onbekend defect op een binnenlaag van een bepaalde printplaat. Vervolgens kun je ervoor kiezen de printplaat te vervangen en hopen dat hetzelfde probleem zich niet voordoet, of je kunt de printplaat naar een falanalyse-lab sturen voor verder onderzoek.

Hoe elektronica faalt

Om de oorzaak van een probleem te achterhalen, is het nuttig om te begrijpen hoe elektronica in het algemeen faalt. Grofweg zijn er twee soorten fouten in elektronica: een ontwerpprobleem of geen ontwerpprobleem. Ontwerpproblemen zijn relatief eenvoudig: je hebt iets ontworpen, maar niet zoals je dacht. Er is ergens een misverstand over hoe het systeem zou moeten werken, waardoor je iets vergeten bent of een verkeerde component hebt toegevoegd. Als je deze fout vindt, weet je wat je moet doen om het te verhelpen.

De tweede soort fout is meestal niet jouw fout (direct). Dit soort fouten ontstaan door productieproblemen of omgevingsfactoren. De oorzaken van deze tweede soort falen kunnen de volgende zijn:

  1. Chemisch/contaminant (zoals vochtinfiltratie, elektrochemische migratie, roest, enz.)

  2. Elektrisch (zoals elektromigratie, geleidende filamentvorming, thermische afbraak, enz.)

  3. Mechanisch (zoals vermoeidheid, kruipen, slijtage, enz.)

  4. Overbelasting (zoals naleving van leveranciers aan materiaalspecificaties, belasting in het veld, duurzaamheid van producten, enz.)

Een van de meest voorkomende contaminant-gerelateerde fouten is het gevolg van vochtinfiltratie. Het gevaar is niet alleen dat water directe kortsluiting kan veroorzaken, maar ook dat het andere problemen kan veroorzaken, zoals elektrochemische migratie, waarbij metalen ionen zich in water oplossen en dendrieten doen groeien die de kortsluiting veroorzaken. Daarom is het belangrijk om vochtinfiltratie te voorkomen en ervoor te zorgen dat je printplaten goed gereinigd zijn om oppervlaktverontreinigingen te minimaliseren.

Thermische afbraak en mechanische slijtage zijn meer bekende oorzaken van falen. Thermische afbraak kan het gevolg zijn van slechte thermische beheersing, het functioneren van het apparaat buiten de beoogde omgeving, of verwaarloosd onderhoud. Mechanische slijtage komt vaak voor na lange perioden van gebruik en kan wijzen op het einde van de levensduur van het apparaat. Deze omstandigheden kunnen vaak vroegtijdig worden gedetecteerd met sensoren, zodat de gebruiker gewaarschuwd kan worden en actie kan ondernemen voordat het apparaat daadwerkelijk faalt.

Praktische tips

Hoewel het goed is om de fundamentele oorzaken van falen in elektronica te begrijpen, zijn ze meestal niet de eerste zaken die je tegenkomt wanneer iets stuk gaat. Troubleshooting is dus een proces van het volgen van de symptomen naar de werkelijke oorzaak. Het is moeilijk om specifiek advies te geven, omdat elk apparaat en elke omgeving anders is. Echter, na vele uren troubleshooting heb ik enkele algemene trends opgemerkt. Hier zijn enkele belangrijke tips die ik gebruik wanneer ik met defecte hardware werk:

Veronderstel niet dat het de fabrikant van de component is. Als je je afvraagt of een fabrikant je een defect onderdeel heeft geleverd, ben je bijna zeker verkeerd. Dit komt bijna nooit voor. Waarschijnlijk is er iets niet goed aangesloten, of heb je het onderdeel per ongeluk beschadigd. Kijk nog eens goed.

Gebruik een thermische camera. Een van de eerste dingen die je moet controleren wanneer je een probleem onderzoekt, zijn onbedoelde kortsluitingen of open circuits. Een thermische camera is een geweldig hulpmiddel om dit snel te doen. Wanneer je stroom aanlegt, zul je kortsluitingen direct zien omdat ze sneller opwarmen dan de rest van het circuit. Als er ergens een open circuit is en een onderdeel krijgt helemaal geen stroom, zal dat onderdeel kouder zijn terwijl de omliggende onderdelen opwarmen zodra je stroom aanlegt.

Vertrouw op je neus. Je neus is een belangrijk maar vaak over het hoofd gezien hulpmiddel bij het troubleshooten van elektronica. Er is een heel specifieke geur die beschadigde onderdelen uitzenden, en met ervaring kun je die geur vrijwel direct herkennen. Zelfs wanneer een printplaat in een behuizing zit, kan het letterlijk ruiken of iets binnenin defect is.

De Impact van Organofluorineverbindingen: Een Dieper Inzicht
Hoe wordt de foto-geïnduceerde synthese van imidazopyridines en imidazothiazolen toegepast in de organische chemie?
Hoe verschilt de wetgeving over sponsorship en naleving van diepzeemijnbouw wereldwijd?
Hoe verbeeldde geschiedenis en legendes de identiteit van koloniale plaatsen als Mussoorie?