Angesichts schrumpfender Margen im Display-Bereich verlegen sich weltweit immer mehr Hersteller auf Vorwärtsintegration hin zu Gesamtlösungen. Hierfür werden meist Display, Embedded-PC oder Controller und Stromversorgung in ein möglichst kompaktes Chassis verpackt.

Geht es um die Verbesserungen der Systeme, ist die Erhöhung der Display-Helligkeit ein wichtiges Ziel. Das lässt sich am einfachsten durch die Erhöhung der Leistungsaufnahme erzielen. Dass damit auch die Abwärme anwächst, wird dabei häufig ignoriert. Denn bei der Komponentenzusammensetzung endet leider die Theorie. Viel zu oft wird die Frage nach der abgestimmten Temperatur außer Acht gelassen. Dabei ist es alles andere als egal, welche Temperaturen die Komponenten entwickeln, wie sich diese auf die anderen Teile auswirken und was durch unterschiedlich temperierte Teile im Display passiert.

Geringe Lichtausbeute

Die Gründe dafür beginnen bereits bei der wichtigsten Einheit des Display-Systems – der Anzeige selbst. Die Lichtausbeute eines typischen Displays liegt nur bei einem Bruchteil der aufgenommenen elektrischen Leistung. Von den 100 % der Leistung der Lichtquelle gehen sukzessive mehr als 90 % verloren. Gleichzeitig ist die Lichtquelle aber immer die größte Hitzequelle. Hinzu kommt, dass die Hitze-Entwicklung schneller steigt als die Lichtausbeute. Mit 10 W Leistung kann man beispielsweise 200 cd/m² erzeugen, 20 W dagegen reichen nicht für die doppelte Helligkeit. Dafür wird aber deutlich mehr Leistung in Hitze umgesetzt.

Nicht nur das Display ist eine Heizung, sondern alle elektrischen Komponenten, maßgeblich das Netzteil und der Prozessor des (Embedded-)Systems. Die wachsende Packungsdichte auf allen Ebenen tut ein Übriges: Wenn in einem 19-Zoll-Rack immer mehr Embedded-PCs übereinander gestapelt werden und jede Ebene ihrerseits immer mehr Prozessor-Cores enthält, wird eine Temperaturreduzierung eben nicht gefördert. Je nach Standort kommt die Umgebungswärme hinzu – durch Heizungen im Innenraum und im Freien durch die Sonne. Diese Faktoren einfach zu ignorieren, führt zwangsläufig zu einer Überhitzung des Systems und damit zum Ausfall – nicht nur des Displays.

Ursachenforschung

Bei defekten Displays ist die Suche nach der Ursache oft genug noch etwas komplizierter. Die Erkenntnis 'Überhitzung' allein hilft nicht viel, wenn man das Display reparieren oder das System für zukünftige Anwendungen verbessern möchte. Denn es können unterschiedliche Komponenten eines Gesamtsystems sein, die bei zu großer Hitze als erstes durchschmoren. Folgende Komponenten sollten im Ernstfall überprüft werden:

• überhitzte und durchgebrannte Display-Treiber, die mit der Platine verschmolzen sind
• thermisch überlastete Widerstände sowie
• thermisch geschädigte optische Filme und Polarisatoren.

Ist die Schwachstelle lokalisiert, kann man sich in mehreren Schritten auf die Suche nach Lösungen machen:

1. Wo liegt die maximale thermische Belastung der Komponenten? Hier hilft in der Regel ein Blick ins Datenblatt.
2. Lassen sich die verwendeten Komponenten durch höherwertige Alternativen mit größerer Hitzeresistenz ersetzen? Die höheren Anschaffungskosten lassen sich durch sinkende Gesamtbetriebskosten oft kompensieren. Durch die längere Lebensdauer des Systems ergibt sich zudem eine insgesamt bessere Betriebswirtschaftlichkeit.
3. Ist ein Ersetzen der Komponenten nicht erfolgversprechend, sollte das Augenmerk der Gesamtkonzeption ­zugewendet werden. Wenn die Display-Aufgabenstellung nur mit einem anderen Design erreicht wird, ist das letzten Endes das, was zählt. Die Aufgabenstellung ist komplex – aber nicht unmöglich, wenn man auf die richtigen Komponenten und Techniken baut.

Problemfeld Kondenswasser

Die Faustregel heißt aber keineswegs, dass heiße Displays schlecht und kalte Displays gut sind. Vielmehr gilt es, Temperatur-Extreme zu vermeiden. Denn: Nicht nur zu heiße oder zu kalte Komponenten beeinträchtigen die Funktion des Displays oder zerstören es gar. Auch die Temperatur-Unterschiede zwischen Hot- und Coldspots können Folgen haben. Denn wenn das Temperatur-Delta eine gewisse Größe erreicht, führt es zur Bildung von Kondenswasser innerhalb der Anzeige-Einheit – und damit zu Wasser- und Leitungsschäden oder Kurzschlüssen. Wohlgemerkt meint Coldspot hier nicht absolut, sondern nur relativ kalt im Vergleich zur Umgebung: Schon ein halbes Grad Celsius Temperatur-Unterschied kann genügen, um Taubildung an der kühlsten Stelle anzuregen. Das Einbringen von Trockenmitteln in das Gehäuse der Anzeige-Einheit ist als Gegenmittel ebenso kein Allheilmittel, denn das Material sammelt Wasser – das es bei ungünstigen thermischen Voraussetzungen wieder abgeben kann.

Feuchtigkeit kann viele Schäden anrichten, die man nicht – wie etwa eine durchgeschmorte Stelle – auf den ­ersten Blick erkennt. Im Gegensatz zu überhitzten Anzeigen-Einheiten fällt der Schaden nicht sofort auf. Zudem gilt: Wenn Displays aufgrund von ­Taubildung ausfallen, gestaltet sich die Fehlersuche oftmals noch schwieriger als bei 'direkter' Überhitzung. Wegen der elektrischen Leitfähigkeit von wässrigen Lösungen sind Kurzschlüsse ein häufiges Problem. Doch Wasser ist durch die darin gelösten Substanzen darüber hinaus chemisch aktiv. Es kann somit alkalisch oder sauer werden und Korrosion an elektronischen Bauteilen verursachen – nicht unbedingt an offensichtlichen Stellen. Da Wasser immer danach strebt, sich zu verteilen, können die Schäden ebenso an schwer einsehbaren Stellen entstehen.

Voraussetzung für die Taubildung bei Temperatur-Unterschieden ist die mangelnde Dichtheit der Display-Gehäuse. Wären diese nach außen vollkommen luftdicht abgeschlossen, mit trockener Luft im Inneren, könnte keine Luftfeuchtigkeit eindringen und folglich nichts kondensieren. So aber verhält es sich mit vielen Displays wie mit unsachgemäß verschlossenen Lebensmitteln: Irgendwann fangen sie an zu schimmeln. Und tatsächlich sind Schäden durch Schimmelpilze und Sporen aus der Umgebungsluft eine immer wieder anzutreffende Ursache für Display-Ausfälle.

Eine neutrale Systemanalyse

Um die systemischen Ursachen von thermisch bedingten Display-Ausfällen zu untersuchen, hat sich die Wammes-Firmengruppe dem Thema Display-Coaching und Fehleranalyse gewidmet. Im nächsten Schritt gilt es, systemische Lösungen zu erarbeiten, für die für jede Komponente das Best-in-class-Produkt vorgeschlagen werden kann: sprich weniger Komplettlösungen als individuell angepasste Komponenten, denn schließlich geht es um praktische Optimierung.

Am Ende eines solchen Prozesses, der sich unter das Motto "coaching – solving – products" zusammenfassen lässt, kann durchaus ein Konzept für ein maßgeschneidertes, projekt­bezogenes Produkt, das auch massentauglich sein kann, stehen. Das Entscheidende ist jedoch der Erkenntnisgewinn. Er macht es den Display-Anwendern möglich, die Ange­bote kritisch zu hinterfragen, die sie von den Herstellern und Systemintegratoren angeboten bekommen. Das jüngst als eigenständiger Verein aus dem VDMA ausgegründete Deutsche Flachdisplay-Forum (DFF) hat sich zum Ziel gesetzt, solche objektiven Analysen möglichst breit zugänglich zu machen, weil von dem verbesserten Informationsniveau letztlich alle Branchenteilnehmer profitieren.

Autor: Klaus Wammes ist Geschäftsführer bei Wammes & Partner.