Dichtheitsprüfungsaufgaben für Elektronik und Sensoren moderner ADAS-Fahrzeuge

Wenn Fahrzeuge in der Lage sein sollen, sich autonom oder teilautonom zu bewegen, müssen sie dafür mit einer Vielzahl an Sensoren und elektronischen Komponenten ausgestattet sein: die Idee hinter den fortschrittlichen Advanced Driver Assistance Systems (ADAS).

Dass ADAS-Komponenten zuverlässig funktionieren, ein Fahrzeugleben lang, ist eine unverzichtbare Sicherheitsanforderung. Wasser aber ist der Feind jeder Elektronik und auch aller Sensoren. Oft gilt es, schon ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit zu verhindern. Viele ADAS-Sensoren müssen deshalb nicht nur wasser-, sondern sogar gasdicht sein. Deswegen nutzen Hersteller zur Qualitätssicherung moderne Prüfgasmethoden, die ebenso empfindlich wie zuverlässig sind. Für viele Szenarien empfehlen sich darum Heliumprüfungen in der Vakuumkammer.

Null-Fehler-Strategie statt Six Sigma

Bei Geräten der Unterhaltungselektronik sind die Anforderungen an die Robustheit und Dichtheit der Halbleitertechnologie naturgemäß weitaus geringer als bei den sicherheitskritischen Bauteilen eines Fahrzeugs. In der Unterhaltungselektronik ist der Betrieb in Temperaturbereichen von 0 bis 40°C erforderlich, während die Fahrzeugelektronik in der Regel in einem Temperaturfenster von -40 bis 150°C zuverlässig funktionieren muss. Betrachtet man die ADAS-Sensorik, so sind die Anforderungen im Vergleich zur Unterhaltungselektronik noch viel strenger. Ein Six-Sigma-Ansatz, der 3,4 Fehler auf eine Million Teile zulässt, wäre unvorstellbar. Stattdessen verfolgen die Hersteller von ADAS-Komponenten eine Null-Fehler-Strategie - mit weniger als einem Fehler in einer Milliarde Teilen - um den sicheren Betrieb von Fahrzeugen zu gewährleisten, die sich autonom oder teilautonom im dichten Stadtverkehr sowie bei Autobahngeschwindigkeiten bewegen sollen.

Das Gehäusematerial als Dichtungsfaktor

Der natürliche Feind aller elektrischen und elektronischen Komponenten in einem Fahrzeug ist Wasser. Entsprechend wichtig ist es, die Gehäuse elektronischer Komponenten gegen das Eindringen von Wasser zu schützen, um die Gefahr eines Kurzschlusses zu vermeiden. ADAS-Sensoren müssen in der Regel die Schutzklassen IP67 oder sogar IP69K erfüllen.

Es besteht eine enge Korrelation zwischen dem Gehäusematerial und den zu prüfenden Grenzleckraten. Interessanterweise werden an Gehäuse aus Kunststoff oder Stahl weniger strenge Anforderungen gestellt als an Gehäuse aus Aluminium (siehe Schutzklasse IP67 – Tests bestätigen Leckraten-Spezifikation). Denn wie leicht Wasser durch einen Leckkanal mit definierter Länge und Durchmesser in ein Gehäuse eindringt, hat entscheidend damit zu tun, wie leicht sich ein Wassertropfen vom Gehäusematerial ablösen kann.

Aluminium beispielsweise ist viel kritischer als Kunststoffmaterial, weil sich Wasser von Aluminium viel leichter ablöst. Um sicherzustellen, dass kein Wasser in Kunststoffgehäuse eindringen kann, können diese mit der einfachen Akkumulationsmethode gegen eine Heliumleckrate von 10^-3 mbar∙l/s  geprüft werden. Dabei wird das Gehäuse mit dem Prüfgas gefüllt und in eine einfache Akkumulationskammer gestellt. Ein Lecksuchgerät misst dann, wie viel Prüfgas in einer bestimmten Zeit aus dem Gehäuse in die Kammer entweicht, und ermittelt daraus die Leckrate.

Vakuumprüfungen für Aluminiumgehäuse

Werden Gehäuse nicht aus Kunstoffen oder Stahl, sondern aus Aluminium gefertigt, sind Prüfungen gegen hundertmal kleinere Leckagen erforderlich. Für solche Prüfungen gegen Leckraten von 10^-5 mbar∙l/s ist die Heliumprüfung in der Vakuumkammer die einzige Möglichkeit. Das Aluminiumgehäuse wird mit Helium befüllt und in eine Kammer gebracht, die anschließend evakuiert wird. Ein Vakuum-Lecksucher spürt selbst kleinste Mengen Helium auf, die in das Vakuum entweichen. Manchmal gibt es jedoch keine Möglichkeit, das Gehäuse zu befüllen - zum Beispiel, weil es bereits hermetisch verschlossen ist. In diesem Fall wird das so genannte Bombing-Verfahren angewendet. Beim Bombing wird der Prüfling zunächst einer Heliumatmosphäre ausgesetzt, damit das Prüfgas durch eventuelle Lecks in das Innere des Gehäuses eindringen kann. Erst dann kann das Bauteil in die Vakuumkammer gebracht werden, wo das austretende Helium wie zuvor beschrieben nachgewiesen wird.

Steuermodule mit Gore-Tex®-Membran

Bei einigen Fertigungsprozessen wird die Notwendigkeit einer nachträglichen Dichtheitsprüfung bereits berücksichtigt - und das Bombing vermieden. Dafür befüllt man das Gehäuse unmittelbar vor seiner endgültigen Abdichtung mit einem Prozent Helium. Um gegebenenfalls austretendes Helium bei der späteren Prüfung nachzuweisen, ist dann wegen der geringen Prüfgaskonzentration oft wiederum die Vakuumkammer erforderlich.

Es gibt jedoch eine andere Möglichkeit, das Prüfgas in das Innere des Bauteils zu bringen. Steuermodule sind sehr oft mit einer halbdurchlässigen Gore-Tex-Membran ausgestattet, um temperaturbedingte Luftdruckunterschiede auszugleichen und einen Druckunterschied zwischen dem Gehäuseinneren und der Umgebung zu verhindern. Die Tatsache, dass solche Gehäuse durch ihre Membran atmen, wird genutzt, um sie bei der Dichtheitsprüfung mit Helium zu beaufschlagen. In einer Akkumulationskammer oder in einer Vakuumkammer ist das austretende Prüfgas dann nachweisbar. Die Prüfung in einer Vakuumkammer hat immer den Vorteil einer höheren Prüfgeschwindigkeit und kürzerer Zykluszeiten, während die Prüfung in der einfachen Akkumulationskammer weniger Investitionen erfordert, aber in der Regel längere Prüfzyklen erfordert.

ADAS-Sensoren müssen gasdicht sein

Viele ADAS-Sensoren müssen nicht nur wasserdicht, sondern auch gasdicht sein. Ein nicht gasdichtes Bauteil birgt immer die Gefahr, dass eingedrungene Feuchtigkeit bei Temperaturänderungen kondensiert und die absolute und dauerhafte Funktionssicherheit beeinträchtigt. Ein Beschlagen durch Luftfeuchtigkeit ist für LIDAR (Light Detection And Ranging)- und RADAR (Radio Detection And Ranging)-Sensoren ähnlich problematisch wie etwa für eine Kamera-Optik. Um die Gasdichtigkeit der sicherheitskritischen LIDAR- und Kamerakomponenten zu überprüfen und ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit auszuschließen, sind Dichtheitsprüfungen gegen sehr kleine Grenzleckraten im Bereich von 10^-6 bis 10^-7mbar∙l/s erforderlich. Diese geringen Leckraten können nur durch Helium-Vakuumtests nachgewiesen werden. Auch für die Gasdichtungen in einem Sensorgehäuse, durch die strom- bzw. signalführende Kabel ins Innere geführt werden, gelten dieselben strengen Dichtheitsanforderungen.

Kein autonomes Fahren ohne Dichtheitsprüfung

Das Ziel der Hersteller von ADAS-Komponenten, eine Fehlerrate von unter einem Fall auf eine Milliarde Teile zu erreichen, mag ehrgeizig erscheinen, aber es ist unverzichtbar. Die Funktionsfähigkeit aller sicherheitskritischen Systeme muss langfristig gewährleistet sein. Und die Sensoren – sozusagen die Sinnesorgane autonomer Fahrzeuge – sind definitiv sicherheitsrelevant. Diese Komponenten bei der Fertigung sorgfältig auf ihre Gasdichtheit zu prüfen und kleinste Lecks auszuschließen, reduziert die Gefahr eines Eindringens von Luftfeuchtigkeit. Sensoren, die mitten im Betrieb gleichsam erblinden, wären auf den höheren ADAS-Autonomiestufen unvorstellbar. Kein autonomes Fahren ohne Dichtheitsprüfung.

Wenn Sie Hilfe bei Ihren spezifischen Anforderungen an die autonome Dichtheitsprüfung benötigen, wenden Sie sich bitte an Ihren lokalen Vertriebsmitarbeiter.