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Netzteilfertigung

Fabrikbesuch bei COUGAR

Das Netzteil gehört zu den wichtigsten Bauteilen im PC. Doch wie wird ein Netzteil konstruiert und anschließend gefertigt?

Im Bild zu sehen: das manuelle Aufstecken der Komponenten auf das Netzteil-PCB, das auf einem Fließband verschiedene Stationen durchläuft.

Das Netzteil ist eines der wichtigsten Bauteile im PC. Bei Fehlfunktionen kann es Störungen verursachen und im schlimmsten Fall die gesamte Hardware beschädigen oder zerstören. Minderwertige Netzteile halten sich manchmal nicht an die von Intel formulierten ATX-Spezifikationen und sorgen dadurch für ein instabiles System.
Wie man ein gutes Netzteil entwickelt und wie es genau hergestellt wird, wollen wir Ihnen anhand der Produktion der COUGAR-Netzteile von HEC/Compucase genauer vorstellen. Am Anfang steht die Entwicklung. Dabei müssen die ATX-Spezifikationen von Intel fester Bestandteil sein, damit eine größtmögliche Kompatibilität gewährleistet werden kann. Einige weitere Aspekte müssen ebenfalls im Vorfeld geklärt werden, beispielsweise für welchen Einsatzzweck die Netzteile bestimmt sind. Es gibt große Unterschiede zwischen Industrienetzteilen und den für die Gaming-PCs verwendeten Modellen, eine Vorauswahl ist für die korrekte Entwicklung also wichtig. Im Falle der COUGAR-Netzteile ist der Einsatzzweck klar definiert. Sie sind für Privatanwender mit gehobenen Ansprüchen, also für Multi-GPU- und Multi-CPU-Systeme geeignet und müssen deren besondere Anforderungen erfüllen.
Oft wird von der "neuen" DC-DC-Technik gesprochen, bei der die 3,3- und 5-Volt-Spannungen aus der 12-Volt-Schiene erzeugt werden - das erhöht Effizienz und Stabilität. Diese Technik existiert schon seit über zehn Jahren und war bisher nur zu teuer, um sie bei Netzteilen für den Privatanwender einzusetzen. Zwar ist die Technik noch immer relativ kostspielig, allerdings hat sie bei Anwendung in PCs mit sehr hohem Energieverbrauch durchaus ihre Vorteile und ist im Vergleich zu anderen Komponenten auch nicht mehr unbezahlbar. Die Entscheidung, ob ein Netzteil nach "klassischem" Design oder mit der DC-DC-Technologie gebaut wird, muss im Vorfeld gefällt werden, da das Grundlayout alle weiteren Schritte bestimmt. Hat man diese Punkte zu Papier gebracht und sich für eine Richtung entschieden, folgt der nächste Schritt.
Nun muss das Kühlkonzept festgelegt werden. Soll es die klassische Variante mit einem an der Rückseite montierten 80-mm-Lüfter sein oder wählt man eine vertikale Kühlung mittels 120- bis 140-mm-Lüfter? Dieser Punkt ist sehr wichtig, um das eigentliche Layout zu entwickeln, das an den kühlenden Luftstrom angepasst werden muss. Vorhandene Netzteile zu nehmen und dann das Kühlkonzept zu verändern, ist nicht empfehlenswert.
COUGAR-Netzteile werden beispielsweise vertikal gekühlt (Power-Serie 120 mm und CM-Serie 140 mm), daher wurden auch die Kühlkörper entsprechend entwickelt und in diesem konkreten Fall so klein wie möglich dimensioniert, um den Luftstrom nicht negativ zu beeinflussen.

Wahl der Komponenten

Im kleinen Bild: das fertig bestückte Netzteil, bevor es zur Lötmaschine geht. Anschließend laufen die Netzteile in die Lötmaschine.

Jetzt folgt die eigentliche Komponentenwahl. Wir kennen das Anforderungsprofil, das Grundlayout und das Kühlkonzept. Für ein Netzteil werden sehr viele elektronische Bauteile benötigt. Die wichtigsten sind Kondensatoren für die primäre (Eingang) und sekundäre (Ausgang) Seite, mehrere Transformatoren, verschiedene Spulen, die Platine natürlich, Mosfets, der Lüfter und ein Chip für die Sicherungsfunktionen.
Parallel dazu wird das Netzteil am PC entworfen. Das Gehäuse für ein Netzteil ist bei COUGAR ein Eigenprodukt und wird aus Stahlblech gestanzt, geschliffen, poliert und lackiert. Das Anforderungsprofil für ein Netzteil sieht eine sehr gute Qualität vor, sodass keine Wünsche offen bleiben. Die Komponenten werden dann entsprechend ausgewählt, bei COUGAR-Netzteilen kommen daher nur hochwertige Einzelteile zum Einsatz. Es reicht allerdings nicht, nur die bestmöglichen Bauteile zu nehmen und zusammenzusetzen. Die einzelnen Teile müssen auch gut miteinander harmonieren. Hier kann es ähnlich wie bei Hardware-Komponenten zu Inkompatibilitäten kommen. Außerdem muss das fertige Netzteil den aktuellen Sicherheitsan­forderungen genügen und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der EU-Normen erfüllen, die bei billigen Netzteilen manchmal ignoriert wird. Dieser Aspekt muss sorgfältig geprüft werden.
Erfahrene Hersteller können auf eine langjährige Erfahrung und das eigene Know-how zurückgreifen, um bereits im Vorfeld mögliche Probleme zu erkennen und zu verhindern.

 

Komponenten-Anordnung

Die Lötstellen werden bei COUGAR noch einmal manuell nachkontrolliert, nachdem die Löststellen bereits per Scanner überprüft wurden.

Die Anordnung der Komponenten auf der Platine muss für die eigentliche Produktion geeignet sein. Lassen sich Bauteile nur sehr schwierig und zeitaufwendig integrieren, so hat dies mehrere Nachteile. Eine komplizierte Assemblierung birgt eine höhere Wahrscheinlichkeit von Verarbeitungsfehlern. Ein hoher Zeitaufwand stellt ein Problem in der Fließbandproduktion dar; wenn die Produktion an einer Stelle stoppt, verteuert sich das gesamte Produkt erheblich durch die Zeitverzögerung. Als Beispiel sei hier die Entwicklungszeit der COUGAR-Serie genannt, die rund sechs Monate umfasste, um jedes Detail genau zu prüfen.
Nachdem man das Platinen-Layout fertiggestellt und alle Komponenten ausgewählt hat, kommt es zu einer sogenannten Pilot-Produktion. Dabei werden 20 bis 50 Netzteile an verschiedenen Tagen produziert. Während dieser "Mini-Produktion" wird verstärkt auf die einzelnen Produktionsschritte geachtet. Hier werden eventuelle Verzögerungen in der praktischen Produktion aufgedeckt und im Nachhinein optimiert. Die gefertigten Exemplare werden jetzt äußerst ausführlich geprüft. Es folgt der wichtige Test zur EMV, also der elektromagnetischen Verträglichkeit. Es gibt mehrere Verordnungen, die genaue Werte vorgeben, welche nicht überschritten werden dürfen. Ein guter und ordentlicher EMV-Testreport besteht aus mehreren hundert Seiten, diesen Test im Detail zu erläutern, würde ein eigenes PCGH-Sonderheft benötigen.

 

Weitere Tests

Ausführlicher Funktionstest während der Produktion: Erst wenn zwei solcher Testparcours durchlaufen wurden, geht es zum Burn-in-Test weiter.

Es wird dabei auch ein eigentlicher Funktionstest gemacht. Parameter wie Spannungsstabilität, Leistungswerte, Temperaturwerte oder Geräuschentwicklung werden unter verschiedenen Bedingungen und Konfigurationen ermittelt.
Wenn dieser Test erfolgreich ist, geht es weiter zum Sicherheitstest. Damit sind nicht nur die internen Funktionen wie Überspannungsschutz gemeint, sondern Tests an einzelnen Komponenten. Beispielsweise werden einzelne Bauteile außerhalb ihrer Spezifikation extrem überlastet. Selbst im Extrem­fall dürfen keine Teile explodieren und Mensch oder Maschine gefährden. Dafür steht die strenge EU-Norm EN 60950, in der auch die Feuerfestigkeit der Platine geregelt wird, damit diese selbst bei hohen Temperaturen nicht zum Brandherd mutiert.
Zu guter Letzt werden die Netzteile in einer Kammer bei Temperaturen von circa 50 Grad Celsius mehrere Stunden lang mit 110 Prozent belastet. Dieser Test ist sicherlich der härteste für das Netzteil, denn unter diesen Bedingungen werden die Netzteile später nicht betrieben. Ist dieser letzte Test bestanden, beginnt man, die Massenproduktion zu planen.
Die Tests werden im Übrigen normalerweise nicht komplett im ersten Durchlauf absolviert. Zwischen Theorie und Praxis gibt es auch in der Netzteilproduktion große Unterschiede. Während der Tests finden sich immer wieder Ansätze zur Optimierung, sei es am Produkt selbst oder an den Produktionsabläufen. Hier kommt noch ein weiterer Punkt bei der Komponentenauswahl zum Tragen: Die Bauteile müssen auch in entsprechender Menge jederzeit verfügbar sein. Eine kurzfristige Änderung bei der Auswahl kann schlimme Folgen haben. Sind diese Verbesserungen abgeschlossen, kommt es zu einer weiteren Probeproduktion. Dieses Mal wird eine Menge von mehr als 100 Stück hergestellt. Dabei sollen die Optimierungsergebnisse durch die praktische Produktion bestätigt werden. Dann beginnt die eigentliche Produktion.

Netzteil-Produktion

Im Bild: eine der vielen Teststationen, die ein COUGAR-Netzteil während der Produktion durchlaufen muss.

Wie bereits erwähnt, werden Gehäuse für Netzteile separat her­gestellt und kommen als fertiges Produkt zur Produktionsstraße.
Bevor die einzelnen Komponenten montiert werden können, muss die Platine erst durch die sogenannte SMD-Maschine. Diese bestückt die Platine mit winzig kleinen Bauteilen, welche für eine manuelle Montage zu klein sind. Außerdem spart die vollautomatische Bearbeitung Zeit und Geld. Ist die Platine, auch PCB genannt, fertig bestückt, beginnt die eigentliche Produktion des fertigen Produkts. Das PCB wird an den Anfang des Fließbands gelegt. Es durchläuft nun verschiedene Stationen, an denen jeweils eine Komponente manuell auf den korrekten Platz gesteckt wird. Parallel dazu werden die integrierten Schaltungskomponenten wie Mosfets mit den Kühlkörpern verschraubt und isoliert. Dann kommt das fertige Paket ebenfalls auf das PCB. Sind alle Komponenten inklusive Kühlkörper fertig aufgesteckt, wird die Eingangseinheit ebenfalls aufgesteckt. Das ist jenes Bauteil, welches später die Kaltgerätebuchse mit dem PCB verbindet, die Schnittstelle zwischen Steckdose und eigentlichem Netzteil. Zum Schluss kommen noch die Kabel hinzu, welche ebenfalls fest verlötet werden. Bei den COUGAR-Netzteilen kommen zusätzlich isolierende Schrumpfschläuche zum Einsatz, die jede Ausgangsleitung des PCBs noch einmal extra isolieren.
Die fertig bestückte Platine wird dann zur Lötmaschine weiterbefördert. Dieses Gerät verlötet die bisher nur gesteckten Komponenten fest mit dem PCB. Seit einigen Jahren gibt es eine EU-Verordnung, die unter dem Begriff RoHS bekannt ist. Diese besagt, dass keinerlei Giftstoffe in höheren Konzentrationen im fertigen Produkt enthalten sein dürfen. Besonders bei Lötvorgängen wurden früher oft bleihaltige Lötmateria­lien benutzt, die heute verboten sind.

 

Letzte Schritte

Erst wenn alle Tests erfolgreich absolviert wurden, bekommt das COUGAR-Netzteil einen finalen Aufkleber. Dann geht es zum verpacken weiter.

Nun ist die Platine fast fertig. Nach dem Löten müssen noch überstehende Kontaktfüße der Komponenten entfernt werden, dies erledigt ebenfalls eine weitere Maschine. Danach fahren die fertigen PCBs über einen Scanner. Dieser prüft vollautomatisch, ob die Lötstellen hundertprozentig korrekt sind. Vor der Produktion wird dem Computer das genaue Layout der aktuell zu produzierenden Netzteile mitgeteilt. Daher weiß die Maschine, an welchen Stellen gelötet wurde, und kann diese exakt überprüfen. Bei Produkten mit hohem Qualitätsanspruch wie der COUGAR-Serie werden die Netzteile nach der maschinellen Kontrolle noch ein weiteres Mal von geschulten Mitarbeitern auf die Lötqualität hin überprüft.
Das Grundnetzteil ist jetzt fertig, fehlen noch das Gehäuse und der Lüfter. Das "nackte" Netzteil wird jetzt in der Produktion einem Grundfunktionstest unterzogen. Dabei werden die Eingangs- und besonders die Ausgangsleitungen überprüft. Nach bestandenem Test wird das PCB samt Kabel endlich in das Gehäuse gesetzt und zusammen mit dem Lüfter fertig montiert. Bevor das Netzteil nun seinen Aufkleber bekommt und fertig verpackt wird, wartet noch einmal ein großer und ausführlicher Test auf das Gerät.

Dabei wird erneut das komplette Testprozedere von A bis Z durchgeführt: Eingangsspannung, Ausgangsspannungen, Leistungswerte, maximale Lasten einzelner Leitungen, Sicherheitsfunktionen im Netzteil, dynamische Lastverteilungsfunktion, Lüfterfunktion, Lüftersteuerung und noch einmal der EMV-Test, der auch den Surge-Test beinhaltet. Wurde dieser Marathon erfolgreich absolviert, kommt - Sie ahnen es vermutlich schon - noch ein weiterer Test.

Burn-in-test

Beim so genannten Burn-in-Test wird das Netzteil unter extremen Umgebungstemperaturen stundenlang hoch belastet. Dabei wird nicht dauerhaft eine exakt gleiche Last simuliert, sondern ständig wechselnde Lasten. Mal gibt es eine höhere Last auf der 3,3- oder 5-V-Leitung, mal eine extreme Last auf den 12-V-Leitungen. Dazu kommt eine plötzliche Verminderung der Gesamtlast auf 10 Prozent, um dann nach einigen Sekunden wieder auf 110 Prozent Last zu erhöhen. Nach diesem Test werden die Netzteile zur Abkühlung in einem Raum auf den Racks stehen gelassen, um sie dann im finalen Schritt zu verpacken.
Erst danach bekommt das Netzteil im Erfolgsfall einen Aufkleber mit Seriennummer. Diese Nummer wird sorgfältig archiviert, um jederzeit auf Produktionsdaten einzelner Netzteile zurückgreifen zu können.