Embedded-Technologie für intelligente Funksensoren evaluieren

Redakteur: Johann Wiesböck

Innerhalb des BMBF-Projektes PCB 4.0 hat KSG die Integrationstechnologie für IIoT-Sensoren in der Leiterplatte entwickelt. Für den Feldtest wurden hochintegrierte Schaltungsträger mit verschiedenen Embedded-Technologien gefertigt und Maßnahmen erarbeitet, um die Zuverlässigkeit der Funksensorknoten zu erhöhen.

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3D-Modell eines Sensor-Beacon für 3-Achsbeschleunigung und Umgebungsbedingungen: Die Stromversorgung liefert eine austauschbare Knopfzelle, für die eine Kavität im Sensormodul nötig ist.
3D-Modell eines Sensor-Beacon für 3-Achsbeschleunigung und Umgebungsbedingungen: Die Stromversorgung liefert eine austauschbare Knopfzelle, für die eine Kavität im Sensormodul nötig ist.
(Bild: Sensorik Bayern)

Drahtlose Sensorknoten sind eine Schlüsselkomponente für Industrie 4.0 und das industrielle Internet der Dinge (IIoT). Sie überwachen Betriebszustände während der Fertigung und Produktlebenszeit der elektronischen Baugruppe. Funksensorknoten bestehen aus sehr heterogenen Bausteinen: Antenne, Quarz, Sensor, Mikrocontroller oder -prozessor, Energiewandler und -puffer. Um die Sensorknoten leicht in bestehende Systeme zu integrieren, ist eine kleine Bauform erwünscht.

Im BMBF-Projekt PCB 4.0 haben Siemens, Wibu Systems, Sensorik Bayern, KSG, EnOcean, TU Berlin und Fraunhofer IZM eine hochintegrierte Funksensorik entwickelt, die künftige Baugruppen sicher vernetzt. Einsatzgebiete sind: die Fertigungshistorie einer hochwertigen Baugruppe fälschungssicher dokumentieren oder durch die integrierte Sensorik die Prozessführung optimieren, Belastungen auf die Baugruppe im Einsatz erfassen und so vorbeugende Wartung sicherstellen.

Für erste Feldversuche haben die Projektpartner neben einer Hardware-Plattform für miniaturisierte Funksensorik mit extrem hoher Energieeffizienz eine Software-Lösung entwickelt, die den zuverlässigen Betrieb in rauen Produktionsumgebungen gewährleistet. Im Anwendungsszenario wurde die variantenreiche Produktion von Industrieelektronikbaugruppen ausgewählt, um die Praxistauglichkeit der erarbeiteten Hardware-, Software- und Technologie-Plattform zu bewerten.

Als wirtschaftlichste Lösung für die hochminiaturisierte Funksensorik in der Größenordnung unter 0,2 Kubikzentimeter gelten Substrat- bzw. modulbasierte Ansätze als System-in-Package (SiP) oder System-on-Package (SoP). Einen besonders hohen Grad der Miniaturisierung ermöglicht das Einbetten von aktiven und passiven Bauelementen in die Leiterplatte.

Geeignete Materialien und Designregeln

Im Projekt PCB 4.0 hat KSG geeignete Materialkombinationen für Embedded-Aufbauten eruiert und eine Methodik zur Basismaterialauswahl für eingebettete intelligente Funksensorknoten erarbeitet. „In unseren Versuchen zur Herstellung von Modulaufbauten mittels 3D-Integration von aktiven und passiven Bauteilen haben wir Design- und Prozessparameter zum kosteneffizienten Einbetten der intelligenten Funksensorknoten ermittelt und einen Designregelkatalog erstellt“, sagt Ralph Fiehler, Leiter Entwicklung bei KSG.

Für die ersten Praxistests hat das KSG-Team hochintegrierte Schaltungsträger mit verschiedenen Embedded-Technologien gefertigt. Zudem haben die Technologen Maßnahmen erarbeitet, um die Zuverlässigkeit der Funksensorknoten zu erhöhen. Praktikabel ist ein Technologiemix. „Mit den Projektergebnissen haben wir gezeigt, dass die Integration von Funksensorknoten in eine Leiterplatte nicht nur über das Einbetten auf einer Multilayer-Innenlage möglich ist. Eine andere Möglichkeit ist die getrennte Fertigung von Sensorknoten und Motherboard“, erklärt Ralph Fiehler. Bei diesem modularen Aufbau lassen sich etwaige technische Herausforderungen separat betrachten und technische Lösungen einarbeiten.

Röntgenaufnahme: Kleines IoT-Funksensor-Modul (11 mm x 10 mm x 1,6 mm) mit eingebetteten Bauteilen für Umgebungsdaten.
Röntgenaufnahme: Kleines IoT-Funksensor-Modul (11 mm x 10 mm x 1,6 mm) mit eingebetteten Bauteilen für Umgebungsdaten.
(Bild: TU Berlin, KSG)

KSG hat Spezifikationen für vier Demonstratoren mit unterschiedlichen Funktionen entwickelt und gefertigt: Prozessteuerung, Datenerfassung in der Elektronikfertigung, Analyse von Felddaten sowie Plagiatsschutz. Der Aufbau des Funksensorknotens hängt von der jeweiligen Anwendung ab.

Bei KSG arbeitet seit 2002 ein von der Fertigung unabhängig agierendes Entwicklungsteam aus sechs Projektingenieuren mit interdisziplinärem und breit gefächertem Fachwissen. Arbeitsprojekte sind neben der Weiterentwicklung der Leiterplattentechnologien und Fertigungsprozesse, die Materialqualifizierung und kontinuierliche Verbesserung der Produkt-/Prozessqualität und Kostenstruktur sowie technische Unterstützung bei Kundenprojekten.

Leiterplatten aus Europa für Europa

Die KSG Unternehmensgruppe produziert Leiterplatten in allen Technologien vom Muster bis zur Serie für den europäischen Markt. Das Unternehmen versteht sich als Co-Engineering-Partner seiner Kunden und technologischer Taktgeber bei HF-Lösungen sowie Hochstrom- und Wärmemanagement.

Ein von der Fertigung unabhängiges, interdisziplinäres Forschungs- und Entwicklungsteam bündelt die technologische Kompetenz der Unternehmensgruppe. KSG beschäftigt 900 Mitarbeiter in zwei Fertigungsstandorten, in Gornsdorf in Sachsen sowie in Gars am Kamp in Niederösterreich.

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