9. PCB-Designer-Tag

5G – 3x High: HDI, Highspeed und Highpower

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Leiterplatten- und Baugruppen-Designer bilden die Brücke zwischen der Elektronikentwicklung und -fertigung und sind Schnittstelle für alle Beteiligten am Entwicklungsprozess. Der PCB-Designer-Tag des FED bot für diese Schnittstellenfunktion Im Unternehmen den Teilnehmern praxisgerechtes Fachwissen für den Arbeitsalltag. Die Vorträge aus der Praxis, die Workshops und Diskussionsrunden fanden bei Wittenstein SE in Igersheim-Harthausen statt.

Der PCB-Designer-Tag des FED zum Thema 5G – 3x High, Cutting-Edge-Design bei Wittenstein ermöglichte den Teilnehmern einen Einblick ins Unternehmen inklusive eines interessanten Rundgangs in der Innovationsfabrik. Unter Moderation von Prof. Dr. Rainer Thüringer vom FED ging es durch die informative Veranstaltung.

Praxisorientierte Vorträge

Mit dem Vortrag „Technology evolution towards 5G“ zeigte Thomas Randt von Telit Communications PLC auf, wie es derzeit mit der Entwicklung des Netzwerks der Zukunft aussieht und welche Anwendungen damit abgedeckt werden. Denn Daten werden künftig immer wichtiger und die Entwicklung im Mobilfunk schreitet hier rasch voran. Während Netzbetreiber den Ausbau der neuen Funktechnologien LTE-CATM sowie NB-IoT vorantreiben wird parallel die Nachfolgetechnik 5G entwickelt. Die fünfte Mobilfunkgeneration ist viel schneller als alle Vorgänger und in der Lage, in extrem kurzer Zeit extrem große Datenmengen – bis zu zehn Gigabit pro Sekunde – zu übertragen. Doch noch können die weitverstreuten, hochstehenden Antennenmasten den Anforderungen des 5G-Netzes weder technisch noch logistisch gerecht werden, da die Infrastruktur viel dichter gestrickte Netze vorsieht. Die neue Mobilfunkgeneration ist eng mit Anwendungen wie z.B. dem autonomen Fahren oder Industrie 4.0 verknüpft und somit für alle Einsätze im Industriebereich prädestiniert, wozu ununterbrochener Zugang zu den Netzen erforderlich wird. Vorhandene Netze wie GSM oder LTE sollen nicht ersetzt, sondern in die neue 5G-Infrastruktur integriert werden, um engmaschig das Land zu vernetzen.

Bernd Vojanec von Wittenstein SE widmete sich dem Thema Smart Products & Data Driven Services, um seinen Zuhörern die Meilensteine auf dem Weg in die digitale Zukunft in Form von smarten Getrieben näher zu bringen, welche über ein integriertes Sensormodul zur Realisierung einer Industrie 4.0-Konnektivität verfügen. Denn Künstliche Intelligenz und intelligente Antriebstechnologien setzen integrierte Sensorik und Kommunikationsschnittstellen im gesamten Antriebsstrang voraus. So belegen das sensorisierte Galaxie Antriebssystem, die Servoantriebslösung cyber iTAS mit Webserver für fahrerlose Transportfahrzeuge sowie das smarte Antriebssystem für Schwerlast-Abschaltschrauber, dass die Digitalisierung der Produkte im Unternehmen längst begonnen hat. Im Vortrag wurde am Beispiel der smarten Gearbox des Unternehmens die I4.0-Produkt-Roadmap erläutert, zu deren Beginn die Entwicklung eines smarten Elektronikbausteins für Getriebe stand. Der Redner verdeutlichte den Weg vom Internet der Dinge zu Industrie 4.0 am Praxisbeispiel des Antriebssystem Galaxie. Das wesentliche Unterscheidungsmerkmal stellt das integrierte Sensormodul cynapse dar, mit welchem Daten über die standardisierte Schnittstelle IO-Link ausgegeben werden können. Das smarte Getriebe ist insofern in der Lage, Einflussgrößen aus dem Prozess sowie Einsatzumfeld identifizieren, messen und an die Maschinensteuerung weitergeben, und darüber hinaus mit Applikationen auf IIoT-Plattformen austauschen können. Komplettiert wird das Sensormodul durch integrierte und intelligente Logikfunktionen, mit denen Getriebe in Eigenregie Überwachungsfunktionen ausführen können. Dies unterstützt die zustandsorientierte Predictive Maintenance, minimiert Maschinenstillstände und realisiert so optimale Verfügbarkeit und Produktivität der Maschinen. Künftig geht es nicht mehr nur um das Produkt, sondern um die Daten.

Wissensvertiefende Workshops

Der erste Workshop vom Geschäftsführer Michael Schwitzer, Ciboard electronic GmbH, beschäftigte sich mit High-Density-Interconnect und Highspeed. Nach einer kurzen Einführung in die Grundlagen der High-Density-Interconnect-Technologie und einer Übersicht über die Entwicklungsstufen folgten eine nähere Betrachtung der Hochfrequenzeigenschaften von Microvias sowie einige Layouttipps für die anwesenden PCB-Designer. Gerade neue Miniaturbauformen von Bauelementen, extreme Bauteildichten oder auch eine hohe Anzahl an Hochfrequenz-Signalen führen jeden Entwickler schnell an die Grenzen der Designmöglichkeiten eines Multilayers mit Standard-Durchkontaktierungen. Der Referent zeigte anhand von Praxisbeispielen auf, dass für solche Anwendungsfälle mit der HDI/Microvia-Technologie eine bereits seit über zwei Jahrzehnten nicht nur in Großserien bewährte Leiterplattentechnologie zur Verfügung steht. Hiermit können Mitarbeiter u. a. die kleinsten und engsten Kontaktstellen ausrouten, elegant das Problem langer Via-Stubs im High-Speed-Bereich umgehen, Anforderungen an die Power-Integrity leichter erfüllen und die thermischen Eigenschaften des Layouts verbessern. Bei optimaler Auslegung wird nicht nur die Bestückung vereinfacht und sicherer, auch die Gerätegröße und damit der Materialeinsatz kann deutlich verringert werden. Nicht zuletzt erlaubt die Betrachtung der gesamten Entwicklungs- und Fertigungskosten einer Baugruppe Einsparungsmöglichkeiten, die sich durch den effektiven Einsatz von Microvias ergeben.

Den zweiten Workshop zum Highpower-Baugruppendesign brachte Michael Schleicher der Semikron Elektronik GmbH & Co. KG den Teilnehmern näher. Antriebstechnologien, alternative Energieerzeugung oder E-Mobilität eint die Tatsache, dass die Spannung bis weit über 230 V liegt und Ströme dauerhaft über 20 A teilweise bis über 100 A fließen. Um dies technisch zu realisieren, wurden in der Vergangenheit häufig diskrete Aufbauten genutzt. Heute übernimmt diese Aufgaben in vielen Fällen die Leiterplatte. Im Seminar werden Inhalte, Fähigkeiten und Strategien vermittelt, wie eine Baugruppe mit High-Power-Anforderungen geplant und erfolgreich umgesetzt werden kann. Dazu gehören z. B. die Auswahl von Basismaterialien, Lagenaufbauten, Temperaturbetrachtungen und die Auswahl der richtigen Anschlusstechnologien. So wird bei vielen durch Automotive wie E-Mobilität getriebenen Entwicklungen zunehmend auf lötfreie Verbindungen gesetzt. Dafür bietet sich die PressFit-Technik perfekt an. Die Verbindung ist sowohl durch den Pinquerschnitt als auch die Parallelschaltung von Pins augezeichnet skalierbar und mit automatischen Einpresssystemen gut steuerbar. Hierbei kann die Leiterplatte ihre Vorteile ausspielen: Sie ist bei entsprechend den Bauraumvorgaben gut anpass- und skalierbar: Kupferlagen und deren Dicke (Leitungsquerschnitt). Eines der wichtigsten Argumente für die PressFit-Technik ist jedoch, dass kein Wärmeeintrag durch einen Lötvorgang entsteht! Das Löten von massiven Kupferpins in Leiterplatten mit massiven Kupferlagen verursacht thermischen Stress und Alterung. Im Ergebnis weisen viele Entwicklungen darauf hin, dass die Leiterplatte zunehmend als Verbindungsträger – vor allem bei hohen Strömen und Spannungen (20 A / 650 V) – zur Anwendung kommt, zumal die Stromdichte bei SiC und GaN (Siliciumcarbit, Galiumnitrit) viel kleinere Leistungsmodule ermöglicht. Und plötzlich spielen Schaltfrequenzen und Impedanzen bei Leistungsmodulen zunehmend eine wichtigere Rolle, da die Schaltfrequenzen für den optimalen Betrieb dieser neuen Bauteile zwischen 10 kHz und 100 kHz liegen. Die persönliche Erfahrung des Redners zeigt, dass es sehr wichtig wird, sich gezielt mit Engstellen und Entwärmung zu beschäftigen. Im System Leiterplatte ist das Kupfer der günstigste Partner für Strom und Entwärmung. Es sollte versucht werden diese, in der Leiterplatte vorhandenen Ressourcen so sinnvoll als möglich einzusetzen. Aus dem Blickwinkel von Leitfähigkeit und Kriechstrecken können Kupferflächen sehr gut berechnet werden. Fangen wir mit dem Wissen um die drei Ausgangsmaterialien an: Glas, Harz, Kupfer, um dann über gesetzliche Anforderungen an Luft- & Kriechstrecken einen Lagenaufbau zu bestimmen, welcher es uns ermöglicht, die gewünschte Schaltung in ein „ideales Layout“ im vorgegebenen Bauraum optimal umzusetzen.

Zum Abschluss gab es für die knapp 70 Teilnehmer einen Firmenrundgang bei Wittenstein SE inklusive der Innovationsfabrik, dem hochmodernen, ressourcenschonenden Mechatronik-Zentrum für den Weg in die Produktion der Zukunft, sowie Teile der Produktion. Eines der Highlights stellt der Weltgarten dar, der rund um die Produktionshallen und Bürogebäude auf dem rund zehn Hektar großen Firmengelände über 630 verschiedene Bäume und Sträucher aus 31 Nationen – hier unterhält das Unternehmen Niederlassungen oder Handelsvertretungen – gedeihen lässt. Bei der Auswahl der Pflanzen wird nicht nur auf ländertypische Exoten geachtet, sondern zwischen Biotopen, Bachlauf und als Senkgärten genutzten Wassersammelbecken auch seltene Birken- oder Erlenvarianten aus den umliegenden Wiesen und Wäldern gepflanzt sind, die als Messstationen für Klimaveränderungen genutzt werden. (dj)

www.fed.de; www.wittenstein.de



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