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Leiterplatten | 27 März 2009

Würth Elektronik: Multifunktionale Leiterplatte integriert Sensor und Auswerteelektronik

Würth Elektronik integriert den Biegebalken als Sensor in die Leiterplatte und öffnet PCBs (Printed Circuit Boards) neue industrielle Anwendungsfelder. Möglich wurde die technische Innovation durch die hauseigenen Leitpolymere, also Pasten für polymere Dickschichten, mit denen sich die notwendige Applikations-Intelligenz auf die speziell dafür strukturierte Platine packen lässt.
Die zeichnet sich durch ein hohes Lösungspotenzial aus und eignet sich für zahlreiche neue kundenspezifische Applikationen wie etwa Belegungs- und Erkennungssysteme in Warenwirtschaftssystemen. Erste Serienfreigaben erfolgten bereits.

Während bisherige Biegebalken auf einfache Funktionen wie etwa reine Kraftmessung beschränkt waren, hat Würth Elektronik die ehemals limitierte Technik komplett erneuert und ausgeweitet. Mit den auf das Basismaterial aufgedruckten Dehnungsmessstreifen (DMS) und der Integration von Sensor und Elektronik auf der Leiterplatte überwinden die neuartigen Biegebalken gleichzeitig die Schwächen herkömmlicher kapazitiver Sensoren für Belegungssysteme, wie etwa mangelnde Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen. Daher bietet sich der Biegebalken mit Polymer-DMS zur Anwendung bei besonderen Anforderungen hinsichtlich Temperatur, Feuchtigkeit, Industrieatmosphäre und ähnlichem gerade wegen seiner Robustheit besonders an.

Würth Elektronik ist mit seinen Dickschichtschaltungen auf Leiterplatten mittels Leitpolymeren ein Pionier in dem noch jungen Feld. Diese Biegebalken, die in jede Leiterplatte (DK, ML, HDI, starrflex) integrierbar sind, werden allgemein als Kurzwegaufnehmer und Kraftindikatoren genutzt und ermöglichen so auch integrierte Druck-Sensoren.
Die besondere Technik, den Polymer-Hybrid als siebgedruckte, passive Komponente in PCB-Zwischenlagen einzubetten, erlaubt eine bis dahin nicht gekannte hohe Packungsdichte bei zuverlässigen Anbindungen an die Leiterbahnen.


Dieser Biegebalken, der in jede Leiterplatte (DK, ML, HDI, starrflex) integriert werden kann, wird als Kurzwegaufnehmer, Kraftindikator uvm. eingesetzt und kann damit Kurz- Weg- und Druck-Sensoren ersetzen.

Innovative Polymer-Dickschicht-Systeme lösen Techniksprung aus
Der entscheidende Schritt zu dieser weiteren Integrationsstufe ist die inhouse entwickelte und geheime Leitplastik-Paste mit bis dato nicht gekannten, neuen Eigenschaften. Erst durch den Einsatz von neuartigen Leitpolymeren und anderen Polymeren mit gezielten elektrischen Merkmalen ist es Würth Elektronik gelungen, passive Bauelemente auf die Leiterplatte aufzudrucken und Sensoren in die Leiterplatte zu integrieren. Diese Technik ermöglicht die Entwicklung individueller Kundenlösungen, die u.a. Platz und Volumen sowie Fertigungsaufwendungen deutlich reduzieren können. Der Entwicklungs- und Kostenaufwand sinkt bei gleichzeitig verbesserter Robustheit der Endanwendung.

Frank Dietrich, Leiter FLATcomp Systeme bei Würth Elektronik und Entwickler der speziellen “smart conductive“-Polymer-Paste, betont: „Der Kunde erhält nicht die Paste in dem Sinne, sondern die ausgehärtete Dickschicht, weshalb wir richtigerweise von Dickfilmen oder PTF (Polymere Thick Film) sprechen. Wir gehen vermehrt auf diese Dickschichtvariante, weil hier eine große Vielfalt an Widerständen besteht, und werden zukünftig viele passive Komponenten auf die Leiterplatte siebdrucken.“

Beim Polymer-DMS erzeugt die Dickschicht einen besonders stressempfindlichen Dickschicht-Widerstand, wodurch Ausgangs-Signale erreicht werden, die 50mal höher liegen als die Signale eines konventionellen DMS und deshalb nur noch einer geringen Verstärkung bedürfen. Damit generiert Würth Elektronik einen Dickschicht-DMS auf der Leiterplatte, so dass sich Sensor und Auswerte-Elektronik auf engstem Raum in die mechanisch strukturierte Leiterplatte integrieren lassen.

Die Vorteile dieser Integration übertreffen alle anderen bisherigen Herangehensweisen, den Sensorbereich zu verbessern: Der Designer genießt hohe konstruktive Freiheit und hat kürzere Entwicklungszeiten; der Sensor ist nahe der Auswerteelektronik platziert; die Leiterplatte kann mehrere Funktionen gleichzeitig übernehmen; die Lösung besitzt hohe Zuverlässigkeit und erfordert geringere Startkosten. Die Integration voranzutreiben lohnt sich hier besonders. Denn über 80% aller Bauteile sind passive Bauteile, die mehr als 35% der verfügbaren Fläche und über 25% aller Lötstellen beanspruchen. Mit der Reduzierung der Lötstellenanzahl verbessern sich die Zuverlässigkeit und Robustheit der Produkte.

Dickschicht-DMS mit Biegebalken im Vergleich
Dehnungsmessstreifen werden normalerweise auf metallische Biegebalken geklebt. Gestaltet als Wheatstone´sche Brücke erhält man ein Signal, das dem proportionalen Wert der auf den Biegebalken wirkenden Kraft entspricht. Bei den auf dem Markt befindlichen DMS erhält man Werte zwischen 1 mV/V und 4 mV/V. Das bedeutet in der Praxis, dass das Signal 250 bis 1.000mal verstärkt werden muss, um genutzt werden zu können. Zusätzlich zieht eine hohe Verstärkung Nebeneffekte wie Driften und EMV-Störungen nach sich.

Hingegen beim gedruckten Polymer-DMS mit strukturierter Leiterplatten (zum Patent angemeldet) nutzt man die TK-Kompensation der Wheatstone´schen Brücke und die Paarung FR4 zum Leitpolymer. Das dadurch gewonnene Signal ist rund 50mal höher als beim herkömmlichen DMS. Daraus folgt, dass nur noch eine geringe Verstärkung notwendig ist. In vielen Fällen kann auf die Signalverstärkung ganz verzichtet werden, was Kosteneinsparung, höhere Zuverlässigkeit und Reduzierung der Störgrößen bedeutet. Wie bei einem gedruckten Widerstand wird die Anwendung robuster. Diese Art Sensor kann auch als Kurzwegaufnehmer oder zusammen mit einer Membrane als Drucksensor eingesetzt werden. Ebenso ist es möglich, mit diesem Leiterplattenelement einfache Endschalter kostengünstig und störungsfreier zu ersetzen.

Peter Tiefenbach, Leiter Polymertechnologie FLATcomp bei Würth Elektronik, sagt: „Die Leiterplatte wird zum Sensor und übernimmt Funktionen. Das ist der wesentliche Unterschied: Die Leiterplatte wird nicht mehr nur als Träger elektronischer Komponenten oder als Verbindungselement genutzt; vielmehr wird sie heute als wertvolles System begriffen, das zusätzliche Aufgaben übernehmen kann. Zu den Grundprinzipien in der Technik zählt es heute, die Funktionalität zu erhöhen.“

Praktische Anwendungen der neuen Biegebalken-Technik
Die Integration der beschriebenen neuen Aufgaben in die Leiterplatte hat die ersten Praxistests bestanden. Felderprobungen und Serienfreigaben für kundenspezifische Lösungen erfolgten bereits. Ein typisches Anwendungsfeld sind Belegsysteme für Warenwirtschaftssysteme in jedwedem Umfeld. Im Falle von hochfrequentierten Regalen in Kaufhäusern, die mehrmals am Tag umgeschlagen werden, ist es wichtig zu wissen, wann und wie viele Einheiten noch im Regal sind. Mit den Platinen inklusive sensorischem Biegebalken liefert Würth Elektronik eine komfortable Lösung mit individuellen und universellen Gestaltungsmöglichkeiten, je nachdem etwa mit wie vielen Einheiten man die Regale belegen will. Diese Grundidee ist zwar nicht neu, scheiterte aber bisher an einer zuverlässigen und noch dazu bezahlbaren Sensorik.

Ein aktueller Kunde testete ein System von Würth Elektronik, bei dem der Sensor bereits ab 5,6 Gramm ein Signal an einen Zentralrechner mit der Quasi-Botschaft „ich bin leer“ schickt. Wo Mitarbeiter früher permanent die vielen langen Regale abliefen, überprüften und nachfüllten und somit vieles gleichzeitig feststellen mussten, erhalten sie jetzt mit der Systemlösung von Würth Elektronik eine knappe elektronische Meldung, dass etwa die Regale 1 bis 15 nur noch zur Hälfte gefüllt sind.

Bereits in Anwendung befindliche kapazitive Systeme geben gegenüber diesen quantitativen Angaben nur die beiden Aussagen „voll“ oder „leer“ bzw. „ja/nein“. Und in einem feuchten Umfeld, etwa einem Getränkeautomaten oder Kühlschrank, würden sie aus physikalischen und anderen Gründen nicht zuverlässig funktionieren. Sodass manch ein Kunde schon auf die umgebungsrobuste Lösung von Würth Elektronik umschwenkte. „Alle diese intelligenten Anwendungen und Systeme“, sagt Frank Dietrich sichtlich stolz, „konnten wir in den letzten beiden Jahren nur entwickeln, weil wir auf eigene Pastensysteme mit neuen, einzigartigen Eigenschaften zurückgreifen, die sonst niemand zur Verfügung hat.“

Neuer Zeitgeist: Problemlösung dank verbindlicher Kundennähe
Bisher ist die Technologie fast nur Insidern bekannt und wartet trotz aller bestechenden Vorteile auf ihren weltweiten Durchbruch. Vor allem weil die Anzahl der Anbieter noch gering ist und damit Kunde und Hersteller partnerschaftlich aneinander gebunden sind. „Offenbar entsprach diese Verbindlichkeit zwischenzeitlich nicht mehr dem Zeitgeist“, sagt Peter Tiefenbach, „aber Würth Elektronik verspürt hier inzwischen einen deutlichen Sinneswandel. Immer öfter übertrumpfen Zuverlässigkeit und Service den Preis. Partnerschaft und Lösungskompetenz sind wieder gefragte Verkaufsargumente.“

Tiefenbach spricht diese sich wieder ausbreitende Erkenntnis auch dem zukunftsorientierten Wandel vom reinen Leiterplatten-Dienstleister zum Problemlöser und engen Partner des Kunden zu, der auf hohe Resonanz im Markt trifft: „Viele Kunden sind ja erst einmal noch gar nicht über die technischen Möglichkeiten informiert, schätzen die eigenen Problematiken falsch ein bzw. wollen sie von uns mit obsoleten Techniken gelöst haben oder fragen gar ein Produkt nach, das nicht ihre tatsächliche Fragestellung beantwortet. Dank unserer zunehmenden und auf Innovationen basierenden Lösungskompetenz und Kundennähe erkennen wir bei eingehenderer Betrachtung der Sachlage die tatsächliche Problematik und erarbeiten eine kundenspezifische Lösung, die der Kunde oft vorher nicht erahnte oder für möglich hielt.“


Peter Tiefenbach, Leiter Polymertechnologie FLATcomp (links im Bild), und Frank Dietrich, Leiter FLATcomp Systeme bei Würth Elektronik, haben mit der Entwicklung und dem Einsatz ihrer speziellen “smart conductive“-Polymer-Paste einen Techniksprung in der Leiterplattenentwicklung ausgelöst und den PCBs neue Anwendungsbereiche geöffnet.

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