Harting Die smarte Leiterplatte 4.0

Redakteur: Silvano Böni

Auch die Leiterplatte und deren Herstellung wandeln sich im Lauf der Zeit. Nun kommt sogar eine Leiterplatte, die sprechen und mitdenken kann.

(Bild: Harting)

Die Automatisierung nimmt rasant zu. Die jetzt heranwachsende Generation wird schon als «Native Robotics» bezeichnet. Leiterplatten sind ein Kernstück von allen Elektrogeräten, Autos, Robotern sowie Smartphone, Tablet und Co. Eine Leiterplatte muss daher zuverlässig sein, den steigenden Qualitätsansprüchen gerecht werden, und dennoch müssen die Herstellkosten bei steigender Komplexität des Endprodukts sinken.

Eine Bestellung über eine Steuerplatine wird bei einem der MES-Dienstleister in Deutschland platziert. Nach Erfassung wird der Auftrag eingeplant, die Produktion wird gestartet, und alle relevanten Fertigungs- und Qualitätsdaten werden im Backend-System (einer Datenbank) abgespeichert. Der komplette Prozess wird zentral aus dem führenden Backend-System gesteuert. Die Leiterplatte wird zwar bei der Fertigung eindeutig, eventuell mit einem gelaserten 2D-Code, erkannt, aber Prozessparameter oder Qualitätsmerkmale kennt die Leiterplatte nicht.

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Wenn auch stark vereinfacht dargestellt, ist dies der klassische Prozess, wie eine Leiterplatte entsteht. Doch dies ist nicht die Zukunft, da dies bezogen auf den Lebenszyklus viel zu teuer und unflexibel ist. In einer Leiterplatte steckt viel mehr Industrie 4.0, als sich viele vorstellen!

UHF-RFID-Chip mit kleiner Antennenstruktur

Bereits bei der Herstellung der Rohleiterplatte erhält diese ein Gedächtnis. Darüber kann sie aktiv auf alle weiteren Prozesse Einfluss nehmen — nicht nur in der Fertigung, sondern ein «Leben» lang. Ein kleiner UHF-RFID-Chip mit einer kleinen Antennenstruktur macht dies möglich. Eingebettet in die Leiterplatte fällt dieser gar nicht auf. Der Platzbedarf ist vergleichbar mit einem 2D-Code.

Von jetzt an kann bereits die Rohleiterplatte Fertigungsdaten jederzeit abrufbar abspeichern — vielleicht das Herstelldatum und Charakteristika wie Dicke und Anzahl Layer. Und selbstverständlich kann sie eineindeutig identifiziert werden. Dies sogar im Pulk und über relativ grosse Entfernungen; Reichweiten von über einem Meter sind nicht unrealistisch. Lager-Logistikprozesse können daher durch eine automatisierte (Pulk-)Erfassung bereits optimiert werden.

Leiterplatte sagt, ob sie hier richtig ist

Kommt die Leiterplatte zum MES-Dienstleister, dem Bestücker und schliesslich an die SMD-Fertigungslinie, meldet sich die Leiterplatte oder der Nutzen an der Fertigungslinie an. Fertigungsmaschinen mit integrierter UHF-RFID-Technik machen dies möglich. Leiterplatten können erkannt werden, die gespeicherten Informationen können ausgelesen, aber bei Bedarf auch aktualisiert bzw. ergänzt werden. Wann, auf welcher Maschine, mit welcher Pro­duktionszeit sind nur einige Parameter welche abgelegt werden können. Aber auch Sonderereignisse wie relevante Störungen innerhalb einer Fertigungs­maschine können gespeichert werden.

Wird die Leiterplatte oder der Nutzen manuell nach dem Ab-Stapeln einem neuen Fertigungsprozess zugeführt, kann die Leiterplatte mitteilen, ob sie hier richtig ist — oder vielleicht erst noch einen anderen Prozessschritt durchlaufen muss.

Kommunikation bei voller Fertigungsgeschwindigkeit

Dies alles wird mit modernster UHF-RFID-Technik ermöglicht. Dank der koaxialkabel-basierten Ha-VIS-Locfield-Antenne und des flexiblen UHF-RFID-Readers Ha-VIS RF-R350 von Harting ist die Realisierung mit geringem Aufwand möglich. Die Locfield ist eine platzsparende Antenne, welche die Datenkommunikation mit den Leiterplatten innerhalb der Fertigungsstrasse ermöglicht. Das Antennenfeld folgt hierbei einem Koaxialleiter und ermöglicht bei voller Fertigungsgeschwindigkeit eine Kommu­nikation mit mehreren Platinen in einem Platinennutzen. Dank der flexiblen und standardkonformen Datenverarbeitung des UHF-RFID-Lese- und -Schreibgeräts Ha-VIS RF-R350 können die Daten direkt im Reader vorverarbeitet werden.

Alles sehr transparent

Reader und Antenne können problemlos in Neu- und Altanlagen integriert werden. Die kompakte Bauform und die hohe Schutzart IP67 erleichtern das Nachrüsten ebenfalls. Eine datentechnische volle Integration in die Fertigungsanlagen ist hierbei jederzeit möglich, aber nicht zwingend nötig. Selbstverständlich können und sollen auch bestehende Back-End-Systeme integriert werden. Die Lösung kann sehr einfach und flexibel mit den Ansprüchen und Ideen des Leiterplattenbestückers und dessen Kunden mitwachsen.

Die Datenhaltung auf dem RFID-Chip der Leiterplatte folgt ISO-Standards und bereits aus dem Güterverkehr im Handel bekannten GS1-Standards. Hier ist nicht nur die ID der Leiterplatte selbst gemeint, sondern auch die Prozess- und Fertigungsdaten, welche im sogenannten User-Memory des RFID-Chips abgelegt werden. Alles ist dementsprechend transparent und kann somit auch später von Dritten problemlos genutzt werden.

Das Einbetten des UHF-RFID-Chips

Das Einbetten des UHF-RFID-Chips direkt in die Roh-Leiterplatte ist sicherlich die eleganteste Lösung, aber nicht die einzige. Mit dem eingebetteten Chip, welcher dank eines Verfahrens der Firma Beta Layout vollautomatisiert in die Leiterplatte eingesetzt wird, lassen sich der komplette Lebenszyklus und die komplette Fertigungskette direkt in der Leiterplatte abbilden. Auch beim Bestückprozess kann der Chip als SMD-Bauteil auf die Leiterplatte aufgebracht werden. Die Firma MuRata bietet mit dem MagicStrap entsprechende UHF-RFID-Chips bzw. -Transponder an.

Einmal mit der UHF-RFID-Technik ausgerüstet, kann diese bei Bedarf ein ganzes Leiterplattenleben genutzt werden. Neben Lagerlogistik-Anwen­dungen, denn auch eine Pulk-Erfassung mehrerer Platinen auf einmal ist möglich, können z. B. Reparaturprozesse optimiert werden. Auch wenn die Leiterplatte nicht mehr funktioniert, also nicht mehr eingeschaltet werden kann, können abgespeicherte Informationen wie ausgelieferte Firmware-Versionen noch abgefragt werden.

Firmen arbeiten bereits mit der Technologie

Ausserdem lassen sich die Informationen problemlos abfragen, wenn die Platine bereits in einem Fertigprodukt eingebaut wurde. Solange das Gehäuse nicht komplett aus Metall ist und gewisse physi­kalische Grundprinzipien eingehalten werden, kann die im RFID-Chip enthaltene Information weiterhin genutzt und aktua­lisiert werden. Bis zur Entsorgung der Leiterplatte stehen die Möglichkeiten der UHF-RFID-Technik zur Verfügung und können diverse Anwendungen ermöglichen und verbessern.

Ist dies alles nun blanke Theorie, oder wird es schon umgesetzt? Die Firma Nokia nutzt die Vorteile der UHF-RFID-gestützten Leiterplattenfertigung bereits in ihrer neuen modularen Industrie-­4.0-Ferti­gungsstrasse. Die ersten dort pro­du­zierten Produkte sind schon mit UHF-RFID-Transpondern ausgerüstet. Die verwendeten Maschinen diverser Hersteller, unter anderem eine Reflow-Lötanlage der Firma Rehm Thermal Systems, sind mit den beschriebenen UHF-RFID-Produkten von Harting ausgerüstet und erfüllen so die Ansprüche einer Industrie-4.0-fähigen Leiterplattenfertigung.

Weitere Ideen sind vorhanden

Auch die Firma ASM Assembly Systems GmbH & Co. KG integriert die RFID-Technik in ihre Maschinen. Doch nicht nur die Maschinen und die Leiterplatten können mit der Technik ausgerüstet werden. Auch Verbrauchsmaterialien wie Reinigungs­rollen, die in den Lotpastendruckern verwendet werden, können automatisiert erkannt werden. Entsprechende Produkte bietet die Firma Vliesstoff Kasper an. Die Zollner Elektronik AG zeigt die Möglich­keiten dieser Technik bereits seit Längerem in ihrem Technikum in Cham.

Ideen, die UHF-RFID-Technik noch vielseitiger zu nutzen, haben die Mitstreiter inm Konsortium viele. Unter anderem engagiert sich auch die TU Dresden, um ganz neue Baugruppenentwicklungen ­voranzubringen.

Die UHF-RFID-Technik macht die Leiterplattenbranche also noch vielseitiger, die Fertigungsprozesse flexibler, sicherer und ermöglicht ganz neue Anwendungs­szenarien bis hin zur Verbesserung eines nachhaltigen Umgangs mit den Rohstoffen einer Leiterplatte durch fachgerechte Entsorgung. Harting hat bereits weitere Ideen und wird gemeinsam mit seinen Partnern an deren Umsetzung arbeiten.

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