Entwicklung von Elektronik - Hardware & Software - von der Idee bis zur Serie

Hardware- und Software Technologien

Elektronik Zukunftstechnologie
 
 
Welche Technologien werden bei der Elektronikentwicklung eingesetzt?

Bei der Elektronikentwicklung und Baugruppenfertigung können je nach Anwendungsfall verschiedene Technologien zum Einsatz kommen, von denen hier eine Auswahl der gängigsten vorgestellt wird:
 

 

»  Was sind Flex /Starrflex /Semiflex Leiterplatten?

Sie brauchen Leiterplatten, die man biegen kann? Oder teilweise
biegen? Leiterlatten, die um Ecken gehen können – Leiterplatten, die
sich dem Gehäuse anpassen? Kein Problem!

Semiflex-Leiterplatten bestehen aus mehr oder weniger normalem Leiterplattenmaterial, welches an den flexiblen Stellen mittels Fräser so stark ausgedünnt wurde, daß nun leichte Biegungen möglich sind. Semiflex ist geeignet um die Leiterplatte z.b. Biegungen im Gehäuse anzupassen Es ist nicht dafür geeignet, daß der flexible Teil dauerhaft bewegt wird.

Anders hier die Flex/Starrflex Technologie. Hierbei kommt ein besonderes Flexibles Material zum Einsatz, welches im Grunde eine biegsame Leiterplatte darstellt. Als alleiniges Material eingesetzt, ergibt sich eine sogenannte Flex-Leiterplatte.

Da sich auf dem flexiblen Material nur sehr schwierig Bauteile befestigen lassen, kombiniert man aber oft eher dieses flexible Material mit Teilen einer starren Leiterplatte.
Es ergeben sich starre Bereiche für die Positionierung von Bauteilen und flexible Beriche für Bewegungsfreiheit – die sogenannte Starrflex-Technologie.

Semiflex/Starrflex/Flex-Leiterplatten werden nicht von jedem Hersteller angeboten und bedürfen beim Leiterplatten-Design einer gewissen anwendungsorientierten Entwicklung.

»  Was ist THT/SMD/ BGA?

Bauteile werden in verschiedensten Bauformen und Befestigungsvarianten angeboten.

Die Strukturgrößen varrieren dabei von mehreren Millimetern bei Leistungselektronik bis hin zu einigen wenigen Zehntelmillimetern bei Microelektronik.

THT steht in dem Fall für Through-Hole Technology = Durchsteckmontage.
Dies ist vermutlich die älteste und bekannteste Montageart von Bauteilen auf einer Leiterplatte. Die Bauteile besitzen Drähte, welche durch Bohrungen in der Leiterplatte gesteckt werden und von unten – der sogenannten Lötseite verlötet werden.

THT-Bestückung hat auch in der aktuellen Entwicklung seinen Einsatzbereich – z.B. Als Bestückung von größeren Bauteilen und Baugruppen.

Das wohl bekannteste Lötverfahren ist hierbei das Schwalllöten oder auch Wellenlöten genannt, bei dem die bestückte Leiterplatte über eine Welle aus flüssigem Lot gezogen wird und dabei an den zu verlötenden Stellen automatisch das Lot zurückbleibt.

In Kombination mit anderen Bestückungsarten findet aber auch zunehmend das Selektivlöten Einsatz, bei dem Leiterplatten-Teile gezielt mit einer entweder sehr kleinen Welle oder einer Art Strahl aus flüssigem Lot verlötet werden.

SMD steht für surface mounted device. Hierbei wird das Bauteil von oben – also der Bestückungsseite verlötet.
Die Lötpositionen befinden sich neben den Baueilen an hierbei kleineren, speziellen Pins, die die Leiterplatte berühren.

Mit der SMD-Technologie lassen sich kleinere Strukturgrößen – also kleinere Leiterbahnabstände realisieren. Insgesamt können die Bauteile dadurch auch kleinere Gehäuse bekommen und sind bei gleicher Funktion durchaus kleiner und preiswerter.

BGA ist im Grunde eine Unterart der SMD-Bestückung – beim Ball-Grid-Array (BGA) befinden sich die zu verlötenden Positionen UNTER dem Bauteil – meist in Form einer Matrix aus Lötpunkten.

Damit lassen sich noch mehr Pins auf kleinerem Raum plazieren – allerdings bedarf diese Technologie auch oft spezielleren Leiterplatten-Technologien, damit jedes BGA-Pin mit seiner eigenen Leiterbahn versorgt werden kann.

Die SMD-Verlötung kann auf verschiedene Art durchgeführt werden.
Auch hier gibt es ein Verfahren des Wellenlötens – welches allerdings ein vorheriges verkleben der Bauteile mit der Leiterplatte erfordert.

Praktikabler ist daher das Reflow Verfahren (Wiederaufschmelzverfahren), bei dem das Lot vor der Bestückung der Bauteile als Paste mit einer Schablone auf die zu verlötenden Stellen plaziert wird – und zum Lötprozess die dann bestückte Leiterplatte in einer Art Backofen aufgewärmt wird, bis die Lötpaste schmilzt und die Bauteile mit der Platine verlötet.

Da die Löttemperatur im Reflow-Ofen allerdings größer ist, als die meisten Bauteile dauerhaft unbeschadet aushalten würden, ist hierbei eine spezielle Temperaturkurve zu fahren, in der die Leiterplatte kurz vorgewärmt, kurz präzise aufgeheizt und dann wieder kontrolliert abgekühlt wird.

Manche Bestücker bieten inzwischen aber das Dampfphasenlöten an.
Hierbei wird die bestückte Leiterplatte vereinfacht ausgedrückt in einen Behälter gefahren, in dem eine Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur verdampft wurde.

Die Aufwärm und Abkühlzeit kann hierbei durch die Geschwindigkeit des Eintauchens, bzw. Herausnehmens der Platine gesteuert werden – die Löttemperatur selbst richtet sich nach dem verwendeten verdampften Material.

Die Vorteile dieser Technologie bestehen darin, daß es sich im Grunde um ein Lötverfahren handelt, welches eine Art Schutzatmosphäre bildet – also unter Ausschluß von Sauerstoff und auch schwerer erreichbare Stellen, wie z.b. Unter den Bauteilen durch die Dampfphase besser erreicht und damit verlötet werden.

»  Was sind Vias/Microvias /Buried Vias /Blind Vias?

Ein Via ist bekanntlich eine Durchkontaktierung, die bei zwei oder mehrlagigen Leiterplattendesigns die einzelnen Layer miteinander verbindet.

Diese Technologie ist gängig und praktikabel, hat aber mit einem minimalen Lochdurchmesser von 0,3mm und einem Restring-Durchmesser von 0,6mm ihre Grenzen, sofern man bei einem nahezu beliebigen Leiterplattenhersteller fertigen lassen möchte.

Oftmals reicht aber der Platz nicht und man braucht kleinere Vias – sogenannte Microvias. Diese sind vom Aufbau her noch immer eine Durchkontaktierung durch alle Lagen, haben allerdings ein wesentlich kleineres Loch und kleineren Außendurchmesser.

Zum Einsatz kommt hier aber bei der Produktion nicht mehr ein normaler Bohrer, sondern ein Laser – so daß diese Technologie erstens nicht von allen Leiterplatten-Herstellern angeboten wird und diese wenn denn natürlich aufpreispflichtig ist.

Oftmals reicht aber auch diese Technologie nicht aus, um die komplexen Leiterplatten zu entflechten, so daß man auf die Technologien Buried Via, Blind Via, Via-in-Pad angewiesen ist.

Buried Vias – sogenannte Sackloch-vias verbinden eine Außenlage mit mindestens einer Innenlage – OHNE durch die gesamte Platine zu gehen.

Blind-Vias – sogenannte Vergrabene Vias verbinden hingegen mehrere Innenlagen – OHNE die Außenlage zu berühren.
Bei der Via-in-Pad Technologie wird im Lötpad – also sozusagen unter dem späteren Zinn die Leiterplatten-Lage mit einer oder mehreren Innenlagen verbunden.

Alle diese Technologien haben zum Ziel, die unberührten Leiterplatten-Lagen als Routing und/oder Plazierungsfläche für Bautele frei zu haben.

Da die Technologien Blind Via/ Buried Via/ Via-in-Pad (noch) nicht Standard sind, ist es schon vonnöten, das Cad-Programm der Wahl gut zu kennen und einen engen Informations-Austausch mit den Herstellern der Wahl zu haben, damit diese Technologien praktikabel und rentabel werden.

»  Was sind Metallkern /IMS Leiterplatten?

Wenn Sie ein Projekt haben, welches eine Leiterplatte erfordert, die eine gute Wärmeableitung ermöglicht – z.b. High Power LED Technlologie werden – Sie auf das Thema Metallkern / IMS (Insulated Metal Substrate) Leiterplatten stoßen.

Metallkern-Platinen sind meist einlagige – selten auch mehrlagige Leiterplatten, die auf einer speziellen wärmeleitfähigen, aber isolierenden Schicht mit einem gut wärmeleitenden Metallkern verbunden ist.

Metallkern-Platinen lassen sich dabei nicht so einfach designen und verarbeiten, wie Standard-Platinen.

Neben der Wahl des richtigen Materials ist zu beachten, daß die verwendeten Leiterbahndicken nur bestimmte Strukturgrößen zulassen – ebenso wie Bohrungen insbesondere bei Aluminium-Platinen nicht in jeder beliebigen Größe und Position möglich sind.

Außerdem ist natürlich die Verfügbarkeit des Materials, der Preis und dessen Verarbeitung, also auch der Lötprozess abzuklären und im Projekt zu beachten.

Das Ingenieurbüro Eggersdorf bietet Ihnen selbstverständlich bei einer Entwicklung diese Technologien an und kümmert sich um alles Notwendige.

»  Was sind Impedanzangepaßte / Impedanzkontrollierte Leiterplatten?

In allen Projekten mit Funktechnik und/oder höheren Frequenzen unabdingbar – die Impedanzanpassung. Jede Leiterbahn ist im Grunde eine Art komplexer Widerstand – auch Wellenwiderstand genannt – mit induktiven, kapazitiven und resistivem Anteil.

Bei einfachen Schaltsignalen oder niederfrequenten Signalen sind diese Eigenschaften meist nebensächlich – bei hohen Frequenzen werden sie wichtig, weil sonst and den Stoßstellen zwischen den verschienenen Impedanzen (z.B. Übergang Stecker zur Leiterbahn) Leistung verlorengeht und ein Teil der Energie reflektiert wird.

Impedanzkontrollierte Leiterbahnen sind allerdings mehr, als nur das Verhältnis der Leiterbahnen untereinander – auch das Material der Leiterplatte, die Leiterbahndicke usw gehen in die Rechnung mit ein.

Sie sind allerdings unabdingbar, wenn es um schnelle Signale und Funktechnik geht.

»  Was ist RoHS Konformität?

Rohs bedeutet im englischen Restriction of Hazardous Substances. – zu gut deutsch: Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe.

Als bekannteste Beispiele gelten hier Blei und Quecksilber, welche in vielen Anwendungen nicht mehr erlaubt sind.

RoHS konformes Elektonik-Design bedeutet also die Wahl der richtigen Bauelemente – und die Beachtung dessen, daß die Verwendung eines bleifreien Zinns eine höhere Löttemperatur erfrordert.

»  Was ist I²C?

I²C steht für Inter-Integrated Circuit.
Das ursprünglich von Philips (heute NXP) entwickelte hat seinen primren Einsatzbereich darin, Microcontroller mit Peripherie (z.B. Sensoren) zu verknüpfen.
Es handelt sich um einen Bus, der von einem Master (z.B. Prozessor) gesteuert wird und an dem verschiedene Slaves (z.b. Sensoren) adressiert angeschlossen werden können.

Physikalisch werden hierfür zwei Leitungen verwendet – eine für den Takt – eine für die seriellen Daten. Interessant ist, daß die Leitungen als Open Drain (analog zu Open Kollektor) ausgeführt sind – sprich ein Widerstand hält die Leitung auf High-Potential, bis einer der Teilnehmer diese durch internen Transistor getaktet auf Low-Potential zieht.

Damit ist schon auf ganz einfache Weise eine Kollisionsvermeidung auf dem Bus möglich. Hat der Bus nicht High-Pegel – so ist er auch nicht frei.

Wann eine Übertragung startet und wann endet, wird durch spezielle Kombinationen der Flanken aus Takt und Datenbit geregelt. Dieses Designmerkmal ist eigentlich genial – erschwert aber manchmal das Debugging und die Fehlersuche im Bus.

I²C ist ursprünglich für eher kurze Distanzen entwickelt worden – die möglichen Übertragungsraten mit 0,1MBit/s bis ca 5MBit/s aber recht passabel.
Der I²C Bus ist übrigens in sehr verwandten – z.T. Komatiblen Varianten als SMBus (auch SMB) und TWI (Two Wire Interface) im Einsatz.

»  Was ist RFID / NFC?

RFID steht für Radio Frequency Identification.
Im Grunde basiert die Technologie darauf, daß über eine Funkstrecke ein digitaler Schlüssel ausgetauscht wird.

RFID bedeutet im Normalfall, daß nur eine Seite aktiv ist – das Lesegerät fragt über die Funkstrecke den RFID Transponder nach seinem Schlüssel und vergleicht es dann mit den zulässigen Schlüsseln.
Die Energie für die Übertragung stammt dabei vom Lesegerät.

NFC ist eine Erweiterung dieser Technologie. Ein NFC Gerät kann Receiver, Transmitter (Transponder) oder Transceiver sein.

Bei Verwendung gleicher Protokolle und Frequenzen sind auch Kombinationen aus NFC und RFID Geräten möglich.
Das Design eines RFID/NFC Gerätes setzt aber in jedem Fall fundierte Kenntnisse in der Funktechnik voraus.

…uvm

Dies ist natürlich nur eine Auswahl der möglichen Technologien, die hier verkürzt und vereinfacht vorgestellt wurden.
Das Ingenieurbüro Eggersdorf wählt die verwendete Technologie in Abhängigkeit von Ihrem Projekt aus.

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