Industrie aktuell

Miniaturisierung, Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie

Harting10718Titelstory

Leiterplatten sind ein Basisbauteil von Elektrogeräten, Autos, Robotern, Smartphone, Tablets und Co. Sie müssen daher zuverlässig sein, den steigenden Qualitätsansprüchen gerecht werden und dennoch sollen die Herstellkosten bei steigender Komplexität des Endproduktes sinken. Somit wandeln sich die Leiterplatte an sich und auch ihre Herstellung. Dank Hartings UHF RFID-Technik kann das elektronische Bauelement jetzt sprechen und mitdenken.

 

Bei einem der MES-Dienstleister in Deutschland wird eine Steuerplatine bestellt. Nach Erfassung der Bestellung werden der Auftrag eingeplant, die Produktion gestartet und alle relevanten Fertigungs- und Qualitätsdaten 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 oder mit einem gelaserten 2DCode erkannt, aber Prozessparameter oder Qualitätsmerkmale kennt die Leiterplatte nicht.

Wenn auch stark vereinfacht dargestellt, ist dies der klassische Prozess bei der Entstehung einer Leiterplatte. Bezogen auf den Lebenszyklus ist das aber viel zu teuer und unflexibel und daher nicht zukunftsfähig und damit Industrie 4.0-geeignet. Dennoch steckt in einer Leiterplatte steckt viel mehr Industrie 4.0 als sich viele vorstellen.

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 über den gesamten Lebenszyklus. 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 wie das Herstelldatum und Charakteristika wie Dicke und Anzahl Layer. Selbstverständlich kann sie eineindeutig identifiziert werden – im Pulk und über relativ große Entfernungen: Reichweiten von größer 1 m sind nicht unrealistisch. Lager- Logistikprozess können daher durch eine automatisierte (Pulk-) Erfassung bereits optimiert werden.

Kommt die Leiterplatte zum MES-Dienstleister, dem Bestücker und schließlich an die SMD-Fertigungslinie, meldet sich die Leiterplatte oder das Nutzen an der Fertigungslinie an. Fertigungsmaschinen mit integrierter UHF RFID Technik machen dies möglich. Leiterplatten können erkannt werden, die gespeicherten Informationen lassen sich auslesen und bei Bedarf aktualisieren bzw. ergänzen. Wann sie 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.

Leicht realisierbar mit UHF RFID Technik

Harting20718Dies alles wird mit modernster UHF RFID Technik ermöglicht. Dank der Koaxialkabel basierten Ha-VIS Locfield-Antenne und des flexiblen UHF RFID Reader 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 Platinen-Nutzen. Dank der flexiblen und Standard-Konformen Datenverarbeitung des UHF RFID Lese-Schreibgeräts Ha-VIS RF-R350 können die Daten direkt im Reader vorverarbeitet werden.

Reader und Antenne lassen sich problemlos in Neu- und Altanlagen integrieren. Die kompakte Bauform und die hohe Schutzart IP67 erleichtert 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 Leiterplatten-Bestückers und deren Kunden mitwachsen.

Die Datenhaltung auf dem RFID-Chip der Leiterplatte folgt hierbei 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 also transparent und kann somit auch später von Dritten problemlos genutzt werden.

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 einsetzt wird, lassen sich der komplette Lebenszyklus und die komplette Fertigungskette direkt in der Leiterplatte abbilden. Auch beim Bestückungsprozess kann der Chip als SMD Bauteil auf die Leiterplatten 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 natürlich 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 bzw. sich nicht mehr einschalten lässt, können abgespeicherte Informationen wie ausgelieferte Firmwareversionen noch abgefragt werden.

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

Noch Theorie oder schon Praxis?

Harting30718Ist dies alles nun blanke Theorie oder wird dies 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 Transponder ausgerüstet. Die verwendeten Maschinen diverser Hersteller, unter anderem eine Reflowlötanlage 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.

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 RFID-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 in dem Konsortium viele. Unter anderem engagiert sich auch die TU-Dresden, um ganz neue Baugruppenentwicklungen voran zu bringen. 

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. Der Technologieführer hat bereits weitere Ideen und wird gemeinsam mit seinen Partnern an deren Umsetzung arbeiten.

Der Autor Olaf Wilmsmeier ist Business Development Manager RFID, Harting Technologiegruppe.


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