Leiterplatte 4.0

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

In einer Leiterplatte steckt viel mehr Industrie 4.0 als sich viele vorstellen. Harting

Der neue Prozess

Wenn auch stark vereinfacht dargestellt, ist dies der klassische Prozess, wie eine Leiterplatte entsteht. Doch ist dies nicht die Zukunft, da die Entstehung – bezogen auf den Lebenszyklus – viel zu teuer und unflexibel ist. 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 mit 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 er gar nicht auf. Der Platzbedarf ist vergleichbar mit einem 2DCode.

Von jetzt an kann bereits die Rohleiterplatte Fertigungsdaten jederzeit abrufbar abspeichern – zum Beispiel das Herstelldatum und Charakteristika wie Dicke und Anzahl Layer. Zudem ist sie eineindeutig identifizierbar – dies sogar im Pulk und über relativ große Entfernungen. Reichweiten von größer einem Meter sind dabei nicht unrealistisch. Lager-Logistikprozesse 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, die gespeicherten Informationen ausgelesen oder bei Bedarf auch aktualisiert oder ergänzt werden. Wann, auf welcher Maschine oder mit welcher Produktionszeit sind nur einige Parameter, welche abgelegt werden können. Aber auch Sonderereignisse, wie relevante Störungen innerhalb einer Fertigungsmaschine lassen sich speichern. 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.

Platzsparende Antenne für Datenkommunikation

Dies 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 daher 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 lassen sich die Daten direkt im Reader vorverarbeiten.

Reader und Antenne können problemlos in Neu- und Altanlagen integriert werden. 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 ist somit auch später von Dritten problemlos nutzbar.

Lesen Sie auf der nächsten Seite, wie sich die komplette Fertigungskette in der Leiterplatte abbilden lässt.

Komplette Fertigungskette in der Leiterplatte abbilden

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, lässt sich der komplette Lebenszyklus und die komplette Fertigungskette direkt in der Leiterplatte abbilden. Auch beim Bestückprozess kann der Chip als SMD-Bauteil auf die Leiterplatten aufgebracht werden. Die Firma Murata bietet mit dem MagicStrap entsprechende UHF RFID Chips oder Transponder an.

Dank der Koaxialkabel basierten Ha-VIS Locfield-Antenne und des flexiblen UHF-RFID-Reader Ha-VIS RF-R350 ist die Realisierung mit geringem Aufwand möglich. Harting

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

Außerdem lassen sich die Informationen auch 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, können 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 Anwendungen ermöglichen und verbessern.

UHF-RFID gestützte Leiterplattenfertigung schon umgesetzt

Ist 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-Transpondern ausgerüstet. Die verwendeten Maschinen diverser Hersteller, unter anderem eine Reflowlötanlage von 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 ASM Assembly Systems 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 Vliesstoff Kasper an. Zollner Elektronik 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 voranzubringen. Die UHF-RFID-Technik macht die Leiterplattenbranche also noch vielseitiger, die Fertigungsprozesse flexibler und sicherer. Zudem ermöglicht sie 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.

(hw)