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EMS MADE IN GERMANY
Beispiele zu Best Practice: Realisierung klein bauender
Baugruppen
Würzburg, 2018-09-251
Matthias Geiger | Binder Elektronik GmbH Sinsheim-Waldstetten
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M. GeigerBeispiele zu Best Practice: Realisierung klein bauender Baugruppen
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Agenda
▪ Firmenvorstellung
▪ Motivation
▪ Integrationsansätze aus Sicht eines EMS-KMU
▪ Miniaturisierung / Systemdesign / Realisierung
▪ Anforderungen an die Produktion / Fertigung
▪ Beispiele
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• Gegründet 1971 in Sinsheim
• ca. 35 Mitarbeiter
• ca. 40 Kunden aus Industrie (MSR),
Medizin, Embedded und Forschung
• Mitarbeit in bmb+f geförderten
Forschungsverbundprojekten
• Zertifizierungen nach:
• ISO 9001:2008
• ISO 13485:2010
• Aktive Mitarbeit in Netzwerken
und Verbänden
Firmenprofil
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Motivation
Quelle: https://pixabay.com/
▪ Einsparen von Bauraum und Volumen
▪ Gewichtsreduzierung
▪ Energiebedarfssenkung, -optimierung
▪ Zusätzliche Funktionalität (bei ähnlicher Größe)
▪ Steigerung der elektronische Performance
▪ Integration von zusätzlichen Funktionsblöcken (z. B.: Energieversorgung)
▪ Nutzung von mechanischen Komponenten (z. B. gedruckte Antenne auf Gehäuse, MID)
IoT
3D-Magnetfeldmodul - MST-SmartSense 16SC3672 (3D-Entwurf, realer Aufbau)
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Integrationsansätze (1)▪ Einsatz miniaturisierte Bauformen
▪ Verwendung von Advanced Packages▪ LGA,QFN, FP-BGA, CSP
▪ COB, FC▪ Direktmontage von Halbleitern
Flip- Chip (Bump, Seitenansicht, assembliert)COB (montiert, X-Ray)
LGA (7x7mm / 24 IOs) CSP (WLCSP, X-Ray)OC-BGA (17x17mm / 208 IOs)
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Integrationsansätze (2)▪ Voranschreitende Integration/Miniaturisierung
▪ immer mehr Funktionalität in einem Bauteil
▪ Höhere Rechenleistung, mehr Speicher bei µC
▪ Integration von unterschiedlichen Halbleitertechnologien odermehreren Halbleitern → MCU + RF, Sensorik
▪ Mehrere Funktionen in einem Package▪ Zusätzliche Sensorfunktionen bei gleichen Packagegrößen
▪ Inertialsensorik: 3 DoF → 6 DoF → 9 DoF
▪ Environmental Sensors: Temperatur → Druck → Feuchte → Gas
▪ Datenaufbreitungs- und -fusionsalgorithmen
Sensor Portfolio Bosch Sensortec MEMS-Sensorik (MST-SmartSense, 16SV3672)
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Integrationsansätze (3)▪ SiP
▪ Integration von Komponenten mit Standard-SMD-Prozessen und Packaging-Prozessen
Data logger module (20x20x10 mm3) withIEEE802.15.4 (ZigBee) radio communication
SoP/SiP data logger module
with BGA pins (20x20 mm2)
Falttechnik, Stackingtechnik(VerSiPlektor, 02PG2233)
▪ Embedding▪ Verlagerung von Komponenten
in die Leiterplatte
▪ Vertikale Integration (Z-Achse)
▪ Nutzung der 3. Dimension
Embedded Chip
embeddedComponents
gedruckterWiderstand
gedruckterWiderstand embedded
Capacitor
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Systemdesign (1)▪ Schaltungseingabe und -simulation
▪ Bauteile- / Bibliotheken- / Variantenverwaltung
▪ 3D ECAD Unterstützung ▪ Kollisionskontrolle
▪ Editierung im 3D Mode
▪ Flex- und Embedding-Unterstützung
▪ Schnittstellen zu MCAD (STEP), EMV-, thermischer Simulation, …
▪ PI-, HF- und High-Speed-Tools
▪ COB/FC - Toolkit
PCB-Ausschnitt: Differenzielle Paare
PCB-Ausschnitt: RF-Modul
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Systemdesign (2)▪ Anforderungen an das PCB▪ Komplexität / Lagenanzahl nimmt zu
▪ Line / Spaces (> 75 … 100µm)
▪ Via-in-Pad, plugging
▪ Blind-Vias / gestackte Vias / Buried-Vias
▪ Toleranzen und Lagen-, Lötstoppversatz
▪ LS-Öffnungen < 50µm umlaufend
▪ PI-, HF-, High-Speed und SI- Strukturen
▪ Flex-Bereiche / Kavitäten
PCB-Ausschnitt: High-Speed-Leitungen, Differenzielle Paare
HDI PCB Technologien(Quelle:Mentor Graphics)
3D-Ansicht starr-flexible-PCB für ein elektr. Armband(1ri, 2f, 1ri, Line/Spaces: 125 µm)
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Produktion/Fertigung▪ Verarbeitung von kleinsten Bauelementen
▪ Handling kleiner und flexibler Baugruppen
▪ Optimierte Bestück- und Lötprozesse
▪ Integration nicht SMD-kompatibler Prozesse (COB, FC)
▪ Kontrolle von verdeckten Kontakten (X-Ray, US)
▪ Nacharbeit schwierig bis unmöglich
Grabsteineffekt bei 0201
Interposer panel with OpenCavity PBGAs (single part: 17x17 mm2)
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Anwendungsbeispiele
• ATV-Testboard: Demo-Board für Advanced-Packages
• SmartSense: Multichipmodul
• MOVEAS: Seniorengerechte Smartwatch
• Ohrbiofeedback: Stressmonitoring
• AMELI4.0: MEMS Elektroniksystem zur Zustandsüberwachung für Industrie 4.0
• IoT-Kit: Schneller und professionellen Einstieg in das Internet der Dinge
• Pyramid: Messsystem für Demenzpatienten
• MikroAug: Aktives Implantatsystem zur Regulierung des Augendruckes
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AVT-Testboard ▪ Zur Qualifikation und
Erprobung von Baugruppenund Prozessen für Advanced-Packages
▪ Flip-Chip, COB, Stacked
http://electronicdesign.com
01005 … 0805
QuerschliffFlip-Chip
PoP
COB
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Multichipmodul
Projektdemonstrator ungemolded
Aufbautechniken zur heterogenen
Systemintegration für kleinbauende,
intelligente MST-Sensormodule
(SmartSense)
DIE-Stacking, Wirebonding
Demonstratorgemolded und vereinzelt
Jumperchip 2
Jumperchip 1
BS-MEMS
BS-ASIC
µC-FC
BT-
Sub
stra
t 0
,2m
m
Flip-Chip
Bestückung
Underfill
DIE-Stacking
Molden
Drahtbonden
Vereinzeln
Ball-Attach
Flip-Chip-Bestückung
Röntgenanlyse(6x6x1 mm2)
PCB-Design (ML-4)
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Seniorengerechte Smartwatch (bmbf-Projektname: SenioMobil Förderkennzeichen: 16SV5691)
▪ Unterstützung der Mobilität älterer Menschen im urbanen Raum
▪ Mobilitätsassistent in Form einer Armbanduhr
▪ Nutzung des Armbands zur Akkuintegration
Elektronikbaugruppe mit Display
3D-Modell
Gebogene Akkuszur Armbandintegration
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Seniorengerechte Smartwatch
Layer-Stackup
PCB-Unterseite und Baueilekomplexität
▪ Elektronik über alles, ohne Akkus: 59,2 x 32,4 mm x 9,75mm
▪ 8-lagen starr-flex-HDI-Multilayer (beidseitig SMD bestückt)
▪ Impedanzdefinierte Leitungen (50 Ohm) für Antennen
▪ Line/Spaces 100/100µm
▪ 2x Blind- und 1x Buried-Vias
▪ Leiterplattendicke 0,95mm
(bmbf-Projektname: SenioMobil Förderkennzeichen: 16SV5691)
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Ohr-BioFeedback (Förderkennzeichen: VP301050KJ2)
▪ Monitoring und die Behandlung stressbedingter vegetativer Dysfunktionen.
▪ Elektronik: ca. 56x16x6,8mm
▪ 6-lagen HDI-Multilayer (beidseitig SMD bestückt)
▪ Line/Spaces 150/125µm
▪ 2x Blind- und 1x Buried-Vias
▪ Plugged Via-in-Pad
▪ Kleinste BF: 0201, WLCSPs
▪ Leiterplattendicke 1,0mm
▪ Analoge Eingangsschaltung
▪ Digitale Signalverarbeitung
▪ Spannungsversorgung
▪ Akku-Ladeschaltung
▪ Bluetooth-SchnittstelleHinterohrelektronik mit Otoplastik / Elektronik im Gehäuse
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▪ Mikro-elektro-mechanisches Elektroniksystemzur Zustandsüberwachung in der Industrie 4.0)
• Früherkennung von Werkzeug- und Maschinenschäden und der Optimierung von Wartungsintervallen und Produktionsprozessen
• Sensorik zur Messung von Körperschall, Maschinenvibration und -geräuschen
• Schlüsseltechnologien: • Modulares Hardware- und Plattformdesign
• Hohe Systemrobustheit (hoher Daten- und Systemsicherheit)
• Energieautarker Betrieb
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EVAL-System
2,4GHz-RF-Module
(BLE, 6LoWPAN)
AMELI4.0 Demonstrator V1 (110x116mm)
External sensorsconnectors
AMELI4.0 - MCU-Shield
Optional sensorexpansion module AMELI4.0
Sensor-EVAL-Shield
Internal sensors
▪ 3-axis Accelerometer (a)
▪ 9DoF (a, ω, B)
▪ Environment (T, P, H, VOC)
▪ Distance (< 200mm)
▪ Light (ALS)
▪ Mikrofon (analog)
▪ Structure Borne Sound (SBS)
NFC
▪ Security Controller with AdvancedHardware Cryptographic Algorithm(ECC256)
▪ ULP-Echtzeituhr (RTC)▪ Strommessverstärker
Additional Features
▪ ULP-MCU ARM Cortex-M4F (QFP)▪ Interfaces: CAN, RS485, USB-OTG▪ Externes FLASH, FRAM (SPI) ▪ Micro-SD-Karte (Massenspeicher)
▪ Power Supply, (USB, Harvesting)▪ 24V-I/Os u24VDC-Power Supply (PLC)
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Prozess Monitoring Sensor▪ Herausforderungen bei der Umsetzung / PCB-Design:
▪ Miniaturisierung, Placement
▪ Anbindung der Sensorik ans Gehäuse
▪ Layerstack (hohe Steifigkeit des PCB nötig → FR4, 6-lagig, 2mm Dicke)
▪ Entflechtung/Routing MCU (UFBGA132 - 7x7 mm, Pitch 0,5mm)
▪ Reuse von Schaltungsblöcken aus Prozess-Monitoring-Sensor-Design
▪ RF-Frontend für 2,4 GHz mit PCB-Antenne und NFC-Interface
▪ Blind- undBuried-Vias
▪ ESD- / EMV-Schutz
Layerstack AMELI4.0 - Sensor
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AMELI4.0 Prozess-Monitoring-Sensor▪ Sensor-Anbindung
▪ Gleiche Orientierung aller Sensorachsen▪ SBSS und Temperatur an Gehäuseboden
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IoT-Kit: USB-Sensorstick• Plug&Play fähig, dank vorinstallierter Firmware
• Datenübertragung über dem BLE-Standard konformes 2,4Ghz-RF-Protokoll als BLE-Beacon*
• Modular einsetzbar• Austauschbare Sensormodule (löt- oder steckbar)
• Elektron. Datenblatt (EDS) → Out-of-the-Box Betrieb
• Herstellerunabhängige Sensorik implementierbar
• ULP-MCU (ARM-Cortex-M0) mit Crypto-Engine
• bis zu 16Mbit Messdatenspeicher
• RTCC (optional)
• USB/UART-Schnittstelle
* https://developer.mbed.org/blog/entry/BLE-Beacons-URIBeacon-AltBeacons-iBeacon/
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IoT-Kit: USB-Sensorstick3D-USB-Sensorstick (55,25 x 18,0 mm)
USB-Sensorstick mit/ohne Gehäuse
Sensormodule (18 x 15,5 mm) – kombinierte Löt-/Steckkontakte
EDS
EDS
EDS
Level Shifter
Level Shifter
LDO
LDO
LDO
CurSensCurSens
Pulse Oximeter and Heart-Rate Sensor
MEMS Metal-OxideGas Sensor for VOCs
analogue MEMS-Mikrofone
Amplifier with AGC and Low-Noise Bias
CurSens
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Messsystem für die individuelle Therapieund Betreuung von Demenzpatienten
▪ Herausforderungen: System Design, RF-Area, Accu, Acustic Port, Charging Pins
▪ Starr-flex Aufbau mit Capacitive-Touch und HR-Sensor
▪ Kleinste BF: 0201 (0603M), QFN (P 0,45mm)
▪ Layerstack starr-flex, 6-lagig
▪ Blind- und Buried-ViasRF-MCU-ModulQFN (8x8x1mm3)
9DoFLGA24 (3.5X3.0mm)
Capacitive TouchDFN8 (2x2x0.75mm)
Digital microphone(3,0x4,0x1,0 mm)
Optical HR-Sensor LGA14 (5.6x3.3x1.55mm)
USB-TranceiverSON12 (3x3mm, Pitch 0.45mm)
3D-Entwurf – Projektdemonstrator (Top)
RGB-LED (1616)
FLASH
3D-Entwurf – Projektdemonstrator (Bottom)
LiPo-Akku, 3.7V@80mAh(10x24x5.5mm)
Interface Pin Block (Charging and Data)
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Aktives, mikrosystemtechnisches Implantat-system zur Regulierung des Augendruckes
▪ Vom Laboraufbau zum Demonstrator in Implantatgröße
RF-Modul „Zarlink“ (34x14mm)
MikroAug
Systemkonzept
Laboraufbau
EVAL-Board „Interne Elektronik“
(90x64mm)
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Aktives, mikrosystemtechnisches Implantat-system zur Regulierung des Augendruckes
▪ Herausforderungen: extreme Minaturisierung, HV-Treiber für Mikropumpe
▪ Kleinste BF: 0201 (0603M), WLCSP (P 0,371mm)
▪ Layerstack starr, 6-lagig, Line/spaces: 75µm
▪ Blind-, Stacked- und Buried-Vias, Via-in-Pad
Infineon Technologies AG, LS Laser Systems Gesellschaft mbH, Binder-Elektronik GmbH, Venneos GmbH, Fraunhofer EMFT
MikroAug
Zwei Versionen der internen Elektronik (10,0x18,35mm)72 Bauteile, 59 Netze, 297 Pads, 259 Vias
Layerstack der internen Elektronik
HV-Treiber für Mikropumpe(150V/-50V, 10,5x10,5mm)
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Aktives, mikrosystemtechnisches Implantat-system zur Regulierung des Augendruckes
Infineon Technologies AG, LS Laser Systems Gesellschaft mbH, Binder-Elektronik GmbH, Venneos GmbH, Fraunhofer EMFT
MikroAug
Externe Lade- und Kommunikationselektronik
Gesamtsystem „MIKROAUG“Implantierbare Elektronikeinheit
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