RFID-Chips für die Fertigung »Leiterplatte 4.0«

Fertigungsabläufe komplett überwachen
Fertigungsabläufe komplett überwachen

Im Sinne des Industrie-4.0-Gedankens ist es sehr sinnvoll, wenn jede Rohleiterplatte bereits bei ihrer Herstellung ein Gedächtnis – in Gestalt eines RFID-Chips – »eingepflanzt« bekommt. Ist dies der Fall, kann sie aktiv auf alle weiteren Prozesse mit Einfluss nehmen.

Leiterplatten sind ein Kernstück von allen Elektrogeräten, sie verrichten in Autos, Robotern, Smartphones, Tablets und Co. ihren Dienst. Jede Leiterplatte muss daher zuverlässig sein und den stetig steigenden Qualitätsansprüchen gerecht werden. Trotz alledem müssen die Herstellungskosten bei steigender Komplexität des Endproduktes sinken. Die logische Konsequenz aus diesen gegenläufigen Forderungen ist, dass sich die Leiterplatte und deren Herstellung wandeln muss. Ein Lösungsansatz für diesen Wandel könnte sein, dass man die Leiterplatte so gestaltet, dass sie künftig mitdenkt!

Status Quo der herkömmlichen Fertigungsabläufe

Eine Bestellung über eine Steuerplatine wird bei einem der MES-Dienstleister (Manufacturing Execution System) in Deutschland platziert. Nach Erfassung wird der Auftrag eingeplant, die Produktion wird gestartet und alle relevanten Fertigungs- und Qualitätsdaten werden im Back-End-System (einer Datenbank) abgespeichert. Der komplette Prozess wird also zentral aus dem führenden Back-End-System gesteuert. Hinzu kommt, dass die Leiterplatte zwar bei der Fertigung eindeutig, eventuell mit einem gelaserten 2D-Code, erkannt wird, die Leiterplatte dabei aber weder Prozessparameter noch Qualitätsmerkmale »kennt«.

Dieser klassische Prozess der Leiterplattenfertigung könnte bald schon Vergangenheit sein, da diese Vorgehensweise – bezogen auf den gesamten Lebenszyklus – zu hohe Kosten verursacht und der Fertigungsprozess an sich völlig unflexibel ist. Das ist sehr bedauerlich, da in einer Leiterplatte viel mehr Industrie 4.0 steckt, als sich viele vorstellen können oder wollen!

Es ist viel sinnvoller, wenn die Rohleiterplatte bereits bei ihrer Herstellung ein Gedächtnis »eingepflanzt« bekommt. Ist dies der Fall, kann sie aktiv mit 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. Wird dieser in die Leiterplatte eingebettet, so fällt er gar nicht auf. Der Platzbedarf ist zudem vergleichbar mit einem 2D-Code. 

Von diesem Zeitpunkt an kann die Rohleiterplatte Fertigungsdaten jederzeit abrufbar abspeichern – beispielsweise das Herstelldatum und Charakteristika wie Dicke und Anzahl der Layer. Und selbstverständlich kann sie eineindeutig identifiziert werden. Dies funktioniert sogar im Pulk und über »relativ« große Entfernungen hinweg; Reichweiten von mehr als einem Meter sind nicht unrealistisch. 

Die „gläserne“ Leiterplatte

Kommt die Leiterplatte zum MES-Dienstleister und schließlich an die SMD-Fertigungslinie, so meldet sich die Leiterplatte oder das Nutzen an der Fertigungslinie an. Fertigungsmaschinen mit integrierter UHF-RFID-Technik machen dies möglich. Leiterplatten können erkannt  und die gespeicherten Informationen ausgelesen werden – bei Bedarf auch aktualisiert bzw. ergänzt werden. Wann, auf welcher Maschine, mit welcher Produktionszeit – das 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, so kann die Leiterplatte mitteilen, ob sie hier richtig ist oder ob vielleicht erst noch einen anderen Prozessschritt durchlaufen muss. Realisieren lässt sich dies mit modernster UHF-RFID-Technik: beispielsweise mit der Ha-VIS-Locfield-Antenne und dem flexiblen UHF-RFID-Reader Ha-VIS RF-R350 (Bild 1) von Harting.

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 Fertigungs-Geschwindigkeit eine Kommunikation mit mehreren Platinen auf einem Platinen-Nutzen. Darüber hinaus können dank der flexiblen Datenverarbeitung des UHF-RFID-Lese-/Schreibgeräts Ha-VIS RF-R350 alle Daten direkt im Reader vorverarbeitet werden. 

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 deren Kunden mitwachsen.

Die Datenhaltung auf dem RFID-Chip der Leiterplatte folgt bewährten ISO-Standards und dem bereits aus dem Güterverkehr im Handel her bekannten GS1-Standard. In die Datenhaltung einbezogen ist nicht nur die ID der Leiterplatte selbst; es können vielmehr auch die Prozess- und Fertigungsdaten im sogenannten User-Memory des RFID-Chips abgelegt werden. Alles liegt transparent vor und kann somit auch später von Dritten problemlos genutzt werden. 

Wahlweise eingebettet oder „on Board“ platziert

Das Einbetten des UHF-RFID-Chips direkt in die Rohleiterplatte ist sicherlich die eleganteste Lösung. Der Chip wird hier mit Hilfe eines Verfahrens der Firma Beta Layout vollautomatisiert in die Leiterplatte eingesetzt und stellt so sicher, dass sich der komplette Lebenszyklus und die komplette Fertigungskette direkt auf dem Chip in der Leiterplatte abbilden lassen. Alternativ dazu kann der Chip beim Bestückprozess 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 natürlich bei Bedarf ein ganzes Leiterplattenleben genutzt werden; so auch für Lagerlogistik-Anwendungen, nachdem eine Pulk-Erfassung mehrerer Platinen auf einmal möglich ist. Des Weiteren können Reparaturprozesse optimiert werden und selbst dann, wenn die Leiterplatte nicht mehr funktioniert, also nicht mehr eingeschaltet werden kann, können abgespeicherte Informationen wie ausgelieferte Firmware-Versionen noch abgefragt werden. 

Genauso gut lassen sich die Informationen problemlos abfragen, wenn die Platine bereits in einem Endprodukt 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.

„Grau ist alle Theorie“

Ist dies alles nun blanke Theorie oder wird dies schon umgesetzt? Für letzteres spricht die Firma Nokia, welche die Vorteile der UHF-RFID-gestützten Leiterplattenfertigung bereits in ihrer neuen modularen Industrie-4.0-Fertigungsstraße nutzt (Bild 2). Die ersten dort produzierten Produkte sind schon mit UHF-RFID-Transponder 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 Anforderungen einer Industrie-4.0-fähigen Leiterplattenfertigung. 

Gleiches gilt für die Firma ASM Assembly Systems, die RFID-Technik in ihre Maschinen integriert. Doch nicht nur Maschinen und 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 wiederum zeigt die Möglichkeiten der RFID-Technik bereits seit längerem in ihrem Technikum in Cham.

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