RFID in der Leiterplatte

Bild 1: Leiterplatte: Der Grundstein der Elektronikbranche (Quelle: ITA / Hotoprint GmbH)

ITA | Die RFID-Technologie kommt heute in vielen Bereichen der Industrie zum Einsatz. Gemeinsam mit dem KMU Hotoprint hat das ITA untersucht, wie sich RFID-Transponder in mehrlagige Leiterplatten integrieren lassen. Dank der Auto-ID-Technologie können Unternehmen wichtige Daten entlang der Lieferkette einfach abrufen und ergänzen.

Auto-ID-Objekte sind aus der Logistik nicht mehr wegzudenken. Auf den meisten Produktverpackungen finden sich heute Barcodes oder Matrixcodes. Während früher im Supermarkt jedes Produkt mit einem Preisschild ausgezeichnet wurde, sorgen heute Bar- und Matrixcodes auf Joghurtbechern & Co. dafür, dass der Mitarbeiter an der Kasse den Produktpreis und mögliche Rabatte sekundenschnell erfassen kann.

Eine weitere Auto-ID-Technologie neben Bar- und Matrixcodes ist "Radio Frequency Identification" (RFID), ein System, das auf dem Datenaustausch mit Hilfe der Funktechnik basiert. Der Einzelhandel nutzt diese Technologie, um Produkte mit RFID-Etiketten vor Diebstahl zu schützen. Passiert ein Kunde mit einem unbezahlten Produkt, das mit einem solchen Etikett ausgezeichnet ist, ein so genanntes RFID-Gate am Ausgang des Ladens, wird der Diebstahlversuch detektiert und gemeldet.

Mikrochip im Etikett

Auch zum intensiveren Datenaustausch eignen sich RFID-Anwendungen. So kann zum Beispiel das Herstellungsdatum und der Herstellungsort eines Produkts erfasst und ausgelesen werden. Dazu ist ein Mikrochip mit integriertem Speicher innerhalb des Etiketts erforderlich. Der RFID-Transponder (engl. Wortzusammensetzung aus "Transmitter" = Sender und "Responder" = Antwortender) wird so zu einer elektronischen Marke, die aus einer kleinen Antenne mit angeschlossenem Mikrochip besteht. Passive Transponder benötigen für ihre Funktion keine integrierte Energiequelle (Batterie) - sie nehmen die benötigte Energie vom elektromagnetischen Feld der Leseantenne auf. Dadurch ist es möglich, mit Hilfe eines geeigneten Schreib-/Lesegerätes Daten aus dem Mikrochip auszulesen oder diesen zu beschreiben.

RFID-Systeme arbeiten in diversen Frequenzbereichen. Durch ihre hohen Leseraten und die große Reichweite werden insbesondere die Systeme im UHF-Band (860-960 MHz) eingesetzt. Mit Kosten von zirka 10 Cent pro Transponder ist die Herstellung von passiven UHF-Transpondern zudem relativ kostengünstig. Handelsübliche UHF-Transponder bestehen aus einer gedruckten Antennenstruktur und dem Mikrochip, der auf einer dünnen Klebefolie befestigt ist. Ein besonderes Augenmerk beim Design des Transponders liegt auf den Antenneneigenschaften. Sie müssen auf die Anwendung beim Endprodukt angepasst werden.

Grundstein der Elektronikbranche: Die Leiterplatte

Die Grundkomponente eines jeden elektronischen Gerätes ist die Leiterplatte (Bild 1). Sie ist ein nichtleitfähiges Trägermaterial für leitfähige Strukturen (Schaltung), die elektrische Signale zwischen Miniaturkomponenten leiten (z. B. zwischen Widerständen und Kondensatoren). Ein typisches Beispiel ist das Motherboard in einem handelsüblichen PC. Moderne mehrlagige Leiterplatten sorgen für eine Verkleinerung der Leiterplattenmaße bei gleichbleibender Funktionsdichte und somit für ein kleineres Endprodukts. Die Prozessschritte zur Produktion von mehrlagigen Leiterplatten sind in Bild 2 dargestellt.

Die Ausrüstung von Leiterplatten mit RFID-Transpondern bietet zahlreiche Vorteile. Mit Hilfe der auf dem Transponder gespeicherten Daten kann bei der Bestückung der Leiterplatte durch den Bestückungsautomat gesteuert werden, welche Bauteile (Widerstände, Kondensatoren, etc.) an welcher Stelle bestückt werden. Dies erleichtert die Rückverfolgbarkeit aller Einzelteile und Prozesse im Fall einer Reparatur oder eines Austausches. Zusätzlich ermöglicht die individuelle Seriennummer des Transponders einen Einsatz als Plagiatschutz. Kunden können die Daten des Transponders innerhalb der Lieferkette zudem für individuelle Zwecke nutzen.

Wie kommt der RFID-Transponder in die Leitplatte?

Problematisch ist bislang die Integration der hochempfindlichen Silizium-Chips innerhalb der Leiterplatte. Hierzu müssen die zuverlässige Chip-Anbringung und Kontaktierung beachtet und ein Schutz-Mechanismus für die Chips realisiert werden. Des Weiteren ist die Leiterplatte mit einer zweckmäßigen Transponderantenne zu versehen.

Das Institut für Transport- und Automatisierungstechnik (ITA) verfügt über langjährige Erfahrung mit der Auslegung von Transponderantennen sowie dem Aufbau und der Verbindung von Mikrochips. Auf diese Weise ist die Kooperation mit dem Leiterplattenhersteller Hotoprint entstanden. Im Rahmen des Forschungsprojekts  "LayeRFID" hat das ITA mit dem KMU aus dem niedersächsischen Lamspringe zusammengearbeitet. Mit finanzieller Unterstützung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) erforschten die Projektpartner von Anfang 2010 bis Ende 2011, wie sich RFID-Transponder in mehrlagige Leiterplatten integrieren lassen.

"Chip Strap" reduziert Komplexität

Im Fall von mehrlagigen Leiterplatten wird die Antenne zusammen mit dem Rest der Schaltung auf einer Lage durch ein übliches Ätzverfahren strukturiert. Die Anbringung des Mikrochips (chip bonding) auf der Antenne, die mittels hochgenauer Maschinen erfolgt, ist normalerweise ein komplexer Prozess. Die bekannte "Chip Strap"-Technologie bietet in diesem Fall eine einfache und elegante Lösung: Der Mikrochip wird zuerst am Chipträger, einer flexiblen Folie, befestigt und weist danach vergrößerte Kontaktflächen auf, die genau auf die Anschlussflächen der Antennenstruktur passen. Der Chipträger kann somit manuell mit Hilfe eines Löt- oder Schweißverfahrens an die Antenne angebracht und kontaktiert werden.

Um den Mikrochip gegen die Presskräfte während der Platinenherstellung zu schützen, ist ein Schutzmechanismus erforderlich. Dieser wird mit Hilfe einer kleinen Aussparung in der Innenlage der Leiterplatte realisiert, die den Mikrochip aufnimmt. Die Aussparung wird mit einer isolierenden Klebepaste verfüllt. Im Laufe des Projekts erprobten das ITA und Hotoprint unterschiedliche Klebepasten und überprüften ihren Einfluss auf die Funktion der Mikrochips. Insgesamt konnte so ein funktionsfähiger Transponder in einer mehrlagigen Leiterplatte realisiert werden (Bild 3).

Zusammenarbeit treibt Markt und Forschung voran

Im Rahmen der Forschungskooperation konnte das ITA seine anwendungsnahe Forschung stärken und Einblicke in die aktuellen Fragestellungen der Wirtschaft erhalten. Im Gegenzug konnte die Firma Hotoprint auf die umfangreichen Erfahrungen des ITA im Bereich der RFID-Technik sowie die hochwertige Geräte und spezielle Software zugreifen. Durch umfangreiche Simulationsmodelle und Messungen konnten die Systemeigenschaften bestimmt und optimiert sowie die Chipverbindung auf ihre Zuverlässigkeit hin überprüft werden. Durch die in Zusammenarbeit von Universität und KMU können so neue Märkte erschlossen und zuverlässige, innovative Produkte entwickelt werden - eine Win-Win-Situation für alle Beteiligten!

www.rfid-leiterplatten.de

www.hotoprint.de

von Dr. Antonios Bouzakis

Bildergalerie zu diesem Artikel

  • Bild 1: Leiterplatte: Der Grundstein der Elektronikbranche (Quelle: ITA / Hotoprint GmbH)
  • Bild 2: Fertigung von mehrlagigen Leiterplatten mit integriertem RFID-Transponder (Quelle: ITA / Hotoprint GmbH)
  • Bild 3: Leiterplatte mit integriertem RFID-Chip (Quelle: ITA / Hotoprint GmbH)
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