Beispiele zu Best Practice: Realisierung klein bauender ... · Schneller und professionellen Einstieg in das Internet der Dinge • Pyramid: Messsystem für Demenzpatienten • MikroAug:

EMS MADE IN GERMANY

Beispiele zu Best Practice: Realisierung klein bauender

Baugruppen

Würzburg, 2018-09-251

Matthias Geiger | Binder Elektronik GmbH Sinsheim-Waldstetten

www.binder-elektronik.de

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)



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/

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



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)



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)




▪ 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)




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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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Haben Sie Fragen?

Kontakt: Matthias GeigerTel: 06283/2235-36

Email: [email protected]: www.binder-elektronik.de

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