Realisierung hochminiaturisierter robuster Funksensorknoten mittels Komponenteneinbettung in die Leiterplatte

Abstract:
Die fortschreitende Miniaturisierung und die damit einhergehende steigende funktionale Dichte elektronischer Module ermöglicht die Erschließung neuer und zunehmend komplexerer Anwendungsgebiete. Ein Beispiel sind Sensorikanwendungen im Rahmen der Industrie 4.0, wo immer kleinere Sensormodule gefordert werden, um den Einsatz in unterschiedlichsten Umgebungen zu gewährleisten. In diesem Umfeld zielen fortschrittliche Leiterplattentechnologien auf die flexible Herstellung von hochintegrierten Multi-Komponenten Packages. Im Projekt „PCB4.0“ wurde ein Sensormodul entwickelt und mittels der Leiterplatten-Embedding-Technologie realisiert. Das Modul hat Abmessungen von 11 x 10 x 1,6 mm3, ist energieautark (d.h. ausgestattet mit einer Batterie) und nimmt Umweltdaten auf, die es per Funk in eine Daten-Cloud übermittelt. Sämtliche SMD-Komponenten wurden in die Leiterplatte integriert (d.h. keine zusätzliche Oberflächenmontage) um das Modul so robust und klein wie möglich zu gestalten. Eine der Herausforderungen dabei war die Entwicklung einer möglichst kleinen integrierten Helix-Antenne. Zur Energieversorgung dient eine austauschbare Knopfzelle, für die eine Kavität im Sensormodul vorzuhalten ist. Der Sensor zur Erfassung der Umgebungsdaten benötigt eine Medienöffnung, die erst zum Ende der Leiterplattenfertigung eingebracht werden kann. Die Packungsdichte der SMD-Komponenten im aufgebauten Modul ist sehr hoch, daher ist eine ausreichende Verkapselung der Komponenten mit Epoxidharz beim Embedding kritisch. Zur Bestimmung des optimalen Prepreg- Stapels (glasfasergefüllte Harzmatten) wurden daher Untersuchungen zur Harzverfüllung, sowie zur Haftfestigkeit der Grenzflächen zwischen Harz und den Oberflächen verschiedener SMD-Komponenten durchgeführt. Eine Verbesserung der Haftfestigkeit konnte mit Oberflächenbehandlungen (nasschem. Reinigung, Plasma, Laseraufrauhung) erzielt und damit die Robustheit des Moduls erhöht werden.