Neuer Altium Designer

Altium Designer Release 15: Neue starke Funktionen für die gestiegenen Highspeed-Anforderungen – auch im 10-GHz-Bereich

Altium hat über die letzten Jahre die Funktionalität des Altium Designers so massiv ausgebaut, dass bei GED neben dem „Mentor Graphics Design flow“ die zweite CAD-Schiene mit Altium Designer deutlich erweitert wurde. Jetzt hat Altium im Highspeed-Bereich mit wichtigen Features nachgezogen.


GED_Altium 15_1Hatten DDR2-Speicher im Jahr 2010 auf dem I/O-Bus noch Taktraten von 1 Gbit/sek, so steigen aktuell bei den DDR4-RAMs die maximalen Dataraten sogar bis 7 Gbit/sek. Damit die Speicher störungsfrei arbeiten sind entsprechende Techniken erforderlich – und auch Designtechniken auf der Leiterplatte. Das Bild zeigt die stark angestiegenen Datenraten der letzten Jahre im Speicherbereich.

XSIGNALS: Verbindungsdesign für Speicher

Unter dem Begriff „XSIGNALS“ bietet der Altium Designer jetzt Funktionen für das Routing von „T-Junctions“ oder „fly-by-net Topologien“, wie sie für das Routing von dynamischen Speichern, wie z. B. DDR2- oder DDR3-RAMs, benötigt werden. Wenn mehrere Speicherbausteine zu verbinden sind, wird es immer aufwendiger, die nach JEDEC vorgegebenen Verbindungstopologien auf der Leiterplatte umzusetzen. Altium bietet jetzt mit XSIGNALS die Möglichkeit, Leitungen in Netzgruppen zusammenzufassen und sie dann in Netzklassen mit Vorgabewerten zu belegen wie der maximalen Länge zwischen den Pins.

Neue Speichergenerationen stellen neue Anforderungen an das Highspeed-Design

Neue Generationen von Speichern wie DDR4 stellen wiederum erweiterte Anforderungen an das Highspeed-Design. Das Längenmatching der Leiterbahnen erfordert noch kleinere Toleranzen, damit die Schaltungen sicher funktionieren. Beim Einsatz eines Xilinx KINTEX 7-FPGA mit DDR3-Speichern beispielsweise beträgt der maximale Delay zwischen den Adress- und Controlsignalen und dem differentiellen Clockleitungspaar 25 Picosekunden. Der maximale Delay zwischen den DQ-Leitungen und den differentiell geführten DQ/DQS# innerhalb einer Lane darf 5 Picosekunden nicht überschreiten. Das bedeutet: Der maximale Längenunterschied innerhalb einer Bytelane mit den Signalen DQ, DM und DQS muss weniger als 1 mm betragen.

Constraining mit Komfort

GED_Altium 15_2Mit der ALTIUM Version 15 stehen komfortable Funktionen für die Festlegung der Verbindungsregeln (Constraining) zur Verfügung. Das Bild zeigt einen Ausschnitt der Leiterführung zwischen µController und den Speichern. Gut zu erkennen ist der typische „meanderförmige Längenausgleich“ der Leiterbahnen auf zwei eingeblendeten Lagen. Der Längenausgleich ist erforderlich, um unterschiedliche Signallaufzeiten auszugleichen.

Durchkontaktierungen zählen zur Leiterlänge

Bei den Toleranzen der maximalen Leitungslängen und dem Längenmatching von maximal 1 mm spielt auch die Leiterlänge über die Durchkontaktierungen eine Rolle: Ein Lagenwechsel von der Top- zur Bottomseite ergibt bei einer Leiterplatte mit einer Standarddicke von 1,5 mm bereits einen Längenwert, der über der erlaubten Toleranz liegt! Dieses Manko wurde von Altium erkannt, die Durchkontaktierung wird jetzt präzise berechnet: Dabei wird die tatsächliche Länge der Leitung über die Vias, auch über Blinde- oder Sacklöcher der Innenlagen, berücksichtigt.

GED_Altium 15_3Das Bild zeigt den berechneten Weg über die Sacklöcher und einen Teil der durchgehenden Bohrungen mit der roten Linie in 3D-Darstellung.

Erst Constraining, dann Routing

Das Signal-Constraining, also die Eingabe der Verbindungsregeln, muss vor dem Routing vorgenommen werden. Dazu sind die Bauteile-Datenblätter auf die elektrischen Parameter hin zu betrachten und die Vorgaben für die Anordnung und Verlegung der Leiterbahnen entsprechend zu planen. Bereits zu diesem frühen Zeitpunkt ist zu prüfen, welche Leiterplattentechnologie überhaupt eingesetzt werden kann: Ansonsten lassen sich die Vorgaben im Layout gar nicht umsetzten. Im ungünstigsten Fall lässt sich das Layout nicht routen. Die Einstellungen erfolgen im „Rules Editor“.

Power-Konzept: Planung der Versorgungssysteme

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Planung des Versorgungssystems. Speicher, Microcontroller und FPGAS benötigen oft gleich mehrere, unterschiedliche Spannungen. Die Versorgung der Bauteile muss durch eine niederimpedante Anbindung erfolgen, für die eine möglichst homogene Powerlage benötigt wird. Zu schmale Versorgungsleitungen oder Einengungen durch viele Vias in den Versorgungsflächen führen zu Störungen. Ursprünglich hatte Altium ein Überprüfungstool für die „Power-Integrity-Analyse“ geplant, leider ist dieses nicht mit in dem Release erschienen. Bleibt zu hoffen, dass Altium es im nächsten Release bringen wird.

Advanced Layer Stack Manager

GED_Altium 15_4Mit dem „Multiple Layer Stack“ können die Lagenaufbauten für Sondertechnologien wie Flexible Leiterplatten oder auch Embedded Components definiert werden. Für die Highspeed-Anforderungen werden immer komplexere Lagenaufbauten erforderlich. Oft sind sogar mehrere unterschiedliche Leitungsimpedanzen auf einer Leiterplatte erforderlich, z. B. 60 Ohm Single ended und 100 Ohm differentielle Impedanz. Altium Designer bietet hier ein gutes Tool, mit dem die Planung und Dokumentation des Lagenaufbaus optimal durchgeführt werden kann. Das hilft dem Designer, die Verbindungen zu planen. Gleichzeitig dienen die Informationen dem Tool dazu, die Leitungslängen beim Lagenwechsel über die Z-Achse zu berechnen.

Highspeed-Design: Die Herausforderung an die Signalintegrität

Für die Signalübertragung der „Highspeed-Signale“, also Signale mit Anforderungen an eine schnelle Signalübertragung, gelten die gleichen Bedingungen wie zuvor bei den Speichern beschrieben. Hinzu kommen jedoch Designtechniken wie z. B. bei der LVDS-Technik, die mit einem Hin- und Rückleiter arbeitet. Dazu müssen die Leitungen parallel geführt werden und die gleiche Gesamtlänge aufweisen.

Die elektrischen Parameter, die für eine optimale Signalintegrität zu berücksichtigen sind, lauten:

  • Timing = Kommt das Signal zur richtigen Zeit an? (Die Signalausbreitung (Laufzeit) auf der Leiterplatte beträgt ca. 140 Pikosekunden/25mm.)
  • Signalintegrität = Wie sieht das Signal aus, wenn es ankommt?
  • Noise = Störungen der Versorgungsspannung

Die im Bauteile-Datenblatt geforderten Impedanzen erfordern eine Kalkulation der Wellenwiderstände. Die Berechnung ist für jede Lage oder jedes Lagenpaar vorzunehmen, wenn die impedanzdefinierten Leitungen auf mehreren Lagen geführt werden. In die Berechnung fließen u. a. ein: die Leiterbreite, Leiterdicke sowie die Dicke und das ɛr des Dielektrikums. Hier bietet die Altium Version 15 ebenfalls Verbesserungen, wie z. B. beim „Tuning“ der Leitungen oder Leitungspaare. Pinpairs, Lengthtuning und Matching sind die Werkzeuge, die der Designer für solche Highspeed-Design benötigt. Das erspart aufwendige Handarbeit.

GED offizieller Betasite-Tester des neuen Altium Release

Neben den Highspeed-Funktionalitäten wurden in der Version 15 weitere neue Funktionen und Verbesserungen implementiert, darunter der IPC-2581-Standard und der Gerber-X2-Support für die Datenausgaben. GED war offiziell als Betasite-Tester bei den Vorprüfungen der endgültigen Altium Designer-Lizenz beteiligt und hatte so bereits frühzeitig Einblick in die neue Version. GED bietet den Premium-Layoutservice auf Altium Designer an, auch inklusive einer Highspeed-Simulation.

Highspeed-Simulation: Signal-Laufzeitberechnung ab 5 Gbit/sek

Ab Übertragungsraten im Bereich von 5 Gbit ist eine längenorientierte Betrachtung nicht mehr ausreichend genau genug. Dann muss die echte Signal-Laufzeitberechnung vorgenommen werden, wozu GED den leistungsfähigen SI-Simulator Hyperlynx einsetzt. Damit werden dann auch die Länge der Bonddrähte im Bauteil oder auch die Unterschiede der Lagen in der Leiterplatte mit in die Berechnung aufgenommen. Im Kintex-Datenblatt ist beim FB676-Gehäuse für die interne Verbindung zwischen Chip und Gehäuse ein möglicher Unterschied von 165 Pikosekunden ausgewiesen, das entspricht auf der Leiterplatte eine Leiterlänge von 20 mm. Das bedeutet, dass man für Highspeed-Elektronik der neuen Generation kaum noch ohne SI-Simulation auskommen wird.

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A Day Made of Glass

„A Day Made Of Glass“:
Die faszinierende Zukunft der Elektronik beginnt heute

Denken wir einmal zehn Jahre zurück – hätten wir gedacht, dass die „Electronic Fiction“ von damals heute schon längst Teil unseres Alltags geworden ist? Sensorgestützte Assistenzsysteme im Auto wie abstandgesteuerter Tempomat, Spurhalteassistent oder Tot-Winkel-Warner, Fernsehen, Navigation, ja unsere ganze digitale Kommunikation im Handy versammelt – und viele andere Innovationen mehr! Das Gleiche gilt für das, was zurzeit noch ferne Zukunft scheint: Woran wir alle in der Elektronik heute arbeiten, wird in den kommenden Jahren als Serienprodukt überall zu kaufen sein.


Made_of_Glass: Ein Blick in die ZukunftDer Zukunfts-Videoclip „A Day made of glass“ demonstriert auf spektakuläre Weise und zugleich sehr anschaulich, was demnächst möglich sein kann. Wir von GED fanden den Clip so gelungen, dass wir Ihnen diesen ebenfalls zeigen möchten.

Wir meinen: ein Filmbeitrag, den man sich über die Feiertage einmal gut anschauen kann!
Entwicklung von Elektronik, Mechatronik und Software – das alles sind Aufgaben, an denen Sie und wir täglich arbeiten. Wir freuen uns auf die tollen Zukunftsprodukte, die wir im kommenden Jahr gemeinsamen mit Ihnen zusammen entwickeln werden!

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Grundlagen der Steckerauswahl

Grundlagen zur Auswahl geeigneter Stecker für zuverlässige Elektronikprodukte

Steckverbindungen werden als lösbare Verbindung von Leiterplatten eingesetzt, sie stellen Verbindungen zu Sensoren her oder zur Peripherie wie Tastaturen, Display etc. Die Auswahl des geeigneten Steckverbindersystems ist entscheidend für die Zuverlässigkeit und oft auch für die Kosten des gesamten Gerätes. Gerade in Einsatzumgebungen mit besonders harten Anforderungen wie Automotive (Klima, Vibration) oder mit erhöhten Sicherheitsanforderungen wie in der Medizintechnik oder der Luftfahrt spielt die Steckverbindung darüber hinaus eine entscheidende Rolle für die Gerätesicherheit.


Bei der Auswahl des Stecksystems ist Sorgfalt und Erfahrung gefragt. Oft wird „irgendein“ Stecker ausgewählt, ohne dabei die realen Einsatzbedingungen zu berücksichtigen. Oder der Einsatzbereich wird im Nachhinein ausgeweitet, ohne die Eignung der entscheidenden Komponenten zu prüfen. Dabei beeinflusst das Steckersystem häufig maßgeblich sowohl die Zuverlässigkeit als auch den Gerätepreis. Deshalb sind bei der Festlegung Informationen über das Einsatzgebiet erforderlich und für den Entwickler ist es hilfreich, wenn er dafür Erfahrung im Bereich der AVT (Aufbau- und Verbindungstechnik) hat.

Aspekte der Steckerauswahl

Mehrere Aspekte sind bei der Auswahl wichtig, darunter:

  • Norm-Anforderungen oder Standards wie DIN 41612 oder IP-Schutzklassen
  • Umgebungsbedingungen wie Verschmutzung, Klima, Temperatur
  • Mechanische Einwirkungen wie Vibration und Schock
  • Elektrische Anforderungen an Kontakt wie Spannung, Strom, Hochfrequenz, Highspeed, Audiosignale etc.
  • Anzahl der Steckzyklen
  • Montage und Löten auf der Leiterplatte, PTH, SMD, Pressfit
  • Anschluss der Steckergegenseite
  • Preis (für Stecker und Montage)

Gehen die Anforderungen über die Standard-Industrieanwendung wie z. B. in einem stationären Einbau im Schaltschrank hinaus, ist der Entwickler gefordert, die geeignete und zuverlässige Verbindungslösung auszuwählen.

Beispiel D-SUB-Stecker

Am Beispiel eines weitverbreiteten, sogenannten D-SUB Steckers lassen sich sehr gut die möglichen Ausführungen aufzeigen.

16-poligen D-SUB Buchsenstecker 90 Grad gewinkelt, zum Einlöten für PTH

  • Lowcost Chinaware, Kontakte gestanzt, Zinn – bis 30 Steckzyklen 0,97 Euro
  • Lowcost Katalogware – bis 50 Steckzyklen: 2,97 Euro
  • Katalogware, Kontakte vergoldet – bis 100 Steckzyklen: 9,97 Euro
  • Für LKW oder Luftfahrt, gedrehte Kontakte, > 100 Zyklen, -40 bis +110 °C: 28,00 Euro

Stecker, die im Bereich der Industrieelektronik Einsatz finden, werden oft nach den IP-Schutzklassen (International Protection Codes) klassifiziert. Dabei kennzeichnet die erste Kennziffer den Schutz gegen feste Fremdkörper, die Kennziffer 2x 3x, x4 gegen allseitiges Wasser und x5 Strahlwasser. Die Klasse IP 69k wurde jetzt auch in die Norm DIN EN 60529 aufgenommen und stellt die höchste Schutzklasse dar: gegen Strahlwasser, wie es etwa mit einem Hochdruckreiniger erzeugt wird..

Kostenrelevanz eines Steckers

GED_Steckerauswahl1Ein anders Beispiel zeigt die Kostenrelevanz des Steckers als teuerstem Bauteil bei der Auswahl eines zweipoligen Steckers mit Automotive-ähnlichen Anforderungen nach IP 67. Die Elektronik kostet in der Herstellung insgesamt cirka 15 Euro. Der zweipolige Stecker, den der Kunde vorgesehen hatte, sprengte mit 5 Euro/Stück den Kostenrahmen der Serie von > 20.000 Stück. GED konnte hier einen deutlich günstigeren Stecker auswählen: Er war mit 2,40 Euro um die Hälfte günstiger, erfüllte die technischen Anforderungen – blieb damit klar im Kostenrahmen.

Stecker und ihre Rolle für die Betriebssicherheit

Wie weit Stecker die gesamte Bertriebssicherheit einer Anlage beeinflussen können, zeigt folgendes Beispiel. Bei einem Projekt aus dem Jahr 2001 überarbeitete GED komplett die Geräte eines Radarsystems aus den 1970er Jahren: Die Backplane und die Stecker verzeichneten zu diesem Zeitpunkt massive Ausfälle. Die Stecker mit Gabelkontakten wurden gegen Stecker durch gedrehte Kontakte ersetzt und die Wire-wrap-Verdrahtung ersetzte GED durch eine neue Multilayer-Leiterplatte. Die Bilder sprechen für sich – und die Anlagen laufen nunmehr seit über 13 Jahren störungsfrei.

GED_Steckerauswahl2GED_Steckerauswahl3

Bilder: Alt (links) gegen neu (rechts). Aufgabenstellung für GED:  Fehleranalyse, Konzept zur Behebung und zum Umbau der Anlagen, Herstellung neuer Stecker, Leiterplattendesign, Fertigung inkl. Umbau und Test

Funktion und Aufbau der Steckverbindung

Steckverbindungen bestehen im Allgemeinen aus einem Stiftkontakt (männlich) und einem Buchsenkontakt (weiblich). Darüber hinaus gibt es auch sogenannte „hermaphroditische“ Stecker, bei denen die Kontakte so konstruiert sind, dass sie ineinandergreifen, so dass auf jeder Seite der gleiche Stecker verwendet werden kann.

Bei den männlichen Steckern gibt es flache, quadratische und rundförmige Kontaktstifte. Der Buchsenkontakt besteht bei einfachen Kontaktsystemen aus einem Gabelkontakt, der aus einem flachen Blech gestanzt wird. Dabei ist der Bereich der Kontaktierung nur eingeschränkt flexibel und der Federweg deshalb sehr klein. Doppel- oder Dreifachfederkontakte bestehen aus gestanztem und gefaltetem Blech. Präzisionskontakte mit Feder werden mit mehreren Kontaktlamellen ausgestattet. Dadurch lassen sich sehr geringe Kontaktwiderstände erreichen und eine hohe Zuverlässigkeit der Kontaktverbindung. Darüber hinaus gibt es runde, gedrehte Präzisionskontakte, die auch aus IC-Sockeln bekannt sind; sie bieten eine hohe Kontaktgüte.

Mechanische Ausführung der Stecker und Oberflächenausführung der Steckzonen

Die Oberflächenausführung der Steckzonen spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle für die Höhe von Kontaktgüte und Sicherheit. Auf der Leiterplatte werden Stecker entweder eingelötet oder eingepresst (Pressfit). Beim Löten unterscheidet man zwischen bedrahtet (PTH) und SMD-Steckern. Die Gegenstecker können auch einen Aderanschluss in verschiedenen Ausführungsarten haben wie Crimpen oder Löten. Bei Steckverbindungen, die zum Beispiel mechanischen schwierigen Bedingungen wie Vibration unterliegen, ist eine Verrieglung der Steckverbindung sinnvoll; das kann beispielsweise durch eine Lasche erreicht werden. Bei Rundsteckern wird dazu oft auch ein Gewinde oder eine Überwurfmutter verwendet.

Die Stecker sollten über eine mechanische Verbindung zur Leiterplatte verfügen (Schrauben, Stifte etc.), damit keine Kräfte auf die Lötstellen der Leiterplatte wirken können – weder im Betrieb noch beim Trennen der Verbindung. Diese Kräfte wirken sich ansonsten negativ auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit aus. Für Sondertechnologien wie für flexible Leiterplatten stehen spezielle Nullkraftstecker zur Verfügung.

Leiterplattenlayout und Entwicklungssupport

Beim Leiterplattenlayout gibt es einiges zu berücksichtigen. So ist die richtige Zählweise zu beachten und eine optimale Auslegung der Pads. Wenn zum Beispiel mehrere Leiterplatten zusammengesteckt werden, ist das Toleranzsystem zu beachten, das sich aus Bestückungsgenauigkeit und Materialausdehnung ergibt.

GED unterstützt Kunden im Rahmen der Entwicklungs- und Layoutprojekte bei der Auswahl der optimalen Steckerlösung. In den Bereichen Hochstrom und Highspeed-Signalübertragung verfügt GED über umfangreiches Expertenwissen. Im Rahmen von Cost-engineering-Projekten optimiert GED komplette Geräte im Bereich der Steckverbinder genauso wie bei der Erweiterung von Einsatzgebieten – etwa bei mobilen Anwendungen.

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PCIM 2014

Der GED Stand auf der Messe PCIM 2014

PCIM 2014: Themen, Trends, News – ein schneller Überblick

GED auf der PCIM: Erfolgreiche Messe mit neuem Besucherrekord

Der GED Stand auf der Messe PCIM 2014Über 8.000 Fachbesucher, mehr als 390 Aussteller – darunter die GED mit ihrem aktuellen GHC-Portfolio für die Hochstrom- und Leistungselektronik: Die diesjährige PCIM, die vom 20. bis 22. Mai in Nürnberg stattfand, war ein voller Erfolg. Für die GED wie auch für die Messe selbst. Auch in diesem Jahr präsentierte sich GED zusammen mit namhaften Forschungs- und Entwicklungsfirmen auf dem Gemeinschaftstand des ECPE („European Center for Power Electronics“). Hier finden Sie kurz zusammengefasst die wichtigsten Themen und Trends, die GED während der Messe für Sie gesichtet hat.


News rund um GED: per Twitter von der PCIM

GED hat die Gelegenheit genutzt und seine Kunden direkt von der PCIM mit interessanten Kurznews per Twitter informiert. Hier eine erweiterte Zusammenfassung der Tweeds:

  • 20 Aussteller am ECPE-Gemeinschaftsstand, darunter wieder auch die GED, präsentieren neueste F&E-Ergebnisse, z. B. Hochtemperatur-Materialien bis 200 °C!
  • GED@PCIM: Das Elektronikunternehmen stellt u. a. Gehäusekonzepte mit integriertem Wärmemanagement vor. Leistungsklasse 400 A, ohne aktive Kühlung!
  • Beispiel für ein GHC-Konzept (GHC, GED High Current) ist eine kostenoptimierte Hochstromlösung für Batteriemanagement, mit Entwärmung und Anschlusstechnik. Die optimale Kombination der Lösungskomponenten gelingt über eine interaktive 3D-Integration von Elektronik und Mechanik, Leistungselektronik, Wärmemanagement und Anschlüssen.3D-Systemintegration
  • Meistgestellte und beantwortete Frage: Welche Vorteile bieten GHC-Hochstromleiterplatten gegenüber IMS- oder Busbar-Lösungen? Antwort: GHC-Hochstromlösungen bieten eine deutlich höhere Integrationsdichte bei kompakter Bauform und geringeren Kosten. Die Integration von Leistungs- und Signalelektronik mit mehreren Power- und Signallagen ist ohne Weiteres möglich.

Fazit von GED: Kundenseitig besteht großes Interesse an GHC-Hochstromlösungen, die Leistungs- und Signalelektronik kombinieren.

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Anwendungen, Lösungen, Technologien 3D

3D-Elektronik: Ideen, Entwicklungen und Umsetzungen von GED

 

Das GED Portfolio aus Jahrzehnten kundenorientierter Entwicklung, Design und Fertigung von Elektronik reicht vom Standard-Zwei-Lagen-Layer bis zu räumlich angeordneter 3D-Elektronik, vom kostenoptimierten Redesign von Serienprodukten bis hin zu Komplettkonstruktionen im Kundenauftrag inklusive Leiterplattenlayout, Gehäusekonstruktion und Steuerung der Serienproduktion. Hier eine Auswahl innovativer Ideen, Entwicklungen und Umsetzungen, die GED für seine Kunden realisiert hat.



Lösungen mit Starrflex- und Flex-LP I

(Starr-)Flexible Leiterplatten:

Anwendungsideen von Lowcost bis Hightech

Kostenoptimierung oder Mechatronik, Highspeed-Anwendungen oder Miniaturisierung existierender Verbindungslösungen: Flexible Leiterplatten bieten eine Vielzahl an cleveren, hoch interessanten Lösungen für moderne Verbindungskonzepte.


Flexible Leiterplatten
Flexible Leiterplatten

Einige Einsatzgebiete, für die „flexible Lösungen“ prädestiniert sind:

  • 3D-Verbindungen und Mechatronik-Konzepte, Robotik
  • Reduzierung von Steckverbindungen
  • Sicherheitstechnik, Einsparung von konventionellen Verkabelungen
  • Übertragung von Highspeed-Signalen
  • Tastaturen und Anzeigeeinheiten, Multifunktionsbedienung
  • Kombination von Optik und Elektronik
  • Miniaturisierung, z. B. in der Sensorik
  • Elektronik für den Hochtemperatur-Einsatz
  • LED-Beleuchtungen
  • Verbindung bei dauerdynamischer Biegebelastung
  • Funktionselemente mit Flex-Material
  • Entwärmungskonzepte
  • „Wearable Electronics“
  • Chipträger, Chip on Flex, Folded Flex
  • Verbindung bei strahlenbelasteter Umgebung (Gammastrahlen)

Kostenoptimale Lösung dank Materialwissen und Produktions-Know-how

Keine Handys ohne FPC
Keine Handys ohne FPC

Wenn es darum geht, die kostenoptimale Lösung umzusetzen, sind aktuelles Materialwissen und umfassendes Produktions-Know-how unverzichtbar. Beides führt die GED jeweils zur optimalen Kombination der unterschiedlichen Fertigungsmöglichkeiten zusammen.

Die verschiedenen Bearbeitungsverfahren hängen von vielen Einzelfaktoren ab, insbesondere aber von der Anwendungsanforderung, der Flex-Technologie sowie der Stückzahl. Je größer etwa die Stückzahl wird, um so entscheidender ist eine massengerechte Fertigung, bei großen Serien idealerweise von Rolle zu Rolle (Reel to Reel).

Wichtig ist auch, bereits bei der Konstruktion die Bestückung und das Löten der Bauteile einzuplanen – eine nicht zu unterschätzende Aufgabe bei manchmal meterlangen Leiterplatten oder großen Starrflexschaltungen.

 

 

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Lösungen mit Starrflex- und Flex-LP II

FPC: Preisgünstig und zuverlässig

Aus dem Weltraum auf die Straße

Seit den 1960er Jahren bewähren sich elektronische Schaltungen auf flexiblen und starrflexiblen Leiterplatten (FPC) auch unter härtesten Einsatzbedingungen. Die Technik aus Luft- und Raumfahrt sorgt inzwischen auch in Consumer-Elektronik und im Automotivebereich immer öfter für preisgünstige und zuverlässige Verbindungen.


Beste Verbindungen auf engstem Raum und unter härtesten Bedingungen

Besonders interessante Trägermaterialien sind kleberlose Polyimidfolien wie zum Beispiel das Pyralux® von DuPont: Es bietet überzeugende Vorteile bei Hochtemperaturanwendungen, wie beispielsweise beim neuen 7G-Tronic Siebengang-Automatikgetriebe von Daimler Benz.

Flexible und starrflexible Leiterplatten werden zur dreidimensionalen Verbindung eingesetzt, besonders in begrenzten Einbaubedingungen oder auch bei extremen Umgebungsbedingungen. So werden sie unter anderem bereits seit Jahrzehnten in Elektronikgeräten wie Kameras, Notebooks, Festplatten und Handys millionenfach eingesetzt. Immer häufiger finden sich inzwischen aber auch Anwendungen mit flexiblen Schaltungen in Automotive-Applikationen, etwa als Ersatz für Stanzgitter.


Flexibles Einsatzspektrum und hohe Technik-Perfomance

Um die Möglichkeiten der Flex-Lösungen voll auszuschöpfen, benötigt man umfangreiche Material- und Fertigungskenntnisse. Durch die enge Zusammenarbeit mit der Fertigung verfügt GED über das nötige technische Know-how. Die mögliche Perfomance der Flex-Leiterplatten ist beeindruckend:

  • Hochtemperaturanwendungen
  • Strahlenfestigkeit
  • Thermische Verbindungskonzepte
  • Integration von Anschlusstechnik
  • HDI-Eignung, auch für DCA
  • Besonders auch bei Sensorik und High Speed Lösungen
  • uvm.

Weniger Verbrauch, verbesserte Fahrzeug-Performance: die 7G-Tronic

Flexschaltung statt Stanzgitter
Flexschaltung statt Stanzgitter

0508_03_a Das Beispiel des Automatikgetriebes zeigt die Substitution des Stanzgitters durch eine Flexschaltung (Quelle: Siemens VDO und DuPont).

Eine flexible Leiterplatte verbindet die Elektronik mit den Magnetventilen sowie diversen Sensoren und Schwimmern. Sie sind ebenfalls auf dem Rahmen fixiert. Entwickler und Lieferant des gesamten Moduls ist Siemens VDO Automotive. Signale und Ströme werden von einer flexiblen Leiterplatte (Flexfolie) zwischen der Steuerelektronik und dem Getriebestecker, den Sensoren und den Magnetventilen übertragen.

Basis der Schaltung ist eine Polyimidfolie, die aus einem temperaturfesten Acrylkleber und einer Kupferfolie besteht. Im Bereich der Elektronik ist die Flexfolie mit ihrer Rückseite auf eine starre Aluminiumplatte laminiert. Ihre Vorderseite wird platzsparend direkt gegen den Rahmen abgedichtet. So bildet die Folie zusammen mit dem Rahmen ein öldichtes Gehäuse für die Elektronik.

Das 7G-Tronic Siebengang-Automatikgetriebe senkt den Kraftstoffverbrauch, verbessert die Beschleunigung und ermöglicht deutlich schnellere Zwischenspurts als konventionelle 5-Gang-Automatikgetriebe.


Vom Mars zur Erde – Pyralux® sorgt für zuverlässige Elektronik

FPC für härteste Bedingungen
FPC für härteste Bedingungen

0508_03_eBesonders interessant für Flex-Anwendungen, die hohe Zuverlässigkeit unter extremen Umgebungsbedingungen erfordern, ist ebenfalls das Pyralux®. Ob Mars-Mission oder militärische Luftfahrt – das kleberlose Polyimid ist hoch temperaturbeständig und langzeit-zuverlässig. Sein Tg-Wert reicht bis 220 °C, und auch die geringe Z-Achsenausdehnung ist günstig (CTE von 106 ppm/C in der Z-Achse). Aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften – möglichst leicht und möglichst klein, dennoch hoch funktional, belastbar und beständig gegen extreme Umgebungsbedingungen – kam Pyralux® auch beim Bau der Mars-Landeroboter „Spirit“ und „Oportunity“ zum Einsatz.

Pyralux® sind Folienlaminate und -verbunde in unterschiedlichen Auslegungen (zum Beispiel auch flammhemmend), die als Trägermaterial für dünne, flexible gedruckte Leiterbahnen verwendet werden. Sie sind unter anderem in den genannten Mars-Rovern eingebaut. Dort verbinden sie die Schaltzentrale der Roboter mit den einzelnen Komponenten: Roboterarm, Kameras, Antenne, Räder und Sensoren.

Im Vergleich zu herkömmlichen Leitungen und Kabeln sparen sie bis zu 70 Prozent Bauraum ein. Mit einem entsprechenden Design erreicht man mit FPC-Konzepten höchste Zuverlässigkeitswerte für derartige Anforderungen.

 

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Highspeed-Design

Compact PCI-Express, ETX- und XTX-Express (3GIO): 64 Bit-Bus auf vier Leitungen

Layouts für Datenübertragungsraten von bis zu 4 Gbit/s

1006_02_a[1]Der Standard für den seriellen Compact PCI Express-Bus reduziert einen parallelen Bus mit 64 Bit und 110 Leitungen auf vier serielle Leitungen. Damit lassen sich Übertragungsraten von 4 Gbit/s erreichen. Dadurch ist auch die vollständige Nutzung der Übertragungsleistung von Gigabit Ethernet und Serial ATA möglich. Über die USB 2.0-Schnittstelle kann ein Datendurchsatz von bis zu 480 Mbit/s erzielt werden.


XTX ist eine Weiterentwicklung von ETX, dem PCI Express-Standard für Embedded Systeme. Er erweitert den mittlerweile veralteten ISA-Bus durch PCI-Express, Serial ATA, zusätzliche USB 2.0-Ports, HDA (High Definition Audio) und einige Systemfunktionen wie etwa eine Lüftersteuerung. Bei allen Standards ist eine saubere Signalübertragung der PCI Express-Signale durch entsprechende Maßnahmen im Leiterplattenlayout sicherzustellen, damit das Gesamtsystem funktioniert.


Vorbetrachtung der Verbindungsstrecke mit Design-Simulation

Augendiagramm und Timinganalyse
Augendiagramm und Timinganalyse

1006 02 c1Weil PCI Express eine skalierbare Lösung ist, kann man die Performance den Gegebenheiten des Endsystems anpassen. PCI Express arbeitet vollduplex mit einer maximalen Bandbreite von 2,5 Gbit/s – bei Verwendung von nur einer Lane, also einem Transmitter- und einem Receiver-Paar. XTX unterstützt vier PCI Express-Lanes und bietet damit gar eine maximale Bandbreite von 10 Gbit/s. COM-Express bietet bis zu 24 PCI Express-Lanes.

Um eine Übertragungsrate von 2,5 Gbit/s zuverlässig über alle Teile der Verbindungstrecke zu führen, ist eine genaue Vorbetrachtung der einzelnen Elemente unumgänglich – und im Einzelfall eine Simulation des Designs empfehlenswert. Die PCI Express-Spezifikation weist eine „Transmitter Peak to Peak Voltage“ von ± 514 mV aus. Der Receiver kann Signale mit einer Amplitude von ± 214 mV noch sicher detektieren. Diese Grenzwerte geben einen maximalen Verlust (Insertion Loss) von 13,2 dB über die gesamte Signalstrecke vor.

Signaldämpfung und Signaltiming

Neben der Signaldämpfung muss auch das Timing der Signale innerhalb der PCI Express-Spezifikation liegen, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Die Simulation kann außer den Dämpfungswerten auch Augen-Diagramme darstellen. Sie zeigen anschaulich den Dämpfungsverlauf, den Signaljitter und damit auch das Signaltiming. Das simulierte Augen-Diagramm über den gesamten Signalweg vom Chipsatz bis hin zum PCI Express-Device auf der Erweiterungskarte zeigt eine Augenöffnung von 276,2 ps, was deutlich über dem minimal erlaubten Wert von 160 ps liegt.


Die laut Spezifikation als maximale Signalpfadlänge angegebene Länge von 50 cm scheint zunächst sehr einfach einzuhalten. Es sind jedoch weitere Designregeln zu berücksichtigen und die Leiterlängen sind für die gesamte Signalstrecke der Punkt-zu-Punkt-Verbindung zu berücksichtigen – inklusive der Länge von einem Board zum anderen. Zu den Designvorgaben zählt neben der differentiellen Signalführung unter anderem auch, dass maximal 2 Vias im Rx-Paar und maximal 4 Vias im TX-Paar einzusetzen sind. Der Wellenwiederstand der Leiterbahnen ist mit 100 Ohm vorgegeben. Die Flankensteilheit der Signale liegt bei 0,75 bis 1,1 nS.

PCI Topology: Weil meist noch andere EMV-kritische Bauteile auf dem Board sind – wie DDR2 RAM, USB 2 oder LVDS-Multi Media Bauteile – sind die Highspeed-Signalanforderungen in Teilbereichen noch kritischer und die Designregeln entsprechend angepasst anzuwenden. Auch eine möglichst breitbandige Entkopplung der Versorgung und die Entwärmung über das thermische Interface sind zu berücksichtigenPCI Topology: Weil meist noch andere EMV-kritische Bauteile auf dem Board sind – wie DDR2 RAM, USB 2 oder LVDS-Multi Media Bauteile – sind die Highspeed-Signalanforderungen in Teilbereichen noch kritischer und die Designregeln entsprechend angepasst anzuwenden. Auch eine möglichst breitbandige Entkopplung der Versorgung und die Entwärmung über das thermische Interface sind zu berücksichtigen

Typisches Routing von Leiterbahnen auf einer Innenlage, mit „Differential Pairs“ und „Punkt-zu-Punkt-Verbindung“. Für das Design nutzt GED entsprechende Highend-CAD-Tools von Mentor Grafics und anderen EDA-HerstellernTypisches Routing von Leiterbahnen auf einer Innenlage, mit „Differential Pairs“ und „Punkt-zu-Punkt-Verbindung“. Für das Design nutzt GED entsprechende Highend-CAD-Tools von Mentor Grafics und anderen EDA-Herstellern

PCI Express-System-Trägerboard für ETX Express CPU-Modul und weitere SystemkartenPCI Express-System-Trägerboard für ETX Express CPU-Modul und weitere Systemkarten


GED verfügt über Erfahrungen aus diversen Projekten und berät die Kunden bei der Auslegung der optimalen Designparameter sowie bei der Berechnung des Impedanzsystems der Leiterplatte. Die gemäß vorgegebener Spezifikation erforderliche differentielle Signalführung lässt sich durch entsprechende Simulation des Layouts verifizieren. Die GED Library enthält bereits alle erforderlichen mechanischen Spezifikationen der verschiedenen Formfaktoren, auch für die Backplanes mit unterschiedlichsten Slottypen.

 

Mehr über die Möglichkeiten von PCI-Express erfahren Sie bei GED:

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Weitere Informationen:

PCI-Standard
XTX-Standard
ETX-Standard

 

Sensorik I

Energy Harvesting statt Batterien:

Sensoren ohne zusätzliche Stromversorgung

Im Rahmen des Technologie-Netzwerks Hybridsense entwickelt GED zusammen mit verschiedenen Partnern aus der Industrie und Forschung neuartige, miniaturisierte und energieautarke Sensoren. Der Schwerpunkt von GED liegt dabei in der Miniaturisierung und der Entwicklung von neuen Energiekonzepten für die Versorgung von Sensoren und Sensornetzen.


Energiewandlung aus Umgebungs-Energiequellen

Energie1Entscheidend für die erfolgreiche Umsetzung solcher Systeme sind die Energiewandlung aus verfügbaren Energiequellen der Umwelt (Energy-Harvesting) einerseits und ein möglichst effizienter Einsatz der erzeugten beziehungsweise gewandelten Energie (Powermanagement) andererseits. Dies erfordert neue Lösungen im Hinblick auf die Herausforderungen der Energiewandlung und Versorgung, der sicheren kabellosen Authentifizierung und Kommunikation sowie der energieeffizienten Umsetzung.

Durch die richtige Kombination von möglichst energiearmen Bauteilen mit einem passgenauen Harvestingkonzept können Sensoren fünf bis zehn Jahre ohne zusätzliche Energiezuführung sicher arbeiten. Mit speziell entwickelten Algorithmen wird der Energieverbrauch optimiert und reduziert. Dafür stehen verschiedene Harvestingtechniken zur Verfügung. Die bekannteste Methode des Energy Harvesting ist es, Energie aus Licht über Photozellen zu gewinnen, stark im Trend liegen derzeit Methoden, um Energie aus dem piezoelektrischen Effekt zu generieren. Für das aktuelle Projekt wurde der thermische Effekt genutzt, um Energie zu „ernten“ (Seebeck-Effekt).

Energieautarke System- und Automotive-Lösungen

Energieeffizienz ist in mobilen Anwendungen vorteilhaft für die Reichweite von gewichtsoptimierten Elektroautomobilen. Im stationären Einsatz wie zum Beispiel in Gebäuden ermöglicht sie für batteriebetriebene Transpondertechnologien längere Wartungsintervalle bis hin zu energieautarken Systemlösungen.

Tabelle_energIn Verbindung mit einer optimalen Auslegung und Konstruktion sowie intelligentem Power-Management lassen sich große Einsparungen realisieren.

GED verfügt über Know-how in der Sensorik und der Aufbau- und Verbindungstechnologie (AVT):

  • Miniaturisierung, Aufbau- und Verbindungstechnologie
  • Auftragsentwicklung für Kunden und Serienplanung
  • Kostenoptimierung für Verbindungstechnik und Serienproduktion

GED unterstützt Kunden bei der Entwicklung und Realisierung entsprechender Energieversorgungskonzepte. Mittels energieautarker Lösungen realisieren wir kundenspezifische, drahtlose Sensor- oder Kommunikationslösungen von der Entwicklung über das Prototyping bis zur Serienfertigung.

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Sensorik II

Forschung: Entwicklung einer universellen Sensorplattform

HySeP: Entwicklung einer Multisensor-Plattform
HySeP: Entwicklung einer Multisensor-Plattform

Sensoren zur Prozessüberwachung und -steuerung sind heute überall im Einsatz: in der Biogasanlage ebenso wie in Industrieanlagen und -prozessen, zum Beispiel in der chemischen oder Kunststoffindustrie. GED beteiligt sich im Rahmen des Netzwerkprojektes Hybridsense an der Entwicklung eines „Multisensor Plattformkonzept“ für Smart-Sensoren.


GED entwickelt Schnittstellen, Energieversorgung, AVT und Housing

In Kooperation mit der Hochschule Karlsruhe und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie der Firma Systec & Services GmbH wird GED in den kommenden drei Jahren an der Entwicklung für ein universelles Sensor-Plattformkonzept arbeiten. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Hightech-Projekt (HySeP) zur Entwicklung einer multisensorischen Plattform soll eine Basis für unterschiedlichste, moderne Sensorik bieten. GED entwickelt darin unter anderem das Schnittstellen- und das Energieversorgungsmodul der Sensorplattform sowie die AVT und das Housing. Das Konzept soll skalierbar sein und durch System on Chip (SoC) einen hohen Miniaturisierungsgrad erreichen.


Technischer Kern des Plattformkonzeptes für drahtlose Sensornetzwerke ist:

  • ein neuartiges Konzept zur Signalauswertung,
  • ein zentrales Sensormanagementsystem zur Überwachung, Zusammenführung (Sensorfusion), Datenarchivierung und übergeordneten Auswertung, um komplexe Prozess- oder Zustandsinformationen zu ermitteln,
  • die Entkopplung allgemeingültiger, immer wieder benötigter Funktionen (wie z. B. Stromversorgung und Datenübertragung) von der spezifischen Sensoranwendung,
  • eine modularisierte Hardware-Architektur der Plattform mit folgenden Modulen: Stromversorgungsmodul, Datenübertragungsmodul für die drahtlose Übertragung, Schnittstellenmodul, spezifische(s) Sensormodul(e),
  • die Reduktion des Energiebedarfs der Sensorik und Sensorsteuerung um das Zehnfache, so dass eine Langzeit-Autonomie ermöglicht wird.

Freie Konfigurierbarkeit der Sensorplattform

Die freie Konfigurierbarkeit des Plattformkonzeptes zeigt sich bereits im Forschungsprojekt in der Verwendung von Sensoren zur Detektion von Temperatur, Feuchte, Druck und chemischen Substanzen. Dabei finden auch spezielle Gehäusekonzepte Verwendung: Sie erlauben einen Einsatz in vielfältigen Anwendungszenarien ohne Einschränkung durch den Einsatzort und platzieren den Sensor so nahe wie möglich an den Prozess selbst.

Im HySeP-Projekt kommt GED seine Erfahrung mit der Entwicklung energieeffizienter und energieautarker Sensoren zugute. Das eröffnet Kunden die Möglichkeit zum Redesign ihrer bestehenden Sensorprodukte mit energiearmen Schaltungskonzepten für kabellose und energieautarke Lösungen. GED berät die Kunden umfassend bei der Entwicklung neuer Sensor- und Kostenoptimierungskonzepte, vom Muster bis zur Serienproduktion.

 

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