Die Auswirkungen des IoT auf die Herstellung von Leiterplatten

Der Begriff IoT, oder Internet of Things (zu Deutsch das „Internet der Dinge“) bezieht sich auf eine Infrastruktur, die mehrere mit dem Internet verbundene elektronische Geräte umfasst. Intelligente Geräte, die sich über spezielle Apps fernsteuern lassen, machen nur einen kleinen Teil des IoT-Netzwerks aus. Die Möglichkeit, intelligente Sensoren und herkömmliche elektronische Geräte miteinander zu verbinden, wirkt sich erheblich auf verschiedene Anwendungsbereiche wie Industrie, Landwirtschaft, Biomedizin, Transport und Unterhaltungselektronik aus. Jedes IoT-Gerät muss eine wesentliche Aufgabe erfüllen: Konnektivität, die durch drahtlose Technologien wie Bluetooth, Wi-Fi und das Mobilfunknetz erreicht wird. Infolgedessen durchläuft die Entwicklung der Hardware, die die IoT-Funktionalität unterstützt, eine subtile, aber gezielte Veränderung: Konnektivität, Fernsteuerung und hohe Energieeffizienz sind allesamt Anforderungen, die jedes IoT-Gerät erfüllen muss.

Leiterplattendesign

Das Design eines IoT-Geräts erfordert die korrekte Bewertung und die ordnungsgemäße Auswahl von drei Schlüsselfaktoren: Sensoren, drahtlose Konnektivität und Energiemanagement. Die Leiterplatte muss in der Lage sein, die von diesen Komponenten angebotene Funktionalität zu unterstützen, und erfordert gegenüber herkömmlichen Designs einen unterschiedlichen Designansatz. Folgende Hauptgesichtspunkte beeinflussen das Design einer Leiterplatte für den IoT-Einsatz:

• Größe: Ähnlich wie bei intelligenten mobilen Geräten sind IoT-Geräte sehr kompakt und erfordern daher miniaturisierte Komponenten. Sensoren der aktuellsten Generation werden hauptsächlich mit MEMS-Technologie gefertigt und bieten eine kleine Grundfläche, niedrige Kosten und hohe Zuverlässigkeit. In Abbildung 1 sehen wir die bestückte Leiterplatte eines modernen intelligenten Thermostats: Beachten Sie die hohe Integration der Komponenten und die korrekte Trennung zwischen digitalen (MCU und Datenprozessor) und analogen Bereichen (Wi-Fi-Schnittstelle und RF-Frontend);
• Layout: der begrenzte Platz, der für die Konzeption der Leiterbahnen zur Verfügung steht, erfordert in der Regel die Wahl von Multilayer-Leiterplatten mit sehr strengen Auflagen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Darüber hinaus erfordert die hohe Dichte der Komponenten auf der Leiterplatte einen HDI-Designansatz (High Density Interconnect), was zu einer Verringerung der Größe der Pads und einer Erhöhung der Anzahl der Durchkontaktierungen führt;
• die Integrität des von den Sensoren kommenden Signals muss unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet sein, wobei jegliche mögliche Kopplung oder Interferenz mit Stromleitungen und mit den Signalen der drahtlosen Schnittstelle ausgeschlossen werden muss;
• Materialien: Die schnelle Verbreitung der IoT-Technologie hat den Einsatz innovativer Materialien wie flexibler Leiterplatten begünstigt. Das Design einer flexiblen Leiterplatte erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der mechanischen Struktur des Materials und beeinflusst die Positionierung der Komponenten. Flexible Leiterplatten eignen sich ideal für Wearables (tragbare Geräte), da sich eine höhere Anzahl an Komponenten auf kleinerem Raum unterbringen lässt. Im Vergleich zur traditionellen starren Lösung vereinfachen flexible Leiterplatten die Verkabelung und bieten zusätzliche Festigkeit bei nicht vernachlässigbaren mechanischen Beanspruchungen;
• Energieverwaltung: Dieser Aspekt ist entscheidend für die Verlängerung der Lebensdauer der Batterien, die die Stromversorgung von IoT-Geräten gewährleisten. Neben der richtigen Auswahl der Integrierten Schaltkreise für die Energieverwaltung (PMIC) muss der Entwickler sicherstellen, dass jeder Funktionsblock der Schaltung innerhalb des zugewiesenen Leistungsbudgets liegt. Es ist wichtig, dass der Stromverbrauch in jedem Zustand und jedem Betriebsmodus des Geräts ermittelt wird, wobei zu berücksichtigen ist, dass kabellose Sendeempfänger beim Übergang vom Aus-Zustand zum Ein-Zustand erhebliche Absorptionsspitzen aufweisen können. Der Stromverbrauch im Tiefschlafzustand ist ebenfalls entscheidend, da dieser Parameter die Lebensdauer der Batterie bestimmt;
• Sicherheit: Ein System, das auf ein gemeinsam genutztes Netzwerk zugreift, ist von Natur aus möglichen Angriffen ausgesetzt, die seine Sicherheit gefährden können. Dieser Aspekt spielt eine grundlegende Rolle bei IoT-Geräten zur Erfassung und Messung metrischer Größen (Wasser-, Gas- und Stromzähler) und bei elektromedizinischen Geräten, in denen sensible Daten verarbeitet werden. Es wird allgemein angenommen, dass die Aktualisierung der Sicherheit über die Software nicht mehr ausreicht und es daher notwendig ist, Sicherheitsmechanismen auf Hardware-Ebene zu implementieren. Kryptografie-Engines, die mittlerweile auf vielen günstigen Mikrocontrollern verfügbar sind, bieten dank der schnellen Implementierung von Verschlüsselungsalgorithmen wie AES, DES und SHA zusätzlichen Informationsschutz;
• Wärmemanagement: IoT-Geräte bieten kompakte Maße, sind batteriebetrieben und befinden sich in der Regel in einem Gehäuse ohne Steckplätze, was hohe Anforderungen an das Wärmemanagement stellt. Die Leiterplatte muss so konzipiert werden, dass die Bildung von Hot-Spots (Bereiche, die eine Temperatur von ca. 150 °C überschreiten) durch eine geeignete Auswahl der Leiterbahnengeometrie (Breite und Höhe), die Verwendung von thermischen Durchkontaktierungen mit Kupferbeschichtung und das Einfügen von Kupferebenen zur besseren Wärmeableitung vermieden wird. Da die für die Erdung zur Verfügung stehende Fläche bei diesen Geräten in der Regel sehr begrenzt ist, muss darauf geachtet werden, dass eine ausreichende Erdung für die Wärmeableitung und die HF-Verbindung vorhanden ist. In einigen Fällen kann es sinnvoll sein, eine Simulation des thermischen Luftstroms unter Verwendung von 2D/3D-Modellen durchzuführen, die mit ECAD- und MCAD-Tools implementiert werden.

Abbildung 1: Die Leiterplatte eines intelligenten Thermostats (fonte: Google).

Die drahtlose Konnektivität aller IoT-Geräte setzt die notwendigen Zertifizierungen für den HF-Teil voraus. Die gängigsten Zertifizierungen sind FCC (in den Vereinigten Staaten), IC (in Kanada) und CE (in Europa). Darüber hinaus müssen Designer die Normen in Bezug auf absichtlich und unabsichtlich emittierte Strahlung sowie die Anforderungen für zusätzliche Zertifizierungen wie PTCRB und WEEE berücksichtigen. Die Erlangung einer Zertifizierung wird durch die Verwendung von vorzertifizierten HF-Modulen erleichtert, die direkt in das Gerät integriert werden können, wodurch kostspielige Zertifizierungsprozesse ausgeschlossen werden können.

Die hohe Nachfrage nach IoT-Lösungen hat zu einer Beschleunigung der Entwicklung von Design-Tools für Leiterplatten mit AMS-Signalen (Analog/Mixed Signal) geführt, die auf spezifischen Modellen, Simulationen und Schaltungsanalysen basieren. Die Simulation beschreibt die Phase, in der die Integrität der Verbindungen validiert wird. Geeignete Software-Tools simulieren den Schaltplan der Schaltung unter Berücksichtigung verschiedener Parameter wie Arbeitspunkt, Zeitbereich, Frequenzbereich, Monte-Carlo-Analyse, Empfindlichkeit und Worst-Case-Szenarien. Für tragbare Geräte müssen besondere Anforderungen wie Größe, Stromverbrauch und Ladezeit erfüllt werden.

Leiterplattenfertigung

Eines der Geheimnisse für die Erstellung einer erfolgreichen Leiterplatte ist es, stets von Anfang an die Montage- und Fertigungsphasen zu berücksichtigen. Ein Beispiel liefert der Markt für Wearables: Der sehr geringe Platz, der für die Montage zur Verfügung steht, hat den Bedarf an flexiblen Leiterplatten hervorgebracht, die sich biegen und krümmen können, ohne zu brechen oder die Funktionalität des Geräts zu beeinträchtigen. Auch industrielle Geräte und Anlagen für die Montage und das Materialhandling müssen Stößen, Vibrationen und anderen extremen Betriebsbedingungen standhalten. Neben flexiblen Leiterplatten ist eine weitere technische Lösung, die die Herstellung einer IoT-Leiterplatte vereinfachen kann, der Einsatz der System-in-Package-Technologie (SiP). System-in-Packages ermöglichen es, immer komplexere analoge, digitale und HF-Systeme auf einem einzigen Chip zu integrieren, mit Formfaktoren, die denen traditioneller Single-Chip-Lösungen sehr ähnlich sind. Abbildung 2 zeigt eine äußerst kompakte SiP-Lösung für die Implementierung eines Sigfox-Knotens mit Up-Link- und Down-Link-Funktionalitäten. SiP-Komponenten vereinfachen das Leiterplattendesign und die Fertigung erheblich, was sich auch auf die Kosten niederschlägt. Das SiP-Modul in Abbildung 2 ist zertifiziert, verfügt eine integrierte Antenne und benötigt keine externen Komponenten.

Abbildung 2: Ein SiP-Modul (Quelle: ON Semiconductor).

IoT-Geräte müssen in der Lage sein, eine konstante Konnektivität mit dem Netzwerk und mit anderen dazugehörigen Knoten aufrechtzuerhalten. In industriellen Anwendungen (IoT und Industry 4.0) ist ein Rund-um-die-Uhr-Betrieb absolut gang und gebe und daher ist eine Betriebszeit von 100 % außerordentlich wichtig. Die Beibehaltung einer angemessenen und konstanten Stromversorgung auf PCB-Ebene ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Betriebsfähigkeit und Konnektivität. Dies ist auch wichtig, um die Batterielebensdauer in tragbaren Geräten zu verlängern und die Effizienz auf Anlagenebene sicherzustellen. Bei allen Entwicklungsphasen eines IoT-Geräts muss ausgehend vom Leiterplattendesign die Herstellbarkeit des Produkts überprüft werden. Ein Werkzeug wie das DFT (Design for Test) ist beispielsweise nützlich, um die Testbarkeit der Leiterplatte zu überprüfen und eventuelle Fertigungsfehler im Voraus zu erkennen. In ähnlicher Weise ermöglicht die DFMA-Analyse (Design for Manufacturing and Assembly) die Identifizierung von Problemen beim Leiterplattendesign, die vor der Produktion korrigiert werden können.

Für viele Klassen von IoT-Geräten impliziert Sicherheit auch die Einführung von Maßnahmen zur Verhinderung von Leiterplattenfälschungen, ein wichtiger Aspekt insbesondere bei messtechnischen Anwendungen. Mit der wachsenden Nachfrage nach Lösungen zur Unterstützung von IoT-Anwendungen ändern Leiterplattenhersteller die Art und Weise, wie sie ihre Leiterplatten entwerfen und validieren. Eine sehr gängige Methode ist das Hinzufügen von kodierten Identifikatoren (ID) auf jeder physikalischen Schicht der Leiterplatte. Jede ID ist kryptografisch an diejenige der anderen Schichten gebunden, was bedeutet, dass es fast unmöglich ist, sie erfolgreich zu replizieren. Diese Technik ist viel ausgefeilter und sicherer als die Standardmethode, die auf dem Druck einer einfachen Barcode-ID auf der Oberseite der Leiterplatte basiert.