Die heutigen Kraftfahrzeuge sind im steigenden Maß auf den Einsatz bzw. die Anwendung von elektrischen/elektronischen Modulen in Kombination mit integrierten Sensor-, Aktor- und Regler-Funktionen angewiesen. Die Schwerpunkte der Anwendung liegen in den Bereichen
Die räumliche Konzentration bislang separater Funktionselemente (Aktor, Sensor, Controller-Elektronik, etc.) in einem gemeinsamen Gehäuse ist die erste Stufe zur Systemintegration. Gleichermaßen können auf Verdrahtungsebene Mechatronik-Systeme realisiert werden, wenn der Verdrahtungsträger der normalerweise nur Bauteile trägt (Bauteilträgerfunktion) und untereinander verbindet, zusätzlich mechanische oder elektrische Funktionen übernimmt. Beispielsweise kann eine FR4-Leiterplatte unter Nutzung des Tk-Wertes der Cu- oder Ni- Kaschierung gleichzeitig einen Temperatursensor und/oder eine Heizung ausbilden. Bei Verwendung von Metallkernleiterplatten übernimmt der Al-Kern zusätzlich eine Gehäusefunktion.
Es gibt zahlreiche Gründe elektrische Funktionen wie Blinkgeber, Lichtsteuerung, Diebstahlschutz, Zentralverriegelung, Komfortfunktionen, etc. in einem zentralem Steuergerät zu integrieren, insbesondere um Gerätekosten zu minimieren. Ebenso gibt es viele Aktoren und Sensoren, die aus Zuverlässigkeits-, EMV- und Verkabelungsgründen direkt vorort angesteuert oder ausgewertet werden sollen. Beispiele dafür sind Fensterhebermotoren, Lüftermotoren, Heckscheibenwischer, Sensoren für das Motormanagement, etc. Die Aktivierung derartiger, intelligenter Sensor-/Aktor-Module kann über eine Busschnittstelle erfolgen, vgl. CANbus. Diese Strategie der "dezentralen Intelligenz" weist aufgrund ihrer modularen Bauweise große Vorteile hinsichtlich Reparierbarkeit, Service und Diagnosefähigkeit aus. Wenn es gelingt, die Elektronik sehr kompakt in unmittelbarer Nachbarschaft von Aktoren und Sensoren aufzubauen, können zahlreiche Verbindungsstellen zur Darstellung dieser Funktion eingespart und somit die Zuverlässigkeit der jeweiligen Funktion erhöht werden.
Beispiel 2: Zukünftige Bordnetzarchitektur
Die Automobilindustrie hat ihren Kunden bis zum Jahr 2005 die Reduzierung der CO2-Emissionen zur Basis 1990 um 25 % zugesagt. Daraus ergibt sich für die Entwicklungsabteilungen die Aufgabe, Fahrzeuge mit niedrigsten Kraftstoffverbräuchen zu realisieren. Als werbewirksamer Begriff und als herausforderndes Ziel wurde von der Automobilindustrie das 3 Liter Kraftstoff verbrauchende Fahrzeug definiert. Man rechnet heute mit einem mittleren, zusätzlichen Kraftstoffverbrauch nur für die Erzeugung der elektrischen Energie je nach Ausstattungsgrad bis zu 1,7 l/100 km.
Die Notwendigkeit der weiteren Verbesserung der Fahrzeuge bezüglich Kraftstoffverbrauch und Fahrsicherheit führt zu einem weiteren Anstieg des Energiebedarfs durch zusätzliche elektrische Verbraucher. Das Spektrum der Verbraucher wird hinsichtlich mittlerer Leistung, Spitzenleistung und Einschaltdauer weiter gespreizt, auch transiente Leistungsanforderungen erschweren den stabilen Betrieb des Bordnetzes. Dies führt zu immer unübersichtlicheren Bordnetzzuständen und Belastungen. Dieser Tatsache kommt verstärkte Bedeutung beim Einsatz sicherheitsrelevanter Systeme wie z. B. Brake-by-wire zu. Hinzu kommen Verbraucher, die nur bei höherer Speisespannung (Xenon-Lampen, heizbare Frontscheiben) betreibbar sind oder wegen ihres hohen Leistungsbedarfs (E-Kat) sinnvoller bei einer höheren Versorgungsspannung betrieben werden sollten. Um diesen Entwicklungen gerecht werden zu können, benötigt man zukünftig eine modifizierte Vorgehensweise:
Entwurf einer Bordnetzarchitektur, die neben Optimierung der Leistungsnutzung durch die Verbraucher, auch den Wirkungsgrad bei der Erzeugung und die Verteilung der elektrischen Energie im Fahrzeug so verbessert, daß trotz minimalen Kraftstoffverbrauchs ein sicherer Betrieb aller zu erwartenden Verbraucher möglich ist.
Die Umsetzung dieser Vorgehensweise erfordert wiederum neuartige, verbesserte oder zumindest andere (Mikro-) Elektronik- und Halbleiterbaulemente für das Kraftfahrzeug der Zukunft, vgl. Batteriemanagement, DC/DC-Wandler, etc.
Die Anforderungen, die durch die unterschiedlichen Anwendungen verursacht werden unterscheiden sich in teilweise grundsätzlichen Aspekten.
Motormanagementanwendungen erfordern auf der einen Seite eine extrem hohe Komplexidität, die erhöhte Anforderungen an die Miniaturisierung der Module stellt. Darüber hinaus ist trotz des komplexen Aufbaus eine extrem hohe Zuverlässigkeit über den Lebenszyklus von 10 Jahren und mehr gefordert. Die Einsatzorte der Module reichen von der Plazierung im Innenraum bis hin zur direkten Montage am Motorblock. Dies hat Belastungen unterschiedlicher Art zur Folge. Die Plazierung "Under the hood" fordert weitaus höhere Belastungen durch Temperatur, Vibration, Schmutz und Montagearbeiten. Nachfolgend sind einige realisierte Applikationsbeispiele mit Mikroelektronik-Modulen dargestellt (s. Bild).
Bei Sicherheitskomponenten hat die absolute Funktionszuverlässigkeit im Einsatz Vorrang. Um die Funktion des gesamten Systems sicherzustellen ist eine Positionierung in geringer Nähe zum Einsatzort erforderlich. Hierdurch werden eventuelle Probleme oder Fehler in der Funktionalität, z. B. durch Verbindungsleitungen reduziert. Die Anforderungen an den Montageort erhöhen die Vorgaben für die Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse.
Der weiter steigende Bedarf an Datenfluß in Kombination mit reduziertem Materialaufwand wird den Einsatz von Datenbussen im Fahrzeug weiter vorantreiben. Hier ist die Unterscheidung zwischen Anforderungen für den Komfort wie Schiebedach, Klimatisierung, Fenster etc. und funktionswichtigen Anwendungen wie Bremslicht, Beleuchtung, Schaltung etc. zu treffen. Diese Einsatzgebiete erfordern eine Dezentralisierung der Elektronik, verbunden mit einer Materialeinsparung für Leitungen. Gleichzeitig wird eine Verbesserung der Zuverlässigkeit und des Anwendungsspektrums, mit einer optionalen, zentral verwalteten Logik gefordert.
Für den Endkunden gewinnt die Erhöhung der Komfortaspekte eine zunehmende Bedeutung bei der Kaufentscheidung. Heutzutage ist die Qualität bzw. Zuverlässigkeit der Fahrzeuge, wenn überhaupt nur indirekt vergleichbar. Die Entscheidungsfindung wird vielfach durch andere Aspekte beeinflußt. Der Gewinn an Komfort ist eine nicht zu unterschätzende Größe. Durch den gezielten Einsatz modular und dezentral aufgebauter Elektronik-Komponenten können diese Komfortaspekte individuell und universell für einen bestimmtem Fahrzeugtyp realisiert werden.
Unter dem Vorzeichen der Energiereduzierung ("3 Liter Auto") kommt der Reduzierung der einzelnen Energiebedarfe ein erhöhtes Interesse zu. Nach obiger Betrachtung (Beispiel 2) ist ersichtlich, daß bei zukünftigen Fahrzeugen die Verbrauchsreduzierung direkt mit der Ausbeute der elektrischen Verbraucher im Fahrzeug und deren Anzahl gekoppelt ist. Die Reduzierung der Energieverluste im elektrischen Bereich der Kraftfahrzeugtechnik führt bei Betrachtung der Hauptursachen der Energieverluste dazu, daß zukünftige Fahrzeuge mit einem geänderten Bordnetz ausgestattet sein werden. Die Struktur dieses zukünftigen Bordnetzes wird in unterschiedlichen Arbeitskreisen der Kfz- und Kfz-Zuliefer-Industrie erörtert und liegt in Entwürfen bereits vor. Die Hauptschwerpunkte dieser Entwürfe zielen darauf die Spannungen auf zwei getrennten Niveaus 12 (14) Volt und 36 Volt (42) zu standardisieren, um unterschiedliche Anforderungen, Leistung und Kommunikation - optimal zu bedienen. Ein weiteres Kriterium für die gewünschte Optimierung ist eine optimale Anpassung der Versorgungsspannung an den Verbraucher. Hier muß die Aufbau- und Verbindungstechnik als wichtige Teildisziplin der Mikroelektronik ansetzen, indem sie sowohl die Wünsche nach mehr Funktionalität, Betriebssicherheit, Zuverlässigkeit, Gewichts- und Volumenreduktion (Miniaturisierung) als auch besseres Energiemanagement und letztendlich Kostenreduzierung realisiert.
Die Vorteile der Hybridtechnologie sind beispielsweise die geringe erzielbare Baugröße, die günstigen thermischen Aspekte, die freie Funktionsgestaltung sowie der Abgleich mittels schneller, automatischer Lasersysteme. Bedingt durch den Hochtemperaturprozess bei der Herstellung, in Normalfall +850 °C und die Auswahl der eingesetzten Materialien (Ag, Au, Pd, Pt eingebettet in Glas oder Keramik), liegen die Einsatztemperaturen eines Hybrides deutlich über denen konventioneller Aufbautechniken. Einsatztemperaturen von +150 - +200°C sind bei Anpassung der entsprechenden diskreten Komponenten sicher zu realisieren. Die Fähigkeit der hohen Einsatztemperatur geht einher mit einer deutlich gesteigerten Wärmeleitung der Trägermaterialien (l = 20 - 150 W/m²K), die wiederum den thermischen Haushalt der einzelnen Schaltungen/Module verbessert.
Für den späteren Einsatz im Fahrzeug nicht unerheblich ist darüber hinaus die Fixierung der einmal durchgeführten Einstellungen der einzelnen Module. Da z.B. die Abgleiche der Funktionen fast ausschließlich mit Laserbearbeitung erzielt werden, ist eine nachträgliche Änderung durch Umwelteinflüsse wie Temperatur, Vibration und den Schraubendreher des Mechanikers nicht möglich.
Die Entwicklung zukünftiger (Mikro-)Elektronik-Modul-Applikationen im Kraftfahrzeug beeinflußt aber auch unmittelbar die Auswahl der erforderlichen Fertigungsprozesse und -Technologien, so daß eine enge Verflechtung zwischen den einzelnen daran beteiligten Disziplinen erforderlich wird - "Umsetzung von Mechatronik-Lösungen bedeutet interdisziplinäre Teamarbeit".
Die Proceedings des letzten Frühjahrs-IMAPS-Seminars Kostengünstige Lösungen mit "teuren" Techniken, vom 17. Februar 2000 in Göppingen können ab sofort zum Preis von DM 100,-- bei Prof. Matthias Fischer, Schmalkalden, bestellt werden. Bitte beachten Sie, daß der angegebene Preis gemäß § 4 Nr. 22 UstG umsatzsteuerfrei ist und die verfügbare Anzahl begrenzt ist. Bestell-Adresse: siehe Vorstandsliste
1. Um die Aufgaben innerhalb der IMAPS – wie z. B. Erstellung der Vereinsseiten in jeder PLUS-Ausgabe und verschiedene Maßnahmen zur Öfntlichkeitsarbeit und Mitglieder-Werbung – ausführen zu können, wurde der eherenamtlich tätige Vorstand im letzten Jahr verstärkt durch einen erweiterten Vorstand, in dem folgende Personen tätig sind:
Ernst Eggelaar, Microtronic Vertriebs GmbH, Neumarkt-St.Veit
Dr. Jens Müller, MSE GmbH, Berg
Dr. Andreas Stratmann, Robert Bosch GmbH, Reutlingen
Dr. Daniel J. Jendritza, Philips GmbH, Krefeld
2. Der IMAPS-Vorstand führte am 16. Februar 2000 in Göppingen an der FHTE seine erste Vorstandssitzung im neuen Jahr durch. Das Protokoll lag bei Redaktionsschluß noch nicht vor, so daß relevante Ergebnisse sowie ein zusammenfassender Seminar-Bericht erst ab PLUS-Ausgabe Nr. 3 veröffentlicht werden können.
3. Nächste Fachveranstaltung in 2000: IMAPS-Konferenz 2000 am 09. und 10. Oktober 2000 an der Technischen Universität in München
4. Die aktuellsten Informationen zu IMAPS-Deutscland können per Internet eingeholt werden: www.imaps.de
5. Firmenmitteilungen im Fachorgan PLUS Die PLUS kann als offizielles Fachorgan der IMAPS Deutschland e.V. für den Abdruck von kurzen Firmennachrichten/-mitteilungen aktiv genutzt werden. Mitglieder, die sich für diese Werbemöglichkeit interessieren wenden sich bitte an Dr. A. Stratmann oder Dr. D. J. Jendritza (Anschriften: siehe Vorstandsliste)
Die Proceedings der IMAPS-Herbsttagung 2008, die am
14./15. Oktober 2008 in München stattgefunden hat, können auf CD zum
Preis von
€ 55,--
und als Papierausdruck zum Preis von
€ 110,--
erworben werden.
Auch die Proceedings vorheriger Herbsttagungen und der Deutschen IMAPS-Seminare
2006 zum Thema Muss jeder Sensor smart sein? und 2007 zum Thema Flip Chip - die
Alternative zum Drahtbonden? sind noch erhältlich.Richten Sie bitte Ihre Bestellungen an:
Hier erhalten Sie aktuelle Informationen über Veranstaltungen und
Ansprechpartner von IMAPS Deutschland e.V. Darüber hinaus können Sie dort auch
Ihre Mitgliedschaft beantragen. Über Kritik und Anregungen, aber auch
inhaltlichen Input würde sich der Vorstand sehr freuen.
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