SMART Solutions 2011

Transkript

1 SMART Solutions

2 RFID in der Elektronikindustrie 83 RFID Value Creators in Electronics UHF RFID auf dem PCB: Smarte Wertschöpfung in der Elektronikindustrie von Alexander Schmoldt Immer wieder wird in der Elektronikindustrie nach einer Lösung gesucht, die neben reiner Rückverfolgbarkeit (Traceability) auch noch weitergehende Funktionen erfüllen kann. Verfahren optischer Identifikation, wie Barcode oder Datamatrix, scheiden hier aus, denn sobald die Leiterplatte (PCB Printed Circuit Board) im Gehäuse verbaut ist, wird der Zugriff auf diesen Informationsträger unmöglich. Immer wieder wurden Untersuchungen im Bereich der RFID unternommen, doch lag hierfür bisher keine flexible, universell einsetzbare Lösung vor. Abbildung 6 - Kathrein LORA zur Vereinzelung Zunächst wurden RFID-Technologien in den LF- und HF-Frequenzbändern untersucht. Diese schienen im Prinzip geeignet zu sein, da auch hier passive - also batterielose - Lösungen existieren. Gerätegehäuse und Umverpackung oder Versandkarton stellen kein Hindernis mehr dar, da es sich um funkbasierte Verfahren handelt. Doch erfordern diese Technologien durch die niedrigen Frequenzen (LF 125kHz, HF 13,56MHz) und die damit verbundene große Wellenlänge auch relativ große Antennen auf der Tagseite, will man Reichweiten erzielen, die über wenige Zentimeter hinausgehen. Damit bleibt bei den Verfahren passiver RFID gegenwärtig noch das UHF-Band übrig. Hier reichen kleine bis sehr kleine Antennengrößen und es lassen sich Reichweiten über 5 m erzielen. Diese Kommunikationsdistanz ermöglicht Anwendungen über die gesamte Wertschöpfungskette (s. Abbildung 1) von Begin of Life bis zu End of Life eines Produktes. Die noch folgenden Ausführungen werden zeigen, dass dies sogar den Prozess der Produktentwicklung mit einschließt. Hinzu kommt, dass es sich bei UHF RFID dank ISO und EPC Global um einen globalen Standard handelt, d.h. selbst bei Produktion in Fernost und Lieferung der fertigen oder halbfertigen Produkte in die USA oder nach Europa kann diese Identifikationstechnologie nahtlos eingesetzt werden. Zudem gestattet die aktuelle RFID- Technologie auch ein Hinzufügen oder Verändern der Daten am Objekt, was einen weiteren entscheidenden Unterschied zu den optischen Identifikationsverfahren darstellt. Zu guter Letzt ermöglicht der UHF Standard auch Pulkerfassung - ein Grund, warum die Technologie zur Zeit besonders in der Modebranche massiven Einsatz findet. Sicher ist hier zu erwähnen, dass durch das oftmals viele Metall in den Elektronikgeräten eine Pulkerfassung noch eine Herausforderung darstellt. Jedoch hat Siemens bereits den praktischen Nachweis erbracht, dass dies auch bei elektronischen Produkten ein lösbares Problem darstellt. (1) Eine weitere Hürde bei der Einführung von RFID-Technologie stellt die Systemintegration dar, die häufig als problematisch oder schwierig wahrgenommen wird und zum Scheitern von RFID-Projekten geführt hat. (2) RFID Value Creators in Electronics Gemeinsam im Konsortium zum Erfolg Im Folgenden soll nun dargelegt werden, wie die technischen Probleme, die einen Einsatz von RFID in der Elektronikindustrie bisher ausgebremst hatten, vollends gelöst worden sind. Zudem wird das Konsortium RFID Value Creators in Electronics vorgestellt, welches die Verbreitung dieser Lösungen unterstützt. Das Problem der Integration wird bereits im Vorfeld durch das Angebot von kompletten Systemlösungen gelöst, und muss nicht erst mühsam und kostenintensiv vom Anwender gelöst werden. Dies geschieht durch eine skalierbare und flexible Lösung, die die Konsortiumspartner gemeinschaftlich anbieten. Damit ist es zum ersten Mal in der Industrie möglich, RFID bereits bei den ersten Schritten der Produktentwicklung einzusetzen und basierend darauf über die gesamte folgende Kette Mehrwert zu generieren. Dies kann bis hin zu Dienstleistungen für Kunden reichen, die auf das Vorhandensein der RFID-Funktion aufsetzen. Das Konsortium hat bereits mehrfach mit Erfolg bewiesen, dass dieses Konzept nicht nur sinnvoll ist, sondern dass alle an der Prozesskette Beteiligten von RFID profitieren können, beispielsweise bei der Umsetzung der RFID-Lösung bei der Firma Schneider Electric. (3) Aktuelle Mitglieder des Konsortiums sind die Firma Murata, mit dem Magicstrap als optimale Lösung für die Nutzung der Leiterplatte als RFID-Tag, sowie die Firma Kathrein, die mit ihren verschiedenen Antennenlösungen mit unterschiedlicher Reichweite, speziell der LORA mit außerordentlich hoher Selektivität, ermöglichen, dass die Platine als Taglösung über die gesamte Wertschöfungskette genutzt werden kann. Zu diesen Gründungsmitgliedern kommt die Firma Beta LAYOUT, welche mit dem Verfahren zur Einbettung des Magicstrap in Prototypen RFID bereits in der Produktentwicklung nutzen lässt. Die Firma alpha-board schließlich bietet Kunden mit besonderen Anforderungen an das Antennendesign auf dem PCB Unterstützung beim Layout.

3 84 RFID in der Elektronikindustrie Software Development Enviroment Middleware Customer Specific Solutions Abbildung 1 Im Anfang ist das PCB Das grundlegende Element eines RFID Systems ist das Tag als Träger der ID und eventueller weitergehender Informationen. Bei Elektronikprodukten stellt sich dann aufgrund der Komplexität und Größe die Frage, wo der Träger des Wertes liegt und wo der Einsatz eines Tags am sinnvollsten ist. Damit ist in unserem Zusammenhang gemeint, dass die RFID-Funktion über die gesamte Wertschöpfungskette nutzbar wird. Naturgemäß ist es die Leiterplatte (PCB Printed Circuit Board), welche sich in den Geräten befindet. Sie ist der Träger der Funktionen und stellt auch den Anfang des Wertschöpfungsprozesses dar. Das PCB hat eine Eigenschaft an sich, die es für die Verwendung von RFID prädestiniert bisher allerdings nur in der Theorie, da die technische Lösung fehlte. Diese Eigenschaft ist eine große Fläche aus Metall, die als eine Lage in dem PCB selbst verborgen ist, der sogenannten Massefläche. Diese Metalllage stellt im Prinzip eine Antenne dar. Je nach Schaltung erstreckt sich diese Massefläche (ground plane) über den Grossteil der Leiterplatte oder nur über eine kleinere Fläche, durchgängig oder unterbrochen. Somit besitzt die Massefläche deutlich variierende elektrische Eigenschaften, die eine tatsächliche Nutzung bisher schwierig bis unmöglich gemacht haben. An dieser Stelle setzt der Magicstrap von Murata an. Murata kombiniert im Magicstrap einen konventionellen UHF RFID IC (aktuell G2XM /XL von NXP) mit einem keramischen Multilayer, in dem eine adaptive Anpassungsschaltung dreidimensional über die einzelnen Keramikschichten aufgebaut ist (siehe Abbildung 2). Das Ganze ergibt ein elektronisches Bauteil, welches im Standardverfahren der Elektronikindustrie, der Oberflächenmontage (surface mount technology SMT), auf die Leiterplatte aufgebracht werden kann. Die Anpassungsschaltung ermöglicht die grundsätzliche Nutzung der Massefläche als Antenne und ist auch noch so flexibel, dass dabei selbst bei den oben beschriebenen variierenden Rahmenbedingungen immer ein funktionierendes Tag entsteht. Einzig die Reichweite variiert hierbei. Der Platzbedarf auf der Leiterplatte ist minimal, wie Abbildung 3 zeigt. Eine Fläche von 0.25 mm² reicht, um bei der dargestellten Größe bereits auf eine Reichweite von über 50 cm zu kommen. Murata stellt vier Layouts zur Verfügung, die bei gegebener Größe des PCBs unterschiedliche Lesereichweiten ergeben (Abbildung 3). Ein weiterer Faktor, der Einfluss auf die Reichweite nimmt, ist die Länge der längsten Seite des PCBs. Abbildung 4 zeigt, wie die Reichweite hierbei variiert. Das Layout Typ 3 zeigt sich hier auch als das flexibelste und bildet den besten Kompromiss zwischen Reichweite und Platzbedarf auf der Leiterplatte. Mit einer derart skalierbaren und flexiblen Lösung lässt sich nahezu immer aus einer Leiterplatte ein UHF Tag erzeugen. Der Aufwand dabei ist minimal. Einzig das entsprechende Layout zur Kontaktierung der Massefläche muss gewählt werden. Die dafür notwendigen Layoutdaten stellt Murata interessierten Kunden kostenfrei zur Verfügung. Eine Untersuchung von Kathrein belegt diese Flexibilität und zeigt zudem auf, dass sich das zu erwartende Ergebnis sehr gut vorab simulieren lässt. (4) Dies selbst dann, wenn im Panel gefertigt wird, d.h. bei Koexistenz mehrerer

4 RFID in der Elektronikindustrie 85 PCB-Tags nebeneinander. Darüber hinaus zeigt die Untersuchung auf, dass sich bei Bedarf mit Hilfe einer geeigneten Simulationssoftware, von den Standardlayouts ausgehend oder durch ein spezifisches Design, in der Regel eine weitere Optimierung der Lesereichweite erreichen lässt, sofern nötig. Die Firma alpha-board bietet hier als Dienstleistung an, solche Layoutoptimierungen für Kunden zu entwickeln. Mit dieser Lösung wird also der Träger des Wertes, nämlich das PCB Abbildung 2 Abbildung 3 selbst zum Tag, also gleichzeitig zum Träger des Identifikationsmerkmals. Damit ist die effizienteste Kombination von RFID-Technologie und Produkt erreicht, zumal auch noch auf die in dieser Industrie vorherrschenden Standardproduktionsprozesse aufgesetzt wird. Das Produkt selbst wird ganz zu Beginn des Entstehungsprozesses zum smart object, und diese Eigenschaft steht für alle weiteren Prozessschritte in der Kette ohne Medienbruch zur Verfügung. Gut gelesen ist ganz gewonnen RFID ist, soll die Anwendung verlässlich funktionieren, immer als Systemlösung zu betrachten. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, neben der Tagseite auch die Seite des Reader-Writers zu betrachten. Um möglichst viele Bereiche der Wertschöpfungskette adressieren zu können, ist es auch auf Readerseite notwendig, den Anforderungen an unterschiedliche Reichweiten Rechnung zu tragen. Im Falle von UHF RFID kommt im Bereich der Produktion, wo man häufig möglichst eine Platine individualisiert ansprechen will, die Problemstellung der so genannten unwanted reads hinzu. Wie bereits aufgezeigt, lassen sich mit den durch den Magicstrap zu Tags umgewandelten PCBs ohne Probleme Reichweiten von mehreren Metern erzielen. Dies hat zur Konsequenz, dass ein Reader, dessen Antenne und Sendeleistung auf maximale Reichweite konzipiert sind, auch alle Tags, die sich in dessen Feld befinden, erfasst. In Logistikanwendungen, wo es häufig Produkte im Pulk zu erfassen gilt, ist diese Eigenschaft von Vorteil. In der Elektronikproduktion aber, wo unter Umständen einzelne Platinen irrtumsfrei identifiziert werden sollen, stellt dies einen Nachteil dar. In der Regel wird hier im Nutzen produziert, d.h. mehrere Platinen laufen in einem Rahmen miteinander verbunden die Fertigungsstrasse entlang (Abbildung 6). Bei der Bestückung, d.h. der Montage der einzelnen Komponenten auf der Leiterplatte, kann durchaus der Bedarf bestehen, genau zu identifizieren, auf welche der Platinen der Bestückungsautomat gerade die Komponenten aufbringt. An dieser Stelle setzt das Produktportfolio von Kathrein an. Kathrein bietet neben Antennen für mittlere Reichweite (zum Beispiel für Anwendungen in der Intralogistik) oder große Reichweite (wie bei Logistikanwendungen und für die Pulkerfassung gefordert) mit der LORA auch eine Antenne mit optimaler Charakteristik für die Vereinzelung von sehr dicht nebeneinander liegenden UHF Tags an (siehe Abbildung 5). Zur weiteren Optimierung lassen sich auch Maßnahmen auf der Ebene der Software ergreifen. Die Grundlage aber für ein verlässlich funktionieren- Abbildung 4

5 86 RFID in der Elektronikindustrie Abbildung 5 des System bildet die geeignete Antenne. Im RFID-Labor und Demonstrationszentrum von Kathrein in Amerang, weniger als eine Autostunde südlich von München gelegen, kann dieses Funktionsprinzip in der Praxis von Interessenten begutachtet werden. In einer kleinen Demonstrationsfertigungslinie wird hier in realer Umgebung die Funktionalität und Verlässlichkeit der Lösung aufgezeigt (siehe Abbildung 6). Einem Einsatz in der Elektronikproduktion steht somit nichts mehr im Wege:. Erwiesenermaßen führt die Beachtung des Systemcharakters von RFID in Kombination mit der passenden Technologie auf Tag- wie auf Readerseite zum Erfolg. Gemeint ist dabei, dass die zum RFID-Tag umgewandelte Platine trotz konträrer Anforderungen in den Teilbereichen über die gesamte Wertschöpfungskette genutzt werden kann. Back (in)to the Roots zurück zu den Anfängen Bevor es aber tatsächlich zur Produktion kommt, gilt es noch einmal einen Schritt zurück zu machen, um einen weiteren Prozess zu erwähnen: den Bereich der Produktentwicklung. Da sehr viele Firmen heute entweder keine eigene Fertigung mehr besitzen, oder aber bei eigener Fertigung ausgelastet bzw. auf hohen Durchsatz optimiert sind, ist in der Elektronikindustrie ein Bedarf für die Fertigung von Prototypen entstanden. Eine Firma, die sich hier als Marktführer etabliert hat, ist Beta LAYOUT. Da in der Entwicklung aufgrund immer kürzer werdender Produktinnovationszyklen und steigenden Kostendrucks mit enorm hohem Zeitdruck gearbeitet werden muss, ist schnellstmögliche Herstellung der Prototypen eine häufig gestellte Forderung. Deswegen spricht man dabei auch vom Rapid Prototyping. Beta LAYOUT setzt nun bei den Bedürfnissen an, welche aus der Entwicklung kommen: Hier sind oftmals mehrere von außen nicht zu unterscheidende PCBs zu differenzieren sei es, weil eine unterschiedliche Softwareversion verwendet wird oder Bauelemente zum Einsatz kommen, die optisch identisch sind, aber unterschiedliche elektrische Eigenschaften besitzen. RFID stellt die ideale Lösung dar, um die Verwaltung dieser Prototypen zu übernehmen. Bei der hochinnovativen Lösung von Beta LAYOUT kommt eine weitere Eigenschaft des Magicstrap zum Tragen. Die Anpassungsschaltung in dem Multilayer des Magicstrap funktioniert auch als Antenne, d.h. der Magicstrap allein kann als vollständiger UHF-Tag eingesetzt werden. Da die Tag-Antenne hierbei minimal ist, reduziert sich folglich die Reichweite. Dennoch sind hierbei Reichweiten von mehreren Millimetern erreichbar, ohne dass irgendeine Art von externer Antenne notwendig ist. Beta LAYOUT hat nun ein Verfahren entwickelt, um den Magicstrap in die Leiterplatten einzubetten, welche sie im Kundenauftrag produzieren. Mit Einbetten ist hier gemeint, dass das IC-Modul von Murata vollkommen von der Oberfläche der Leiterplatte verschwindet und in diese eingebaut wird. Neben dem Einsatz zur Prototypenverwaltung ist dies eine Anwendung, die sich auch zum verdeckten Plagiatschutz empfiehlt. Beta LAYOUT bietet seinen Kunden an, deren Prototypen mit eingebetteter RFID- Funktionalität zu liefern, wenn dies erwünscht ist. Neben der Verwaltung von Prototypen haben Kunden damit die Möglichkeit, bereits in diesem frühen Produktentstehungsstadium erste Evaluierungen der Funktionalität von RFID vorzunehmen. Für diesen speziellen Anwendungsfall kann dennoch Standard-Readertechnologie verwendet werden. Die einzige Besonderheit ist, dass eine Schlaufenantenne für die erfolgreiche Kommunikation mit dem Magicstrap eingesetzt werden muss. Beta LAYOUT bietet hier eine Lowcost Lösung an. Sollten industrielle Anforderungen an die Lösung gestellt werden, so lässt sich auch die LORA von Kathrein einsetzen, welche ebenfalls mit dem Magicstrap ohne Boosterantenne koppelt. Somit kann RFID bereits bei der Produktentwicklung gewinnbringend zum Einsatz kommen. Die Anwendung hier reicht von der Verwaltung von Prototypen über Technologie-Evaluierung bis hin zum Schutz vor Produktpiraterie, sollte die eingebettete Lösung auch in der Serie genutzt werden. Es stellt sich neben der Entwicklung von neuen Produkten auch immer wieder die Frage, wie ein bereits bestehendes PCB mit RFID-Funktion ausgestattet werden kann. Auch dies ist mit dem Magicstrap möglich. Es muss einfach nur beim nächsten Redesign eines der Antennenlayouts zugefügt werden. Für Anwender, die keine Simulationssoftware besitzen oder einfach nur ein paar erste praktische Tests vornehmen wollen, bietet Beta LAYOUT eine hilfreiche Zwischenlösung: minipcbs, ausgestattet mit einem der drei kleinsten Layouts für den Magicstrap, welche einfach auf das bestehende PCB montiert werden können, um erste Funktionstests vorzunehmen. Somit ist die hier besprochene UHF RFID-Lösung geeignet, ganz von Beginn an Nutzen in der Elektronikindustrie zu generieren. Daten, die an dieser frühen Stelle durch die eindeutige Identifikation von Mustern erzeugt werden können, stehen somit verlässlich während der gesamten Phase der Produktentwicklung zur Verfügung - und darüber hinaus.

6 RFID in der Elektronikindustrie 87 Harte Fakten durch weiche Ware schaffen Der Nutzen einer RFID-Lösung hängt in starkem Masse auch von der Software ab, die hierbei Verwendung findet. In der Regel existiert bereits eine etablierte IT-Infrastruktur in den in Frage kommenden Prozessen. Die Integration der oben beschriebenen Tag- und Readerlösung muss möglichst schnell und reibungslos vonstatten gehen. Hierzu ist eine spezielle Art von Applikation entstanden, die so genannte Middleware. Diese Software stellt sicher, dass zum Einen die richtigen Daten ihren Weg aus den Tags zu den Readern finden. Zum Anderen aber auch, dass diese Daten in die relevanten Datenbanken oder Eventmonitore gelangen. Dabei spielen durchaus auch physikalische Aspekte und Prozessverständnis eine große Rolle. Immer wieder kommt es vor, dass auch Tags in das Feld eines Lesers geraten, die nicht prozessrelevant sind. Neben der optimalen Kombination von Tag- und Readerdimensionierung kann dieses Problem auch durch intelligente Softwarealgorithmen gelöst oder zumindest vereinfacht werden. Anstatt das Rad immer wieder neu zu erfinden, existieren mittlerweile hervorragende Softwarelösungen, in die über Jahre hinweg Algorithmen integriert wurden. Gute Middleware kann helfen, immense Kosten auf dem Weg von der ersten Machbarkeit bis hin zur Einführung in die aktuellen Prozesse zu sparen. Und das ist alles nur der Anfang... Wie hier gezeigt wurde, existiert nun eine flexible und skalierbare Systemlösung für RFID in Elektronikprodukten. Einzigartig ist, dass Lösungen über die komplette Wertschöpfungskette bereit stehen oder gerade in Entwicklung sind. Anwendungen wie zum Beispiel bei Schneider Electric zeigen, dass dies auch für sehr große Unternehmen einen immensen Vorteil bietet. Neben dem Einsatz für die Rückverfolgbarkeit und die Prozesskontrolle sind durch den Umstand, dass die Informationen auch durch Gerätegehäuse und Umverpackung abrufbar bleiben, nun Anwendungen über die gesamte Prozesskette realisierbar. Zu den dringlichsten gehört sicherlich der Schutz vor Produktpiraterie - Anwendungen, die bereits in der Praxis existieren. Es liegt an der Natur der Sache, dass an dieser Stelle keine Details dazu veröffentlicht werden können. Der Nutzen von RFID erstreckt sich bis zum Lebensende (End of Life) eines Produktes. An dieser Stelle der Wertschöpfungskette steht das Produktrecycling. Die Wichtigkeit einer Beachtung dieses Themas liegt zum Einen an den immer schärfer werdenden diesbezüglichen Regularien, wie z.b. die Direktive 2002/96/EC der EU - wobei gerade die EU erkannt hat, dass RFID eine gute Möglichkeit darstellt, um das Recycling von Elektronikprodukten systematisch zu realisieren. Etliche konkrete Projekte werden bereits in diesem Zusammenhang gefördert (5). Zum Anderen machen die Kostenentwicklungen an den Rohstoffmärkten eine effiziente Rückführung von wertigen Materialien in den Produktionsprozess immer dringender erforderlich. Sobald ein Unternehmen die gesamte Kette im Blick hat (Abbildung 1) wird auch die Kalkulation eines ROI mehr als einfach, da die Kosten durch die vielfältigen Nutzen, die oftmals auch erst nach erfolgter Einführung identifiziert werden, in kurzer Zeit amortisiert werden. Den Anfang bildet jedoch, wie aufgezeigt, die Leiterplatte als Träger der RFID-Funktion effizient zu nutzen. Dadurch wird der maximale Nutzen bei minimaler Investition ermöglicht. Das Konsortium hat es sich zur Aufgabe gemacht, diese RFID-Technologie für alle Interessenten nutzbar zu machen und das Spektrum der Anwendungen kontinuierlich zu erweitern. Die Mitglieder sind bereits in den Dialog mit verschiedenen Industrieverbänden getreten und stehen jederzeit für vertiefende Diskussionen zur Verfügung. Auch sind weitere Unternehmen, die gerne an der Einführung von RFID in der gesamten Kette oder in einzelnen Bereichen davon mitarbeiten wollen, jederzeit zum Dialog und zur Kooperation eingeladen. Eine besondere Problematik zeigt sich in dem Bruch, der in dieser Industrie in der Wertschöpfungskette durch die Nutzung von Subunternehmen bei der Herstellung und Bestückung der PCBs entstehen kann, sogenannte EMS (Electronic Manufacturing Services). Das Konsortium lädt die beteiligten Unternehmen in diesem Fall zum konstruktiven Dialog ein, um gemeinsam Cost- Sharing Modelle zu gestalten. Sehr oft zeigt sich auch, dass es das fehlende Wissen um das Vorhandensein der bereits existierenden Lösungen ist, welches die Einführung der RFID-Technologie bei Unternehmen verhindert hat. Die Mitglieder werden deswegen in der nächsten Zeit auch vermehrt Vorträge zum Thema auf relevanten Veranstaltungen halten. An dieser Stelle gilt ein besonderer Dank des Verfassers all den Menschen, die durch ihren aktiven Beitrag, viel Engagement und Offenheit dazu beigetragen haben, dass dieses Projekt bereits so weit gediehen ist und weiter wächst. Zudem bereits jetzt besten Dank an alle, die noch dazu stoßen werden. Quellennachweise: (1) (2) (3) (4) (5) (S.3, 2.1. The social contribution of RFID) Ihr Ansprechpartner: Alexander Schmoldt ist Business Development Manager - Europe bei der Murata Elektronik GmbH Tel: aschmoldt@murata.de