Veranstaltungsinitiator Prof. Dr. Artem Ivanov (Sprecher
Forschungsschwerpunkt Elektronik und Systemintegration, Hochschule Landshut) betonte in seiner Begrüßung die breite Bandbreite der Themen. Er zeigte sich erfreut über die zahlreichen Vorträge und Anmeldungen aus Hochschulen, Forschungseinrichtungen sowie der Industrie. Das hohe Interesse der Praxis an den Erkenntnissen der Wissenschaft sowie Anmeldungen aus acht Bundesländern sowie Teilnehmer/innen aus Österreich und der Schweiz zeige die Bedeutung der Veranstaltung. Gerade der Austausch zwischen Wissenschaftlern und Experten/innen der Wirtschaft sei von großer Bedeutung, könne wertvolle Impulse für künftige technologische Entwicklungen setzen, wie Hochschulpräsident Prof. Dr. Fritz Pörnbacher in seiner Begrüßung erklärte. Das Symposium biete eine hervorragende Plattform, die die Basis für neue Kontakte, Kooperationen und Zusammenarbeiten bilden könne, dies sowohl in der Forschung als auch der anwendungsbezogenen Lehre. Organisiert wird das Symposium ESI vom Cluster Mikrosystemtechnik zusammen mit dem Forschungsschwerpunkt Elektronik und Systemintegration der Hochschule Landshut.
Elektronik in e-Textilien mit hohem Potenzial
Elektronik mit Textilien zu verbinden, finde in immer mehr Feldern Anwendung, wie Dr. Bernhard Brunner (Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC) in seinem Plenumsvortrag zum Thema „Elektronik in e-Textilien“ erläuterte. Den e-Textilien wird großes Wachstumspotenzial zugesprochen, lag das globale Marktvolumen im Jahr 2020 bei ca. 2,1 Mrd. US Dollar, liegt die geschätzte Steigerungsrate bei 18,5 Prozent bis 2027. Dabei dürfe man nicht nur an Wearables wie z.B. Uhren mit Vitalparameterüberwachung oder (beleuchtete) Regenjacken mit Sensoren, Energy Harvesting, oder Datenkommunikation denken. Den größten Marktanteil hätten Heizelemente, dies auch in Autositzen oder Heizdecken. Nicht nur die Sensorik biete viele Anwendungsbereiche, von der Haltungs-, Bewegungs- oder EKG-Sensorik, über die Schweißanalyse oder Druckmessfelder in Schuhen oder Sitzflächen, es könne auch wie bei der Elektro-Muskel-Stimulation (EMS) Strom in den Körper eingebracht werden. Dabei stellen sich hohe Anforderungen für elektrische Leiter in Textilien: sie müssen thermisch und chemisch beständig, dabei eine gute Leitfähigkeit aufweisen, waschbar, abriebfest, flexibel/dehnbar, hautverträglich und recyclingfähig sein. Die Realisierung erfolge durch Aufnähen, Aufsticken, Einstricken, gestickte Kabelschächte oder Leiterbandgewebe. Das Fraunhofer ISC beschäftigt sich mit Silikonen als Sensor- und Aktormaterial. Diese müssten beständig und auch sehr dehnbar sein, durch die Chemie der Materialien könne man beispielsweise das Elastizitätsmodul von 100 kPa bis 10 MPa variieren. Gerade Silikon biete hier große Vorteile, auch sei es mit anderen Materialien gut verbindbar. Es können elastische isolierende und leitfähige Schichten per Siebdruck auch auf stark gekrümmten Bauteilen aufgebracht werden. Auch als Sensor könne man das Material nutzen. Für die Aufbau- und Verbindungstechnik habe man bei Fraunhofer neue Lösungen entwickelt. Einmal in Form eines Steckers mit Anschlusskontaktfläche für Sensorelemente und Kabel, mit einfachem Klickverschluss im geschirmten Gehäuse. Entwickelt wurde auch das NCA-Bonding (Noncoductive Adhesive Bonding) für e-Textiles, ein Klebeverfahren, bei dem mit Druck und höheren Temperaturen das Verschmelzen und damit die elektrische und mechanische Verbindung in einem Prozess erfolgt. Im Gegensatz zum Flip-Chip-Lötverfahren kann auf das Hinzufügen eines Underfills verzichtet werden, da die am Prozess beteiligten Klebstoffe auch diese Funktion übernehmen. Gedruckte und flexible Elektronik lautete auch das Thema einer eigenen Session. Darin stellte Johannes Jehn (Hochschule München) einen Inkjet-gedruckten resisitiven Feuchtesensor auf Basis von Wolframoxid vor. Anette Wimmer (Hochschule Hof) referierte über die Erzeugung von dreidimensionalen Baugruppen durch Hochdruckumformen und Hinterspritzen, Nesrine Naziri (TU Ilmenau) berichtete über flexible thermoelektrische Generatoren. Einen Vergleich von Methoden und Materialien, um elektrische Verbindungen von gedruckter Elektronik auf oft temperatursensiblen Substraten zu optimieren, bot der Vortrag von Prof. Dr. Artem Ivanov (Hochschule Landshut).
Praxisanwendung in der Leistungselektronik
Die hybride Umsetzung einer Stromversorgung mit digital konfigurierbarer Regelung für Embedded-Systeme, zeigte Markus Böhmisch (Elec-Con technology GmbH) im zweiten Plenumsvortrag. Dabei wird der Controller für den Wandler mit einem Mikrocontroller mit analogen Komponenten realisiert. Die Messdatenerfassung erfolgt direkt über Wandler, die vom übergeordneten digitalen System überwacht werden. Die hohe Sicherheit einer analogen Regelung, kombiniert mit einer digitalen Überwachung und Steuerung, biete viele Anwendungsfelder von der Industrie 4.0, über die Predictive Maintenance oder auch für Steigerung der Lebensdauer verschiedener Akkus. So wird auch eine individuell konfigurierbare Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ermöglicht. Vor Inbetriebnahme muss die Stromstärke optimiert, Nennstrom und Spannung über ein übergeordnetes System eingestellt werden. Damit sind z.B. Laderoutinen für unterschiedliche Akku-Typen möglich, auch der Ladestatus ist überwachbar. Den Einsatz eines hybriden Systems zeigte er am Beispiel eines Abwärtswandlers bzw. Tiefsetzstellers. Per Current Mode Control wird ein Überstromschutz mit Abschaltung integriert, der Mikrokontroller beinhaltet eine Routine, die das Wiedereinschalten verhindert. Für die richtige Dimensionierung ist eine Abschätzung von Unter- oder Überschwingungen bei Lastsprüngen ebenso von Bedeutung wie die Frage, wie schnell das System reagiert (Durchtrittsfrequenz). Die Phasenreserve als Maß für den Abstand zur Stabilitätsgrenze sei ebenfalls zu beachten. Das aufwändige Frequenzkennlinienverfahren ermöglicht es, eine Regelung genau einstellen und Lastsprünge ausregeln zu können. In der Session Leistungselektronik gab es wertvolle weitere Impulse. So gab beispielweise Prof. Dr. Till Huesgen (Hochschule Kempten) einen Überblick zum Stand der Technik und über aktuelle Herausforderungen beim Leiterplatten-Embedding von Leistungshalbleiterbauelementen. Dies biete Vorteile wie kürzere Strompfade und verbesserte Entwärmung, aber auch Herausforderungen wie Isolationsfestigkeit, feuchteinduzierte Kupfer-Korrosion oder Brüche, da die eingesetzten Komponenten an den Materialausdehnungskoeffizienten von Kupfer angepasst sein müssten. Ein Galliumnitrid (GaN)-Leistungsmodul auf Basis einer 3-Level-Flying-Capacitor Topologie, um die Bordnetzspannung zu stabilisieren und das gewünschte Spannungsniveau bei Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeugen einzustellen, zeigte Janusz Wituski (Hochschule Landshut).
Entwicklungen rund um vernetzte Systeme, Aufbau- und Verbindungstechnik und Sensorik
Einen Schwerpunkt mit großer Themenvielfalt boten auch zwei Session zu vernetzten Systemen. So zeigte Ralf Eckhardt (Texas Instruments Deutschland GmbH) das Potenzial von Zweidraht-Ethernet-Anwendungen für den Automobil- und den Industrie-Sektor, aber auch Herausforderungen in einem Vergleich der Anforderungen und Einsatzmöglichkeiten. Wie Antennen und HF-Schaltungen effizient für industrielle Anwendungen auf Leiterplatten designet werden können, erläuterte Dirk Linnenbrügger (FlowCAD EDA-Software Vertriebs GmbH). Eine Plattform für den Peer-to-Peer-Energiehandel über Blockchain stellte Alexander Krutwig (Mixed Mode GmbH) vor. Auch aktuelle Entwicklungen in der Aufbau- und Verbindungstechnik wurden in einer Session aufgezeigt. Neue Anwendungsgebiete und eine verbesserte Integrationsfähigkeit der LTCC-Keramik verspreche reaktives Löten mit selektivem Wärmeeintrag im Bondinterface mit einer zündfähigen Schicht als interne Wärmequelle. Diese für temperaturempfindliche Bauelemente geeignete Löt-Methode beleuchtete Thomas Herbst (VIA Electronic GmbH). Zuverlässigkeit von SAC+ Loten unter thermomechanischem Stress wurde von Maximilian Schmid (TH Ingolstadt) diskutiert, Nihesh Mohan (TH Ingolstadt) stellte einige Varianten der kupferbasierten Sinterpasten für die Anwendung in Leistungs- und gedruckter Elektronik vor. Mit der Sicherstellung der Funktionsfähigkeit von Sensoren und der Speicherung von Daten bei der Umfelderkennung im Bereich des autonomen Fahrens beschäftigte sich ein Vortrag von Prof. Dr. Gordon Elger (Fraunhofer Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme – IVI). Vorträge im Themenfeld Sensorik befassten sich u.a. mit der Bestimmung der thermischen Parameter Wärmeleitfähigkeit und -kapazität einer Lithium-Ionen Pouchzelle (Felix Gackstätter, Hochschule Landshut) und dem nano-3D-Druck zur Sensorentwicklung (Prof. Dr. Matthias E. Rebhan, Hochschule München). Weitere Informationen zum Symposium bietet der Tagungsband mit 15 wissenschaftlich ausgearbeiteten Beiträgen. Beiträge des Tagungsbandes können per E-Mail an itz@haw-landshut.de angefordert werden, der gesamte Tagungsband wird im Oktober per Open Access OPUS-Datenbank über die Deutsche Nationalbibliothek veröffentlicht. Weitere Informationen zum Symposium – und auch das Inhaltsverzeichnis des Tagungsbandes bietet die Veranstaltungshomepage unter
www.symosium-esi.de.
