Thermisch-optimierte leiterplattenlose Elektronikbaugruppen-Technologie

Die hochgenaue und zuverlässige Synchronisation von verteilten Prozessen auf der Basis lokaler, synchronisierter Uhren ist eine wesentliche Grundlage für viele moderne, großräumige Systeme in der Informationsverarbeitung und Automation, wie beispielsweise Smart Grids, Mobilkommunikations-Infrastruktur, Fabriks- und Prozessautomation, Verkehrsleitsysteme, Finanzdienstleistungen oder Lokalisierung und Steuerung mobiler Geräte. In diesen Anwendungen werden aus Effizienzgründen nahezu ausschließlich paketorientierte Netzwerke verwendet. Die Uhrensynchronisation wird über spezielle Protokolle wie NTP (Network Time Protocol) oder PTP (Precision Time Protocol) realisiert, wobei diese speziell in großen Netzwerken entweder die erforderliche Genauigkeit nicht erreichen können oder für viele Anwendungen nicht ausreichende Verfügbarkeit und Robustheit aufweisen.

Das Ziel von HiProSync ist, im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen  robuste und genaue Synchronisation in den Endknoten selbst zu erreichen, ohne dabei spezielle Anforderungen an die Netzwerkinfrastruktur zu stellen. Der Endknoten wird dabei um eine Synchronisationslogik (Clock Engine) erweitert, die im Gegensatz zu normalen Endknoten auf multiple Referenzuhren (Master Clocks) gleichzeitig synchronisieren kann. Die unterschiedlichen Referenzen werden kontinuierlich überwacht und hinsichtlich der Qualität ihrer Zeitinformation bewertet. Die im Rahmen des Projekts zu erforschenden Algorithmen ermöglichen, ohne temporären Synchronisierungsverlust einen Ausfall oder fehlerhafte Zeitinformation von einer oder mehrerer Zeitreferenzen zu erkennen. Dazu werden insbesondere Statistiken der Paketlaufzeiten zwischen Endknoten im Netzwerk erstellt und zur Bewertung des Netzwerks herangezogen. Durch die Kombination der Information von mehreren HiProSync-Knoten können damit unterschiedliche Fehlerzustände wesentlich genauer und schneller bestimmt werden, wodurch die Robustheit der Uhrensynchronisation im Gesamtnetzwerk wesentlich gesteigert werden kann.

Die im Rahmen des Projekts erforschten Konzepte und Algorithmen werden mittels Simulationsstudien evaluiert. Dazu werden zunächst realistische und effiziente Modelle für Oszillatoren und die stochastischen Eigenschaften von Datennetzen erforscht, die durch entsprechende Messungen kalibriert und optimiert werden können. Diese Modelle bilden die Basis für die simulationstechnische Validierung der Synchronisationsalgorithmen im Hinblick auf Robustheit und Genauigkeit unter verschiedensten Szenarien. Im Zuge von Versuchsreihen im Labor und an dislozierten Standorten werden die entworfenen Algorithmen schließlich getestet. Der in HiProSync verfolgte Ansatz, Robustheit und Genauigkeit ausschließlich durch Maßnahmen im Endknoten zu etablieren, erleichtert eine spätere Umsetzung in praktische Anwendungen, da eine vorhandene Netzwerkinfrastruktur nicht verändert werden muss.

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Das Projekt HiProSync (High Precision and Robustness in network-based Clock Synchronization, FFG 848467) wird von der FFG im Rahmen des Brückenschlagprogrammes in der Programmlinie Bridge 1 gefördert.

Leiterplatten stellen den kritischen Engpass in thermischer aber auch in finanzieller Hinsicht (bis 20% der Kosten) beim Bau von starken LED-basierten Scheinwerfern dar. Diese Scheinwerfer werden in den nächsten Jahren den gesamten Automarkt durchdringen – alle anderen Typen werden bis auf wenige Ausnahmen im Niedrigpreissegment verschwinden. Die derzeitige technische Umsetzung, Leiterplatten auf enormen Kühlkörpern zu montieren, stellt einen teuren und Ressourcen-aufwendigen Lösungsansatz dar. Das Projekt strebt eine direktere Strategie an - die Integration der Elektronik in die Materialoberfläche selbst. Dies soll durch eine unmittelbare „Elektronik-auf-Metall“ (Kühlkörper)- bzw. „Elektronik-auf-Polymer“-Technologie (thermisch-leitend gefüllt) ermöglicht werden. Der Wegfall der Leiterplatten soll darüber hinaus das Recycling optimieren und den Ressourcenverbrauch verringern. Die Problematik wird in den einzelne Arbeitspaketen adressiert werden und lässt sich wie folgt zusammenfassen:

1) Aufbringen einer ultradünnen, hochisolierenden (porenfreien) aber hochwärmeleitenden Schicht auf eine Oberfläche,
2) Drucken der Leiterbahnen auf diese Oberfläche (Adhäsionsvermittler nötig + partiell 3D),
3) Assemblieren auf der 3-D-Oberfläche (Adaptierung der bestehenden Maschinenparks)
4) Löten/Kleben auf extrem wärmeleitenden Oberflächen (normaler Reflow nicht möglich!) und
5) korrosionsfeste Verkapselung der Baugruppen im Automobilstandard.

Ziel von TOLLE-Tech ist, diese neuartigen elektronischen Dünnschicht-Hybridsysteme als Leiterplattenersatz mit maximierter Wärmeableitung in thermisch kritischen Baugruppen von Automobilscheinwerfern zu integrieren und diese Aufbauten als neueste weltweit führende LED-Technologie zu etablieren.
Das Konsortium aus einem Produzenten (ZKW), einer Oberflächentechnologiefirma Attophotonics und einem Experten im Bereich thermischer Simulation sowie Sensor- & Messtechnik (Zentrum für Integrierte Sensorsysteme (ZISS) der Donau-Universität Krems) durchspannt die gesamte Wertschöpfungskette - im Bereich thermischer Messtechnik ist die TU-Wien ein externer Partner mit Spezialequipment. Damit sind die erforderliche F&E-Kompetenz, die technische Weiterentwicklung und zukünftig auch die Produktion am Standort Österreich sichergestellt. Der Fokus des Projekts entspricht dem Schwerpunkt 2.1.2.6 ,lt. Ausschreibungsleitfaden da neue optische und elektronische Funktionen durch innovative Oberflächenbehandlung via additiver Produktionsverfahren, CVD und Sol-Gel, mit Verbindungsverfahren durch Oberflächenstrukturierung auf atomarer Ebene erzeugt werden. Dadurch können neuartige integrierte Systeme auf nicht-planaren Oberflächen (Kühlkörper) realisiert werden. Die Erkenntnisse werden den Bau Ressourcen-schonender, kostengünstiger, von Drittlieferanten unabhängigerer Baugruppen für die allerletzte und kommende Generation von LED-Scheinwerfern erlauben. Der Projektpartner ZKW versorgt den Weltmarkt mit diesen Produkten und ist bereits an vorderster Front in diesem Segment etabliert.