28. März 2019 Leiterplatten für Hochfrequenz- und Radar ... · Materialeigenschaften (E-Modul:...
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Leiterplattenlayout: Tipps und Tricks vom Hersteller für ein fertigungsoptimiertes PCB-Layout | Seite 2
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Agenda
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1 KSG GmbH – wer wir sind
2 Einleitung in das Thema Hochfrequenz
3 Anwendungsfelder
4 Leiterplattenrelevante HF-Grundlagen
5 Anforderungen an die Leiterplatten
6 Die 5 Erfolgs-Faktoren für HF-Leiterplatten
1. HF-Basismaterialien
2. Leiterstruktur
3. Bohrbearbeitung
4. Fräsbearbeitung
5. Qualitätssicherung
7 Aktuelle Anwendungsbeispiele
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Agenda
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1 KSG GmbH – wer wir sind
2 Einleitung in das Thema Hochfrequenz
3 Anwendungsfelder
4 Leiterplattenrelevante HF-Grundlagen
5 Anforderungen an die Leiterplatten
6 Die 5 Erfolgs-Faktoren für HF-Leiterplatten
1. HF-Basismaterialien
2. Leiterstruktur
3. Bohrbearbeitung
4. Fräsbearbeitung
5. Qualitätssicherung
7 Aktuelle Anwendungsbeispiele
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Mit innovativen Produktions-technologien und erfahrenen Mitarbeitern entstehen in Gornsdorf und Gars am Kamp mehr als 350.000 m² Leiterplatten pro Jahr. Jede einzelne Leiterplatte wird dabei individuell – ganz nach den Vorgaben unserer Kunden produziert.
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Wer wir sindDaten und Fakten
Leiterplattenproduktion in High-Tech Serien p.a
350.000 m²Kunden für
Leiterplatten und Eingabesysteme
110Jahre
Technologiegeschichte
1.000
Mitarbeiter
1000
Fertigungsfläche
45.000 m²
133Mio. Euro Umsatz in
2018
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2 Einleitung in das Thema Hochfrequenz
3 Anwendungsfelder
4 Leiterplattenrelevante HF-Grundlagen
5 Anforderungen an die Leiterplatten
6 Die 5 Erfolgs-Faktoren für HF-Leiterplatten
1. HF-Basismaterialien
2. Leiterstruktur
3. Bohrbearbeitung
4. Fräsbearbeitung
5. Qualitätssicherung
7 Aktuelle Anwendungsbeispiele
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Begriffserklärung Hochfrequenz
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Einleitung
Die Grenze zwischen Nieder- und Hochfrequenz wird bei 10 MHz angenommen, da ab hier die typischen thermischen Wirkungen hochfrequenter Felder in Erscheinung treten.
Der Hochfrequenzbereich reicht im elektromagnetischen Spektrum bis ca. 300 GHz
Weitere speziell bezeichnete Frequenzbereiche sind die Radiowellen, die Mikrowellen sowie die Zentimeter- und Millimeterwellen.
Quelle: Bundesamt für Strahlenschutz
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Kontrollierte Impedanzen auf der Leiterplatte
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Anwendungsfelder
Automotive Parking Aid 40
kHz
Electronic Car Key
433 – 868 MHz
Terrestrial TV VHF 87 – 230 MHz
UHF 470 x 862 MHz
Cable TV4 MHz – 1 GHz
Navigation Systems
1,2 – 1,575 GHz
Mobile Phone (iphone)
850 MHz – 2,2 GHz (UMTs)
Follow-up systems5 GHz
100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz
W-LAN2,4 – 5,725 GHz
NetworkingSystems
3,6 – 6,25 GHz
TV Astra13,75 – 14.0 GHz
Satellite TV10,7 – 12,75 GHz
DSL Satellite13,0 – 15,0 GHz
AutomotiveAdaptive
Cruise Control66 – 77 GHz
AutomotiveDistanceControl
24,0 GHz
Spezielle Hybridaufbauten mitHF-Materialien (keramikgefüllt, Teflon)
Spezielle Konstruktionen mitHF optimierten FR-4 Mat.
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3 Anwendungsfelder
4 Leiterplattenrelevante HF-Grundlagen
5 Anforderungen an die Leiterplatten
6 Die 5 Erfolgs-Faktoren für HF-Leiterplatten
1. HF-Basismaterialien
2. Leiterstruktur
3. Bohrbearbeitung
4. Fräsbearbeitung
5. Qualitätssicherung
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Allgemeine Hochfrequenz-Übertragungsleitungen
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Leiterplattenrelevante HF-Grundlagen
System A System BÜbertragungsleitung
Eine ausreichende Übertragungsqualität muss auch auf der Leiterplatte gewährleistet werden.
Bandleitung Koaxialkabel Schlitzkabel Hohlleiter Lichtwellenleiter
Zur Übertragung von Audio- oder Rundfunksignalen
Funkdienstversorgung in großen Gebäuden oder Tunnel mit UMTS, WLAN
Mikrowellenherd Richtfunkanlagen Radioteleskope
Übertragungs-medium in der Nachrichtentechnik
13Leiterplatten für Hochfrequenz- und Radaranwendungen xV 1.0 | Seite
Leiterplattenrelevante HF-Grundlagen
System A
Leiterbahn verhält sich wie ein Bauteil – eine „Übertragungsleitung“
es muss eine Impedanzanpassung erfolgen, um Übertragungsfehler zu vermeiden
die gewünschte Impedanz einer Leitung ist Bauelemente- bzw. schaltungsabhängig
Quelle50 Ohm
Übertragungsleitung 50 Ohm
Abschluss50 Ohm
Übertragungselement - Leiterplatte
Impedanzkontrollierte Leiterbahnen Substrate integrated waveguide Lichtwellenleiter
Surface microstrip / edge-coupled surface microstripoffset stripline / edge-coupled offset stripline / …Impedanzberechnungssoftware SI8000, Messgerät CITS880s, Datalog Report Generator
Signalführung im Dielektrikum zwischen Masselagen
Geprägte Licht-wellenleiter im Multilayerverbund
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Übertragungselement - Leiterplatte
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Leiterplattenrelevante HF-Grundlagen
Hochfrequenz-Übertragungsformen in der Leiterplatte
Fingerkoppler Filter /4 Elemente Patch Antennen Ringresonatoren
Hochfrequenz-Bauelemente auf der Leiterplatte
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Hochfrequenz-Technik
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Leiterplattenrelevante HF-Grundlagen
Skin Effekt𝛿 =
1
𝜋∗𝑓∗µ∗𝑘
f = Frequenz
µ = Permeabilität
k = elektrische Leitfähigkeit
• Beispiele für die Eindringtiefen
• f = 100 MHz δ = 6,6 µm
• f = 1 GHz δ = 2,1 µm
• f = 10 GHz δ = 0,7 µm
• f = 77 GHz δ = 0,25 µm
Bei hohen Frequenzen wird der Stromfluss durch das magnetische HF-Feld aus dem Leiter verdrängt. Die leitende Schicht wird als Skintiefe oder Eindringtiefe δ bezeichnet.
Die Signale werden als Felder im Dielektrikum geführt
Magnetfeld
Signalstrom
Induktionsstrom
Wirbelstrom
Eindringtiefe δ
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4 Leiterplattenrelevante HF-Grundlagen
5 Anforderungen an die Leiterplatten
6 Die 5 Erfolgs-Faktoren für HF-Leiterplatten
1. HF-Basismaterialien
2. Leiterstruktur
3. Bohrbearbeitung
4. Fräsbearbeitung
5. Qualitätssicherung
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Kontur
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Anforderungen an die Leiterplatte
System A
Kupferdicke
Reflexion Leiterende
Störung am Imp.-leiter
Koppelstelle Messkopf
Konturabweichungen der Leiterführung können zu Signalreflexionen und Signalrauschen im Hochfrequenzbereich führen
Signalreflexion….
Quelle: istockphoto
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HF Anforderungen generell
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Anforderungen an die Leiterplatte
System A
Kostenintensive HF-Materialien verlangen häufig unsymmetrische Schichtaufbauten
Klassische Prüfungen werden durch HF-spezifische Prüfungen ergänzt (Impedanzkontrolle, optische Inspektion HF-Design)
HF-relevante Zusammenhänge müssen dem Produzenten bekannt sein
Leiterbahnbreite
Bahnflanke
Kupferdicke
Isolationsdicke
Treatment
Homogenität
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Kupferfolie - Anforderungen
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Anforderungen an die Leiterplatte
System A
Quelle: Onboard technology; Raymond Gales, Circuit Foil
Auswahl geeigneter Kupferfolien Reduzierung der Treatmentrauigkeit für HF-
Materialien aufgrund Signalführung an der Kupferoberfläche
Hohe Treatmentrauigkeit führt auch zu hoher Kantenrauigkeit an Leiterbahnkanten (Übergang Kupfer zu Basismaterial)
NF-30RO3003
<
Kantenrauigkeit geätzter Kupferstrukturen
RO3003: bis 4 µm NF-30: bis 2 µm
2,1 N/mm 1,4 N/mm
Kupferfolienhaftung nach 3x Reflow Simulation
Leiterbahn im Querschliff
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3 Anwendungsfelder
4 Leiterplattenrelevante HF-Grundlagen
5 Anforderungen an die Leiterplatten
6 Die 5 Erfolgs-Faktoren für HF-Leiterplatten
1. HF-Basismaterialien
2. Leiterstruktur
3. Bohrbearbeitung
4. Fräsbearbeitung
5. Qualitätssicherung
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Wichtige Kenngrößen für die Materialauswahl:
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HF-Basismaterialien
Dielektrizitätskonstante Dk
Verlustfaktor Df
Stabilität der HF-Kenngrößen über
relevanten Temperaturbereich
Zuverlässigkeit nach Temperatur-Feuchtebelastung
Kupferhaftfestigkeit
Dimensionsstabilität
Wasseraufnahme
Kosten
0,0
05
22
Klassifizierung nach HF-Performanceund Kosten
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HF-Basismaterialien
Duraver 104 IS 410 DE 117 R 1766 N4000-11
Duraver BT N 4000 2-6 FR4 08 PCL-GI 180 GETEX
IS 620 Arion 85N PCL_LD-621 N-6000-SI
Arion 25 FR Rogers 4350 I-Tera
SpeedLamRF-35
Astra MT 77
RogersRO-3003
Teflon
Tan
@ 1
0 G
Hz
< 0,0
03
0,0
03
0,0
09
0,0
20
Pre
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FR
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~6-1
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4-5
0,0
05
Taconic NF-30
Taconic TLE 95
Megatron 6 / X
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KSG Sortiment freigegebenerHochfrequenzmaterialien
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HF-Basismaterialien
Material-gruppe
Hersteller Bezeichnung Dk @ 10 GHz Df @ 10 GHz Konstruktion
StandardHochfrequenz
Rogers Corp. RO4003C™ 3,38 + 0,05 0,0027 Hydrocarbon Harzmatrix glas- und keramikgefüllt
RO4350B™ 3,48 + 0,05 0,0037
RO4835 3,48 + 0,05 0,0037 Reduzierter Oxydationsprozess
Isola I-Tera® MT40 3,38 – 3,75 0,0028 – 0,0035 modifiziertes FR4, gefüllt
Astra® MT77 3,00 0,0017 modifiziertes FR4
Panasonic MEGTRON 6 3,55 0,0040 Glas, Keramik, PPE
PTFE Hochfrequenz
Rogers Corp. RO3203™ 3,02 + 0,04 0,0016 glas- und keramikgefüllt
RO3003™ 3,00 + 0,04 0,0013 keramikgefüllt
Taconic NF-30 3,00 + 0,04 0,0013 keramikgefüllt
RF-35 3,50 + 0,10 0,0018 glas- und keramikgefüllt
TLE-95 2,95 + 0,05 0,0019 glasgefüllt
TLC-30 3,00 + 0,05 0,0030 glasgefüllt
TLC-32 3,20 + 0,05 0,0030 glasgefüllt
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HF-Materialien
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HF-Basismaterialien
mit Hydrocarbon bzw. Thermoset Harzsystemen
Vorteile:
gute Stabilität und Eigensteifigkeit aufgrund Glasmattenverstärkung (vergleichbar FR4)
Bearbeitung mit Standardprozessen
Herausforderungen:
Füllstoffabhängige Anpassung der Bohr- und Fräsparameter
Dimensionsstabilität / Zuverlässigkeit
i-Tera MT 40
RO4350
Astra MT 77
R-5515
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HF-Materialien
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HF-Basismaterialien
RO3003
NF 30
TLC32
TLY5
mit PTFE Harzsystem
Vorteile:
niedriger Verlustfaktor
geringes Ausdehnungsverhalten
hohe Zyklenfestigkeit
Herausforderungen:
Sonderbohr- u. Fräsparameter erforderlich
Plasmabearbeitung zur Aktivierung notwendig
hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Oberflächenbeanspruchung
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2. Leiterstruktur
3. Bohrbearbeitung
4. Fräsbearbeitung
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Leiterbildstrukturierung von HF-Layouts
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Leiterstruktur
Kontrolle der Strukturtreue durch automatische optische Inspektion relevanter HF-Layer (produktabhängig keine lokalen Konturabweichungen im µm-Bereich erlaubt)
Minimierung der Eckenverrundung einzelner Layoutelemente(< 30 µm)
Einhaltung geforderter Flankensteilheit (Differenz Kopf- zu Fußmaß< 40 µm)
Vermeidung zu hoher Kantenrauigkeiten durch verbleibende Treatmentspitzen
Eckenverrundung Flankensteilheit Vergleich Kantenrauigkeit Patch Antennenelement
Standardmaterial HF-Material
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Leiterbildstrukturierung von HF-Layouts
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Leiterstruktur
Umsetzung des HF-Layouts in engen Toleranzgrenzen erfordert ggf. die Anpassung einzelner Leiterelemente in den Filmvorlagenzur Zeit +/- 15 µm in Serie
Kontrolle des Anlagenzustandes (Ätzratenbestimmung)
Messtechnische Überprüfung des ersten und letzten Produktionspanels zur Qualitätsabsicherung
HF Design
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6 Die 5 Erfolgs-Faktoren für HF-Leiterplatten
1. HF-Basismaterialien
2. Leiterstruktur
3. Bohrbearbeitung
4. Fräsbearbeitung
5. Qualitätssicherung
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Bohrbearbeitung von PTFE-Materialien mit/ohne Füllstoffe
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Bohrbearbeitung
Bearbeitung häufig von Mischaufbauten (HF-Material + FR4) zur Kostenreduzierung
Optimierung der Bohrparameter in Abhängigkeit vom eingesetzten Material zwingend notwendig(Werkzeugtyp, Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Rückhub)
Beachtung unterschiedlicher Materialeigenschaften (E-Modul: Glas/Epoxy 15 Gpa, PTFE 0,6 Gpa)
Ziel: gute Schnittqualität, Maßhaltigkeit, geringer Werkzeugverschleiß, Vermeidung von PTFE Fransen und Smear, vertretbare Kosten
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Back Hole Drilling
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Bohrbearbeitung
Aufbohren oder Rückbohren einer Durchkontaktierung Verbesserung der HF-Performance
Signalreflexion an Durchkontaktierungen
Durchkontaktierung Standard Durchkontaktierung rückgebohrt
Vermeidung unerwünschter Signalreflexion
Signalweg
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Back Hole Drilling
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Bohrbearbeitung
Stub
Signalweg
Vermeidung von Kurzschluss auf der Außenlage(z.B. Kühlkörper)
Verringerung der Verzerrungen/Störungen von Hochfrequenzsignalen
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Back Hole Drilling
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Bohrbearbeitung
Wirkung auf Signalübertragung von hohen Frequenzen mittels Augendiagramm darstellbar
Durchkontaktierung rückgebohrtDurchkontaktierung
5Gb/s
10Gb/s
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Back Hole Drilling
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Bohrbearbeitung
Technologische Umsetzung
1. Galvanikprozess
2. Rückbohren / Beseitigung Stubs
3. Fotoresist strippen
Minimaler Rückbohrdurchmesser:Durchmesser Durchkontaktierung + 200 µm
Auslieferungszustand
4. Strukturierungsprozess
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3. Bohrbearbeitung
4. Fräsbearbeitung
5. Qualitätssicherung
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Fräsbearbeitung PTFE-Materialienmit/ohne Füllstoffe
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Fräsbearbeitung
Bearbeitung häufig von Mischaufbauten (HF-Material + FR4) zur Kostenreduzierung
Optimierung der Fräsparameter in Abhängigkeit vom eingesetzten Material zwingend notwendig
Ziel: gute Schnittqualität, Maßhaltigkeit, geringer Werkzeugverschleiß, Vermeidung von PTFE Fransen und Smear, vertretbareBearbeitungszeiten
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Tiefenfräsen PTFE-Materialienmit/ohne Füllstoffe
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Fräsbearbeitung
Erarbeitung der Parametersätze im Materialfreigabeprozess und am konkreten Produkt
Qualität der Schnittkanten (Drehzahl, Vorschub, Werkzeugtyp)
Rauigkeiten am Fräsgrund (Schneidengeometrie, Werkzeugführung)
Lage der Fräskontur zum Leiterbild (Kamerafräsen) Maßhaltigkeit in drei Achsrichtungen
Toleranz: ± 40µm(Kontakttiefenfräsen, Mapping)
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6 Die 5 Erfolgs-Faktoren für HF-Leiterplatten
1. HF-Basismaterialien
2. Leiterstruktur
3. Bohrbearbeitung
4. Fräsbearbeitung
5. Qualitätssicherung
7 Aktuelle Anwendungsbeispiele
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39Leiterplatten für Hochfrequenz- und Radaranwendungen xV 1.0 | Seite
Qualitätssicherung
Qualitätssicherung beginnt mit dem ersten Kontakt
kritische Begutachtung der Eingangsdaten
Klärung von Auffälligkeiten oder Abweichungen
Kontrolle Maßhaltigkeit aufgrund eingeschränkte Leiterbreitentoleranzen
geometrische Messung von HF-Strukturelementen
Prüfung Steilheit der Ätzflanke
Messung der Eckenverrundung
Überprüfung auf Konturabweichungen, Einschnürungen, lokale Ausbuchtungen
Videomes
splatz
Koordinaten-
Messanlage
Gewährleistung der HF-Funktionalität
40
Gewährleistung der HF-Funktionalität
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Qualitätssicherung
Prüfung der Strukturtreue und Maßhaltigkeit Elektrischer Test Impedanzkontrolle Final AOI im Auslieferungszustand ggf. Abstimmung Fehlerbildkatalog als Prüfgrundlage
Innen- und Außenlagen AOI Impedanzmessplatz und -messung Final AOI
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5 Anforderungen an die Leiterplatten
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2. Leiterstruktur
3. Bohrbearbeitung
4. Fräsbearbeitung
5. Qualitätssicherung
7 Aktuelle Anwendungsbeispiele
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Füllstandmessung mit Radar
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Aktuelle Anwendungsbeispiele
Füllstandssensor
von InnoSenT GmbH (24 GHz)
berührungslos (Hygienevorteil)
Durchdringung unterschiedlicher Materialien (Platzierungsvorteil)
verschmutzungsresistent (Wartungsvorteil)
Toleranzbereich 1 mm bis wenige cm
Beispiel: Erfassung Pegelstände von Flüssen
Quelle: InnoSenT GmbH
43
Traffic Monitoring/Sicherheitstechnik
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Aktuelle Anwendungsbeispiele
Traffic Monitoring
InnoSenT GmbH (24 GHz)
Messung von Geschwindigkeiten und Abständen
unabhängig von Lichteinflüssen
Sicherheitstechnik
InnoSenT GmbH (24 GHz)
Erfassung beweglicher Objekte durch Alarmanlagen, Zugangskontrollen, Kombinationen zwischen Video- und Radartechnik Quelle: InnoSenT GmbH
Quelle: istockphoto
Quelle: InnoSenT GmbH
Quelle: InnoSenT GmbH
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Bosch Umfeldsensoren
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Aktuelle Anwendungsbeispiele
für radarbasierte Fahrerassistenzsysteme (77 GHz)
LRR 1 LRR2 LRR3 MRR Front MRR Rear
SOP: 2000 SOP: 2004 SOP: 2009 SOP: 2013 SOP: 2014
• Range: up to 150 m• GaAs Oscillator
(Gunn Diode)• Opening Angle: 8°• Dimensions (HxWxD)
124 x 91 x 97 mm• Weight: 600 g
• Range: up to 200 m• GaAs Oscillator
(Gunn Diode)• Opening Angle: 16°• Dimensions (HxWxD)
73 x 70 x 60 mm• Weight: 300 g
• Range: up to 250 m• SiGe MMICs
(bar chip)• Opening Angle: 30°• Dimensions (HxWxD)
77 x 74 x 58 mm• Weight: 285 g
• Range: up to 160 m• SiGe MMICs
(packaged chip)• Opening Angle: 45°• Dimensions (HxWxD)
60 x 70 x 30 mm• Weight: 200 g
• Range: up to 100 m• SiGe MMICs
(packaged chip)• Opening Angle: 150°• Dimensions (HxWxD)
60 x 70 x 30 mm• Weight: 190 g
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Ausblick Webinare und Veranstaltungen
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Webinare
Donnerstag, 09.05.2019
Leiterplatten für Hochstromanwendungen
Weitere Webinare für Herbst in Planung.
Save the date
KSG Technologietag
18.-20. September 2019
… aktuelle Termine finden Sie unter
https://www.ksg-pcb.com/zusammenarbeit
Kontakt
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