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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Produktion von elektronischen Schaltungen. Im Speziellen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur eindeutigen Identifikation von mehrschichtigen Leiterplatten für elektronische Schaltungen. Eine mehrschichtige Leiterplatte wird dabei aus mehreren leitenden und nicht leitenden Substratschichten gebildet werden. Diese Substratschichten werden für die Herstellung der Leiterplatte unter Zugabe von Wärme miteinander verpresst.
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Stand der Technik
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Heutzutage werden in fast nahezu allen elektronischen Geräten eine oder mehrere Leiterplatten eingesetzt, auf welchen dann eine oder mehrere elektronische Schaltungen angebracht sein können. Diese Schaltungen sind üblicherweise aus elektronischen Bauelementen (z. B. Widerstände, Spulen, Kondensatoren, Transistoren, Dioden, so genannte integrierte Schaltungen, etc.) aufgebaut, welche auf der jeweiligen Leiterplatte z. B. oberflächenmontiert oder auch wie z. B. einfache passive Bauelemente (z. B. Widerstände, Spulen, kleine Kapazitäten, etc.) in die jeweilige Leiterplatte integriert sein können. Die Leiterplatte dient dabei als Träger und mechanische Befestigung für die Bauelemente und weist die elektrischen Verbindungen zwischen den Bauelementen zum Aufbau elektronischer Schaltungen auf.
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Eine Leiterplatte besteht üblicherweise aus einem elektrisch isolierenden Material mit daran haftenden, leitenden Verbindungen, welche beispielsweise aus einer dünnen Schicht eines leitenden Materials (z. B. Kupfer) geätzt werden. Die elektronischen Bauelemente werden dann auf dafür vorgesehenen Flächen – so genannten Pads – beispielsweise durch Löten und/oder Kleben auf der Leiterplatte befestigt. Für komplexe und/oder platzsparende elektronische Schaltungen mit einer hohen Packungsdichte an elektronischen Bauelementen werden heutzutage oft mehrschichtige oder so genannte Multilayer-Leiterplatten verwendet.
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Diese mehrschichtigen Leiterplatten sind aus mehreren Substratschichten oder Lagen (z. B. bis zu 48 Schichten) aufgebaut. Ein Schichtbau einer derartigen Leiterplatte besteht üblicherweise abwechselnd aus einer leitfähigen Substratschicht wie z. B. Kupfer, etc. und einer isolierenden Substratschicht, meistens Kunststoff wie z. B. faserverstärktem Epoxidharz oder Ähnlichem als Isoliermaterial. Das als Isoliermaterial dienende Halbzeug aus Epoxidharz und Fasermaterial (z. B. Glasfaser, etc.) wird auch als Prepregs genannt. Nach einem Aufbau der leitenden und nicht leitenden Substratschichten für eine Multilayer-Leiterplatte werden dann die Substratschichten unter Zugabe von Wärme miteinander verpresst. Dann können durch ein Ätzverfahren Leiterbahnen auf den äußeren Schichten erzeugt werden bzw. mittels Bohrungen Durchkontaktierungen zwischen den Schichten – so genannte Vias – hergestellt werden.
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Zur Prüfung der Fertigungsqualität bestückter Leiterplatten kommen zum Beispiel Röntgenverfahren zur Anwendung. Ein solches ist in der
EP 2 803 981 A1 offenbart.
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Da die Entwicklung von elektronischen Schaltungen bzw. Baugruppen einen großen Zeit- und Kostenaufwand darstellen und Funktionsausfälle und -störungen von elektronischen Schaltungen weitreichende Schäden verursachen können, ist eine sichere Identifikation einer Herkunft der elektronischen Schaltungen bzw. Baugruppen sowie auch der noch unbestückten Leiterplatten notwendig. Weiterhin wird beispielsweise eine Nachverfolgung von elektronischen Schaltungen und ihren Bestandteilen wie Bauelementen und Leiterplatten von verschiedenen Industriezweigen wie z. B. der Automobilindustrie, Elektronikindustrie, etc. gefordert. Um eine Nachverfolgung eines Produkts bzw. einer elektronischen Schaltung über einen gesamten Produktlebenszyklus zu ermöglichen, ist es notwendig, dass die Bestandteile einer elektronischen Schaltung sowie deren Herkunft eindeutig identifiziert werden können. Daher ist es unverzichtbar, unbestückte Leiterplatten neben den Bauelementen einer elektronischen Schaltung eindeutig identifizieren zu können.
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Für eine derartige Identifikation können Leiterplatten beispielsweise direkt z. B. mit einer Seriennummer beschriftet. Die Seriennummer wird dann z. B. als Bestandteil des Leiterplattenlayouts im leitenden Material (z. B. Kupfer), als Freistellung in einer Lötstoppmaske oder mittels Siebdruck, Bestempelung oder Laserspur aufgebracht. Alternativ kann ein Identifikationsmerkmal wie z. B. eine Seriennummer auch mittels Klebeetiketts – entweder in Klarschrift, als Strichcode oder als 2D-Code, etc. – auf der Leiterplatte angebracht werden. Derartige Identifikationsmethoden weisen allerdings den Nachteil auf, dass beispielsweise ein Aufdruck auf einer Etikette oder eine direkte Beschriftung auf einer Leiterplatte nicht eindeutig lesbar oder der Barcode nicht mehr auswertbar ist. Aufgrund von Systemstörungen kann es vorkommen, dass z. B. doppelte Seriennummern generiert werden, und dann die Leiterplatte nicht mehr eindeutig identifizierbar ist. Derartige schlecht oder nicht identifizierbare Leiterplatten führen z. B. bei einer Überprüfung während oder nach der Fertigung zu Ausschuss und verursachten damit hohe Ausschusskosten. Weiterhin kann ein derartiges Identifikationsmerkmal (z. B. direkt aufgebrachte Seriennummer, Klebetikett, etc.) nur eine begrenzte Informationsmenge für die Identifikation der Leiterplatte zur Verfügung stellen und ist leicht manipulierbar (z. B. Veränderung durch mechanisches Bearbeiten, Entfernen des Etiketts, etc.).
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Aus dem Stand der Technik wie z. B. den Schriften
EP 2 448 379 A2 ,
DE 10 2012 013 920 A1 oder
US 2012/0146768 A1 ist daher bekannt, so genannte Radio-Frequency-Identification-Tags oder RFID-Tags für eine Identifikation von Leiterplatten einzusetzen. In einem RFID-Tag oder -Chip kann eine spezifische Information gespeichert werden und dann z. B. berührungslos aus gelesen werden. Der RFID-Chip wird für die Identifikation der Leiterplatte entweder mittels z. B. Löten oder Kleben aufgebracht – wie z. B. in der Schrift
US 2012/0146768 A1 . Dort ist der RFID-Chip in einem IC-Bauelement integriert, welches beim Bestücken mit den anderen Bauelementen auf der Leiterplatte angebracht wird. Eine derartige Anbringung – z. B. Aufkleben oder Löten des RFID-Chips – ist allerdings nicht manipulationssicher, da der RFID-Chip beispielsweise sehr leicht entfernt oder ausgetauscht werden kann.
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Der RFID-Chip kann allerdings auch in die Leiterplatte integriert sein. Aus der Schrift
EP 2 448 379 A2 ist z. B. eine Möglichkeit der Integration eines RFID-Chips in eine Leiterplatte bekannt. Dazu wird auf einer Seite der Leiterplatte eine Ausnehmung ausgefräst und dann nach Fertigstellung nachträglich der RFID-Chip in die Leiterplatte integriert. Diese ist allerdings eine sehr kostenintensive und aufwendige Vorgehensweise. Außerdem kann der RFID-Chip aus der Öffnung in der Leiterplatte ebenfalls sehr leicht entfernt werden. Die Schrift
DE 10 2012 013 920 A1 offenbart eine weitere Möglichkeit der Integration eines RFID-Chip in eine Leiterplatte. Dabei ist der RFID-Chip in einer Innenlage einer mehrschichtigen Leiterplatte angeordnet. Der Chip wird dazu auf einer Trägerplatte vorgefertigt montiert. Diese Trägerplatte wird dann z. B. bei Schichtaufbau der Leiterplatte zwischen zwei nicht leitende Substratschichten in einer Innenlage eingefügt. Ein derartiges Verfahren weist allerdings den Nachteil auf, dass der RFID-Chip bei der Produktion der mehrschichtigen Leiterplatte, insbesondere durch Wärme und/oder den Druck beim Verpressen, beschädigt werden kann. Der RFID-Chip ist dann nicht mehr für eine Identifikation einsetzbar. Dies kann zu Ausschuss und hohen Kosten bei der Herstellung der Leiterplatten führen.
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Aus der
US 2005/0236176 A1 ist ein Verfahren zur Identifikation mehrschichtiger Leiterplatten bekannt, in welche eine metallene Kennung eingearbeitet ist. Dabei handelt es sich um eine Nummer, Buchstaben, einen Barcode oder sonstige Muster. Falls die metallene Kennung durch eine darüber aufgebrachte Leiterplattenschicht abgedeckt wird und somit nicht mehr sichtbar ist, wird die Leiterplatte mittels Röntgenstrahlen durchleuchtet, um die metallene Kennung zu erfassen.
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Die
JP S61-14549 A offenbart ein Verfahren zur Identifikation einer Leiterplatte anhand eines Lochmusters. Dabei gelangen während einer Durchleuchtung durch die einzelnen Löcher Strahlen, wobei das sich ergebende Leuchtmuster mittels einer lichtempfindlichen Sensormatrix erfasst wird.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur eindeutigen Identifikation von Leiterplatten anzugeben, durch welches auf kostengünstige Weise ohne zusätzlichen Aufwand mehrschichtige Leiterplatten insbesondere während einer Herstellung eindeutig und sicher nachverfolgt und wiedererkannt werden können.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt, durch ein Verfahren der eingangs angeführten Art, bei welchem an einer genau spezifizierten Stelle der Leiterplatte eine strahlungsdurchlässige Messstelle angebracht wird. An dieser Messstelle wird durch eine aufgrund mechanischer Spannungen während der Herstellung der Leiterplatte LP veränderte Brechung bzw. optische Durchlässigkeit für eine aufgebrachte Strahlung (S1) von einer durchgelassenen Strahlung (S2) ein charakteristisches und für die Leiterplatte (LP) spezifisches Hell-Dunkel-Muster – eine so genannte Durchlichtcharakteristik – erzeugt, indem auf einer ersten Seite der Leiterplatte – wie z. B. einer Oberseite – aus einer Strahlungsquelle eine auf die Messstelle gerichtete Strahlung aufgebracht wird. Auf einer zweiten Seite der Leiterplatte, wobei diese zweite Seite der Strahlungsquelle gegenüberliegend bzw. abgewandt ist, wird dann die an der Messstelle durchgelassene Strahlung von einem Sensor aufgenommen, sodass mittels Sensor die an der Messstelle gewonnene Durchlichtcharakteristik aufgezeichnet wird.
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Der Hauptaspekt der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass bei einer Herstellung einer mehrschichtigen Leiterplatte die nicht leitenden Schichten bzw. Isolierlagen wie z. B. so genannte Prepregs, welche z. B. aus Epoxidharz und einem Trägermaterial (z. B. Glasfasern) bestehen, zwischen die leitenden Schichten (z. B. Kupferfolie) gelegt und mit hohem Druck (z. B. ca. 20 bar) gegebenenfalls unter Zufuhr von Wärme verpresst. Durch das Verpressen der Schichten entstehen in der Leiterplatte mechanische Spannungen, durch welche optisch isotrope Materialen bei einem entsprechenden Strahlungseinfall doppelt brechend werden und eine Polarisationsebene einer einfallenden Strahlung wird z. B. gedreht bzw. verändert. Da das für die nicht leitenden Schichten verwendete Isoliermaterial (z. B. Epoxidharz in Kombination mit Glasfasern, etc.) nicht homogen ist, kann bei jeder Leiterplatte an der jeweiligen Messstelle – insbesondere bei mikroskopischer Betrachtung – eine einzigartige, unverwechselbare Durchlichtcharakteristik aufgrund der mechanischen Spannungen in der jeweiligen Leiterplatte und aufgrund der jeweils durchgelassenen Strahlung beobachtet werden.
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Diese durch so genannte Spannungsoptik bzw. durch Sichtbarmachung der mechanischen Spannungen in der jeweiligen Leiterplatte an der Messstelle gewonnene Durchlichtcharakteristik kann dann von einem Sensor aufgezeichnet werden. Die Durchlichtcharakteristik kann dabei idealer Weise weder entfernt, verändert oder nachträglich hinzugefügt werden und stellt damit ein relativ sicheres und eindeutiges Identifikationsmerkmal für die jeweilige Leiterplatte dar. Durch Nutzung dieser Durchlichtcharakteristik als Identifikationsmerkmal müssen weiterhin keine zusätzlichen Komponenten wie z. B. RFID-Chips, Etiketten, etc. auf der Leiterplatte angebracht bzw. in diese integriert werden, wodurch zusätzliche Kosten für eine Anbringung von derartigen Komponenten entfallen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die an der Messstelle durchgelassene und vom Sensor aufgenommene Strahlung digitalisiert. Die aufgenommene, digitalisierte Strahlung wird dann mit einer Seriennummer der Leiterplatte verknüpft als Spannungsbild der jeweiligen Leiterplatte in einer Datenbank abgespeichert. Aufgrund der mechanischen Spannungen und der damit veränderten Brechung von Strahlung wird von der durchgelassenen Strahlung eine für die jeweilige Leiterplatte spezifische Durchlichtcharakteristik erzeugt, welche vom Sensor aufgenommen wird und dann digitalisiert werden kann. Diese für die jeweilige Leiterplatte typische Durchlichtcharakteristik kann dann als so genanntes Spannungsbild in Kombination mit einer Seriennummer der Leiterplatte abgespeichert und für eine einfache und kostengünstige Identifikation der jeweiligen Leiterplatte – z. B. im Rahmen einer Produktnachverfolgung oder als z. B. Schutz vor unzulässiger Nachbildung – herangezogen werden. Auf diese Weise ist dann sehr einfach und mit geringen Kosten eine Authenizität der jeweiligen Leiterplatte überprüfbar.
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Es ist dabei vorteilhaft, wenn als auf die Messstelle gerichtete Strahlung monochromatisches Licht, polarisiertes Licht oder Röntgenstrahlung verwendet wird. Durch die verwendete Strahlung kann das jeweilige Spannungsbild an der Messstelle der Leiterplatte sichtbar gemacht und vom Sensor aufgenommen werden. Bei z. B. monochromatischem Licht wird aufgrund der mechanischen Spannungen ein System aus hellen und dunklen Streifen gebildet, deren Anordnung die für die jeweilige Leiterplatte typische Durchlichtcharakteristik bzw. das typische Spannungsbild an der Messstelle ergibt. Wird beispielsweise zirkular-polarisiertes Licht als Strahlung eingesetzt, so entsteht ebenfalls ein für die jeweilige Leiterplatte typisches Hell-Dunkel-Muster. Bei Verwendung von weißem Licht wird für jede Farbe ein unterschiedliches Hell-Dunkel-Muster gebildet, welches dann als Leiterplatten spezifisches farbiges Spannungsbild mit der entsprechenden Seriennummer der Leiterplatte gespeichert werden kann. Röntgenstrahlen können z. B. sehr einfach bei für Licht schlecht oder nicht durchlässigen Isoliermaterialen als Strahlung eingesetzt werden.
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Es ist auch weiterhin günstig, wenn die strahlungsdurchlässige Messstelle als von leitendem Material freies Fenster ausgestaltet wird, wobei das Fenster auf jeder Substratschicht der Leiterplatte vom leitenden Material (z. B. Kupfer) freizuhalten ist, um lichtdurchlässig zu sein. Die Messstelle wird damit sehr einfach als so genanntes Durchlichtfenster ausgeführt und bei der Herstellung der Leiterplatte angebracht. Es kann bei der Positionierung des Durchlichtfensters auf eine eventuelle Bestückung der Leiterplatte Rücksicht genommen werden bzw. das Durchlichtfenster derart positioniert werden (z. B. am Rand, in einer Ecke, etc.), dass es bei einem Bestücken der Leiterplatte mit Bauelementen nicht störend ist oder durch Bauelemente abgedeckt wird. Entsprechende Koordinaten für ein Ermitteln der Durchlichtcharakteristik – z. B. für eine Positionierung von Strahlungsquelle wie für eine Positionierung des Sensors – können dabei ebenfalls festgelegt werden und später mit dem Spannungsbild und der Seriennummer der Leiterplatte in der Datenbank abgespeichert werden, um eine spätere Überprüfung (z. B. nach dem Bestücken, etc.) zu erleichtern und zu beschleunigen.
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Idealer Weise wird die strahlungsdurchlässige Messstelle bei baugleichen Leiterplatten an einer jeweils selben Position der jeweiligen baugleichen Leiterplatte vorgesehen. Damit kann für eine Überprüfung von baugleichen Leiterplatten bzw. Messung der Durchlichtcharakteristik die Strahlungsquelle sowie der Sensor immer an derselben Position vorgesehen werden. Es können damit für baugleiche Leiterplatten immer dieselben Koordinaten für Strahlungsquelle und Sensor genutzt und gespeichert werden. Damit sind Spannungsbilder von baugleichen Leiterplatten sehr rasch und einfach aufzunehmen und zu identifizieren, da die Positionen von Strahlungsquelle und aufnehmenden Sensor gleich gelassen werden können.
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Zweckmäßiger Weise wird als Sensor zum Aufnehmen der durchgelassenen Strahlung ein optischer Sensor oder eine Kamera verwendet, welche für eine Aufnahme der jeweils verwendeten Strahlung (z. B. polarisiertes Licht, Röntgenstrahlung) eingerichtet ist. Das durch die mechanischen Spannungen erzeugte Hell-Dunkel-Muster bzw. die Durchlichtcharakteristik kann mit einem optischen Sensor oder einer Kamera sehr einfach aufgenommen und gleich digitalisiert werden. Aus der Durchlichtcharakteristik wird somit auf einfache Weise ein leicht abspeicherbares Spannungsbild generiert. Weiterhin können insbesondere Kameras auch bei sehr kleinen Messstellen bzw. für eine mikroskopische Betrachtung der Durchlichtcharakteristik verwendet werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die Erfindung wird nachfolgend schematisch in beispielhafter Weise anhand der beigefügten Figur erläutert. 1 zeigt dabei beispielhaft und schematisch einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur eindeutigen Identifikation einer mehrschichtigen Leiterplatte.
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Ausführung der Erfindung
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1 zeigt in schematischer und beispielhafter Weise eine mehrschichtige Leiterplatte LP. Die schematisch dargestellte Leiterplatte LP wird aus mehreren Schichten gebildet, wobei die Schichten abwechselnd aus leitendem Material wie z. B. Kupfer oder Kupferfolie und aus nicht leitendem Material wie z. B. dem so genannten FR4 – einer Kombination aus Epoxidharz und Glasfasern – bestehen. Die beispielhaft und schematisch dargestellte Leiterplatte LP umfasst z. B. sieben Schichten, wobei z. B. die beiden äußersten sowie die beiden mittlere Schichten leitende Schichten sind, und die drei innen liegenden Schichten z. B. nicht leitende Schichten bzw. Isolierschichten bilden. Die Schichten werden für die Herstellung der Leiterplatte LP unter Zugabe von Wärme unter einem Druck von beispielsweise ca. 20 bar verpresst. Dadurch entstehen in jeder Leiterplatte LP mechanische Spannungen, durch welche die optischen Eigenschaften der Leiterplatte LP (optisch isotrope Materialen werden z. B. doppelbrechend) individuell verändert werden.
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In einem ersten Verfahrensschritt 1 wird in der Leiterplatte LP an einer genau spezifizierten Stelle der Leiterplatte LP (z. B. am Rand, in einer Ecke, etc.) eine strahlungsdurchlässige Messstelle MS angebracht. Die genau spezifizierte Stelle für die Messstelle MS wird während eines Designs der Leiterplatte LP beispielsweise derart festgelegt, dass die Messstelle MS durch eine spätere Bestückung der Leiterplatte LP mit Bauelementen z. B. nicht durch ein Bauelement abgedeckt wird. Die strahlungsdurchlässige Messstelle MS wird beispielsweise als Durchlichtfenster ausgeführt. Dazu wird im Bereich der Messstelle MS jede Schicht der Leiterplatte LP von leitendem Material freigehalten, um eine Strahlungsdurchlässigkeit – insbesondere für Licht – zu erzielen, da das für Leiterplatten LP verwendete Isoliermaterial wie z. B. FR4 bzw. Epoxidharz und Glasfaser zumindest milchig durchscheinend ist. Bei baugleichen Leiterplatten LP kann die strahlungsdurchlässige Messstelle MS auch an einer jeweils selben Position eingeplant werden, um den Herstellungs- und einen Messaufwand zu reduzieren.
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In einem zweiten Verfahrensschritt 2 wird dann auf einer ersten Seite der Leiterplatte LP eine gerichtete Strahlung S1 aus einer Strahlungsquelle ST auf die strahlungsdurchlässige Messstelle MS aufgebracht. Als Strahlung S1 können beispielsweise monochromatisches Licht oder polarisiertes Licht verwendet werden. Gegebenenfalls bei nur bedingt oder kaum lichtdurchlässigen Isoliermaterialen der Leiterplatte LP kann auch Röntgenstrahlung als Strahlung S1 verwendet werden.
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Auf einer zweiten Seite der Leiterplatte LP, welche der Strahlungsquelle ST gegenübergelegen bzw. abgewandt ist, wird dann in einem dritten Verfahrensschritt 3 von einem Sensor SE eine an der Messstelle MS durchgelassene Strahlung S2 aufgenommen. Als Sensor SE kann dazu beispielsweise ein optischer Sensor oder eine Kamera eingesetzt werden. Durch die aufgrund der mechanischen Spannungen während der Herstellung der Leiterplatte LP veränderte Brechung bzw. optische Durchlässigkeit für die aufgebrachte Strahlung S1 an der Messstelle MS wird von der durchgelassenen Strahlung S2 ein charakteristisches und für die Leiterplatte LP spezifisches Hell-Dunkel-Muster – eine so genannte Durchlichtcharakteristik – erzeugt. Es entsteht eine für die Leiterplatte spezifische – insbesondere bei mikroskopischer Betrachtung – eindeutige Durchlichtcharakteristik an der Messstelle MS, welche weder veränderbar, entfernbar, noch ergänzbar ist.
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Die von Sensor SE aufgenommene Durchlichtcharakteristik kann dann in einem vierten Verfahrensschritt 4 digitalisiert werden. Die digitalisierte Durchlichtcharakteristik kann dann als Spannungsbild der Leiterplatte LP gemeinsam mit einer Seriennummer der Leiterplatte LP für eine späterer Identifikation oder Authenifizierung in einer Datenbank DB abgespeichert werden. Zusätzlich zur Seriennummer können auch Positionskoordinaten für die Strahlungsquelle ST und den Sensor SE mit dem Spannungsbild der Leiterplatte LP in der Datenbank DB abgelegt werden, wodurch eine spätere Überprüfung bzw. Identifikation der Leiterplatte LP beschleunigt wird.
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Die individuelle Durchlichtcharakteristik der Leiterplatte LP stellt idealer Weise ein eindeutiges Identifikationsmerkmal für Leiterplatte LP dar, welche vor Manipulationen geschützt ist. Dabei kann die Durchlichtcharakteristik an der strahlungsdurchlässigen Messstelle MS sowohl bei unbestückten wie bei bestückten Leiterplatten LP sehr einfach ermittelt werden. Die Leiterplatte LP bzw. die darauf aufgebrachte elektronische Schaltung kann auf diese Weise sehr einfach und ohne großen Aufwand identifiziert werden. Es wird damit einerseits eine Nachverfolgbarkeit der einzelnen Leiterplatte LP ermöglicht. Andererseits wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Schutz vor unberechtigtem Kopieren einer Schaltung ermöglicht, da das gespeicherte Spannungsbild in Kombination mit der Seriennummer ein eindeutiges Identifikationsmerkmal für die einzelne Leiterplatte LP darstellt.
