DE19856264A1

DE19856264A1 - Überwachungs- und Steuerungsvorrichtung

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Publication number: DE19856264A1
Application number: DE19856264A
Authority: DE
Original assignee: PAT GmbH
Current assignee: PAT GmbH
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1998-12-07
Publication date: 1999-07-29

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungs- und Steuerungsvor richtung für eine Arbeitsmaschine mit einer Vielzahl von Sen soren und Aktoren oder für zumindest wenigstens einzelne Sen soren und Aktoren der Arbeitsmaschine.

Aus der EP-A-O 187772 ist bereits ein Überwachungs- und Steue rungssystem für Auslegerkrane mit einem Lastmomentbegrenzer und einer mit diesem verknüpften und von einem Kranführer be einflußbaren Steuereinrichtung für die Kranantriebe bekannt Der Lastmomentbegrenzer ist mit einem Rechner ausgerüstet dem Daten für die jeweilige Auslastung, die Auslegerlänge, den Aus legerwinkel und dergleichen mehr Meßwerte zugeführt werden. Der Rechner führt dann aufgrund von Ist- Sollwert- Vergleichen u. a. selbsttätig Bedienoperationen durch oder führt Anzeige operationen aus oder sperrt bestimmte Funktionen des Krans.

Es ist ferner aus der Halbleiterfertigung bekannt, mehrere un gehouste Chips, sogenannte Bare Dies, mit dem Ziel der Ko stenreduktion und Miniaturisierung auf einem einziger miniatu risierten Träger anzuordnen.

Die Kostenreduktion liegt im wesentlichen in der Ersparnis der ansonsten notwendigen Verdrahtungen und/oder Verkabelungen. Die Miniaturisierung erschließt zusätzliche Anwendungsbereiche und gibt zusätzliche Freiheiten bei der Formgebung der Endpro dukte. Es sind bereits einige Anwendungen in der medizinischen Technik, insbesondere aus der Cardiologie bekannt.

Multi-Chip-Module sind ferner aufgrund ihres geringen Platzbe darfs bei gleichzeitig erhöhter Integration, aber vor allem aufgrund der vollständigen Kapselung der Verdrahtung geeignet unter ansonsten ungeeigneten Außenbedingungen zum Einsatz zu kommen. So ist ein derartigen Multi-Chip- Modul aus der Euro päischen Patentanmeldung EP O 704 779 A1 für eine Unterwas seranwendung bekannt.

Die Anwendungsbreite der beschriebenen Multi-Chip-Module ist jedoch zumeist durch die enormen Herstellungskosten be schränkt. Insbesondere in Verbindung mit Arbeitsmaschinen sind zumeist die benötigten Stückzahlen zu gering, um die Fertigung spezieller Multi-Chip-Module zu rechtfertigen. Die Stückzahl kann auch nicht durch eine entsprechende Lagerhaltung gestei gert werden, da üblicherweise die Innovationszyklen zu kurz sind um eine einmal gefunden Lösung dauerhaft unverändert an bieten zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Multi-Chip- Modultechnik bei der Überwachung und Steuerung von Arbeitsma schinen, insbesondere mobilen Arbeitsmaschinen, bei vertretba ren Fertigungskosten einzusetzen.

Diese Aufgabe wird durch eine Überwachungs- und Steuerungsvor richtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Vorteil dieser Lösung liegt auch hier in erster Linie in Senkung der Fertigungskosten. Zusätzlich ergeben sich weitere Vorteile aufgrund des verringerten Platzbedarfs. Die Anordnung verschiedener Bare Dies, also echter Halbleiterelemente, auf einem kapselbaren Modul bietet darüber hinaus den Vorteil, daß die ansonsten störanfälligen Verdrahtungen gänzlich entfallen. Etwaig gelöste Steckverbindungen oder Kabelbrüche können daher in diesem Bereich nicht mehr auftreten. Dies ist inbesondere im Außeneinsatz bei aggresiven Umweltbedingungen ein wertvol ler Beitrag zur Reduktion der Störanfälligkeit. Darüber hinaus ist die elektromagnetische Störanfälligkeit geringer, da mit der Verdrahtung ein Angriffspunkt elektromagnetischer Unver träglichkeiten eliminiert ist.

Darüber hinaus ist insgesamt die Anzahl der internen Bauele mente reduziert. Dies ist insbesondere ein Vorteil in der Fer tigung.

Gemäß Anspruch 2 ist eine Riegellösung beansprucht, die eine Kompromiß zwischen der Verdrahtung herkömmlicher IC's und dem Einsatz eines Mikro-Chip-Moduls derart darstellt, daß mehrere Mikro-Chip-Module auf einem einzigen gemeinsamen Substrat an geordnet werden. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß beim Housing auf übliche Abmessungen und damit Frames und Werkzeuge zurückgegriffen werden kann. Dies ist ein wesentlicher Beitrag zur Reduktion der Fertigungskosten.

In den allermeisten Fällen kann die Mikro-Chip-Modultechnik erst durch diesen Kompromiß zu vertretbaren Kosten angesichts der geringen Stückzahlen in der Automatisierungstechnik einge setzt werden.

Die Verwendung des der erläuterten Riegellösung erlaubt es, die Kapselung im Wege des Electronic Molding Compound herzu stellen. Dies erlaubt eine recht kostengünstige Kapselung, wo bei die Anzahl der erforderlichen Gießvorgänge der Anzahl der benötigten Housings entspricht. Die Anzahl der erforderlichen Housings ist im wesentlichen durch die fertigungstechnisch be dingte maximale Größe dieser Housings vorgegeben.

Ein weitere Beitrag zur Kostenreduktion ist der Einsatz des Drahtbondens zur elektrischen Kontaktierung der eingesetzten Dies. Die Dies werden hierzu vor dem Bonden mit einem geeigne ten Kleber auf dem Substrat fixiert.

Als gemeinsames Substrat wird mit Vorteil ein Glasfaser- Epoxydharz gewählt, das unter der Bezeichnung "FR 4" bekannt ist. Diese Form des Laminats ist aufgrund seiner Gebräuchlich keit kostengünstig einsetzbar.

Die Anschlußpins dieses Substrats sind als Edge-Clips oder als BGA-Konfiguration ausgeführt. Erstere Lösung kann einfach durch Aufclipsen auf das Substrat hergestellt werden. Die An schlüsse können überdies aufgrund Ihrer Positionierung am Rand des Substrats optisch kontrolliert werden. Die BGA-Konfi guration sieht im wesentliche Lötpunkte an der Unterseite des Substrats vor. Hierdurch sind höher Anschlußzahlen möglich.

Die Überwachung und Steuerung einer Arbeitsmaschine kann mit Vorteil dadurch betrieben werden, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung mit wenigstens einer seriellen und/oder analogen Schnittstelle versehen ist. Der analoge Ausgang kann für Vi deosignale genutzt werden.

In weitere Ausbildung sind zum Anschluß eines Profi- oder CAN- Busses entsprechende Busschnittstellen an der Vorrichtung an geordnet. Durch die Einbindung der erfindungsgemäßen Steue rungs- und Überwachungsvorrichtung in eine Buskommunikation wird der Verdrahtungsaufwand außerhalb der Vorrichtung weiter reduziert und überdies eine echte Online-Steuerung oder Rege lung ermöglicht.

Im Rahmen der Erfindung wird ferner die Anordnung von PWM- Ausgängen zur Ansteuerung externer Leistungstreiber vorge schlagen.

In weiterer Ausgestaltung dieser Ausführung kann wenigstens ein Teil der PWM-Ausgänge als echter Leistungsausgang, also etwa in Verbindung mit einem Feldeffekt-Transistor aufgebaut sein.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit Vorteil eine kompakte Anzeigevorrichtung der Arbeitsmaschine betrieben werden: Hierzu kann die Vorrichtung mit einem Anzei gen-Controller versehen sein.

Im Zusammenhang mit der Steuerung von Kran oder Baggeranlagen ist mit Vorteil ein eigener Hubendschaltkreis integriert. Die ser Schaltkreis wird bevorzugt unabhängig von dem Mikrocontro ler oder -prozessor der Überwachungs- und Steuerungsvorrich tung betrieben.

In abermaliger Weiterbildung der Erfindung kann zusätzlich ein in CMOS Technik realisierter Sensor in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne ein eigenes zusätzliches Housing integriert sein. Die erfindungsgemäße Überwachungs- und Steuervorrich tung wird hierdurch in Richtung einer selbstregelnden aktiven Meßzelle ausgebaut.

Der Sensor ist in vorteilhafter Ausgestaltung mit in Dünn schichttechnik hergestellten Membranen versehen, die in vorbe stimmter Weise mit einer vorbestimmten Meßgröße korrelieren. dabei kann es sich um die Erfassung von Druck, Temperatur. Strömung, Leitfähigkeit, Kapazität, Viskosität, Ionenkonzen trationen, magnetische oder elektrische Feldstärke oder son stige geeignete Meßgrößen handeln.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert: Es zeigen:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Überwachungs- und Steue rungsvorrichtung in einer Prinzipdarstellung in einer Draufsicht und einer dieser zugeord neten Seitenansicht,

Fig. 2 das gemeinsame Substrat der erfindungsgemäßen Überwachungs- und Steuerungsvorrichtung in ei ner Prinzipdarstellung in einer Detailansicht und

Fig. 3 zwei Anschlußmöglichkeiten der erfindungsgemä ßen Überwachungs- und Steuerungsvorrichtung in einer Prinzipdarstellung.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Überwachungs- und Steue rungsvorrichtung 1, die im wesentlichen aus zwei Multi-Chip- Modulen 2 und 3 besteht, die auf einem gemeinsamen Substrat 4 angeordnet sind.

Der eine Multi-Chip-Modul 2 enthält im wesentlichen zwei ASIC's 5 und 6, einen 32 bit Mikrocontroler 7, sowie zwei Flash EPROM's 10 und 11. Der eine ASIC 5 ist ein Digital IC, inclusive eines Videocontrolers, der andere ASIC 6 ist als Ana log-IC ausgebildet.

Das andere Multi-Chip-Modul 3 umfaßt im wesentlichen zwei SRAM-Bausteine 12 und 13 und einen DRAM-Baustein 14, sowie zwei weitere Flash-EPROMS 15 und 16.

Alle genannten Bauteile des einen oder anderen Multichip- Moduls 2 oder 3 liegen zunächst als ungehouste Dies vor, die mittels eines geeigneten Klebers zunächst auf dem gemeinsamen Substrat 4 befestigt und dann durch Drahtbonding elektrisch kontaktiert werden. Die genannten Dies werden dann mit einem herkömmlichen Moulding-Compound in einer der Anzahl der später auf dem gemeinsamen Substrat 4 entsprechenden Anzahl von Gieß vorgängen vergossen. Man nennt diesen Vorgang Electronic Moul ding Compound. Eine maximal vertretbare Mouldingfläche von 30 × 30 mm² begrenzt die Größe der verwendeten Housings.

Die Verwendung herkömmlicher Housings empfiehlt sich jedoch auch aus Kostengründen, weil ansonsten für die erfindungsgemä ße Vorrichtung 1 spezielle Gießwerkzeuge, also spezielle Fra mes benötigt würden. Dies ist angesichts der im Rahmen der Er findung üblichen Stückzahlen aus Kostengründen nicht vertret bar.

Aus diesen Gründen ist es sinnvoll, wie bei dem hier erörter ten Ausführungsbeispiel mehrere Housings auf einem gemeinsamen Substrat 4 anzuordnen. Diese Lösung wird als Riegellösung be zeichnet.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist das gemeinsame Substrat 4 mehr schichtig ausgebildet. Diese sogenannte Laminattechnologie hat sich insgesamt bewährt und ist aufgrund ihrer zunehmenden Ver breitung kostengünstig realisierbar. Das Substrat 4 weist im wesentlichen einen Glasfaser-Epoxydharz Kern 17 auf, der beid seits von einer dielektrischen Schicht 20, 21 eingefaßt ist, die wiederum mit Nickel-Goldbahnen 22 bedruckt sind, die beid seits von einer Schicht Lötstoplack 23 begrenzt sind. Zur Her stellung von Anschlüssen sind Kupferbahnen 24 an den Rand des Substrates 4 geführt.

Die Dies werden, wie schon gesagt wurde, vor dem Vergießen auf den Nickel-Goldbahnen 22 oder dem Lötstoplack 23 mittels eines geeigneten Klebers vorläufig fixiert.

Die Anschlußpins können auf wenigstens zwei verschiedene Arten ausgebildet sind. Zunächst kann eine sogenannte Edge-Clip- Leiste 25 auf wenigstens eine der Außenkanten des Substrates 4 geclipst sein. Die aufgeklemmten Clips können anschließend verlötet werden.

Bei größeren Anschlußzahlen ist der BGA-Konfiguration der Vor zug zu geben.

Bei dieser Lösung werden Lötkugeln 26 auf der Unterseite des Substrates 4 befestigt, die bedarfsweise mit den Außenkanten des Substrates 4 zu Anschlußzwecken verbunden sein können.

Zusätzlich kann in einem der Housings in hier nicht darge stellter Weise ein in CMOS-Technik hergestellter Sensor, ins besondere ein Drucksensor angeordnet sein. Die Überwachungs- und Steuerungsvorrichtung wird damit zur aktiven Meßzelle.

Die vorstehend erläuterte Überwachungs- und Steuerungsvorrich tung ist bevorzugt in einem eigenen miniaturisierten Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse ist dabei mit einem Port zum Anschluß an einen PROFI oder CAN-Bus versehen. Dieses Gehäuse kann dann an unterschiedlichsten Stellen einer Arbeitsmaschine angeord net sein. Das Gehäuse wird dabei bevorzugt in unmittelbarer Nähe der jeweils angeschlossenen Sensoren und/oder Aktoren angeordnet. Im Falle einer Anzeigensteuerung ist das unmittel bar in einer Anzeigeneinheit oder einem Armaturenbrett einer Baumaschine. Im Falle einer Überlastsicherung einer Kransteue rung im Ausleger des Krans. Selbstredend sind noch diverse weitere Anwendungen und damit Einsatzorte in Verbindung mit Arbeitsmaschinen denkbar.

Alles in allem erlaubt die vorstehende Überwachungs- und Steuerungsvorrichtung aufgrund der abermals vorangetrieben Mi niaturisierung einen Einsatz an nahezu beliebiger Stelle.

Diese Anwendungsbreite wird durch die verbesserte Störresi stenz gegen unterschiedlichste Außeneinflüsse weiter gestei gert.

Außerdem kann die vorstehend erläuterte Lösung auch bei ver gleichsweise geringen Stückzahlen zu vertretbaren Kosten pro duziert werden.

Bezugszeichenliste

1

Überwachungs- und Steuerungsvorrichtung

2

ein Multi-Chip-Modul

3

anderes Multi-Chip-Modul

4

Substrat

5

ein ASIC

6

anderes ASIC

7

Mikrocontroler

10

ein Flash-Eprom

11

anderes Flash-EPROM

12

ein SRAM-Baustein

13

anderer SRAM Baustein

14

DRAM-Baustein

15

weiteres Flash-EPROM

16

anderes weiteres Flash-EPROM

17

Glasfaser-Epoxydharz Kern (FR4)

20

eine dielektrische Schicht

21

andere dielektrische Schicht

22

Nickel Goldbahn

23

Lötstoplackschicht

24

Kupferbahn

25

Edge-Clipleiste

26

Lötkugeln

Claims

1. Überwachungs- und Steuerungsvorrichtung für eine Arbeitsma schine mit einer Vielzahl von Sensoren und Aktoren oder für zumindest wenigstens einzelne Sensoren und Aktoren der Ar beitsmaschine mit jeweils wenigstens folgenden Bauteilen - einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor, einem Arbeits speicher, einem überschreibbaren Programmspeicher und einem einmalig beschreibbaren Datenspeicher, wobei jeweils mehrere dieser zunächst als reine Halbleiterelemente, gehäusefrei ausgeführten Bare Dies oder alle diese Dies gemeinsam gekap selt sind und auf einem einzigen gemeinsamen Substrat (4) zu einem oder mehreren Multi-Chip-Modul bzw. -Modulen (2 und/oder 3) zusammengefaßt sind und diese Vorrichtung (1) mit wenigstens einer Schnittstelle zur Verbindung mit we nigstens einigen der Sensoren und Aktoren der Arbeitsmaschi ne verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dies im Wege einer Riegellösung derart gekapselt sind, daß je nach Anzahl und Größe der benötigten Dies ein oder mehre re Housings auf dem gemeinsamen Substrat (4) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselung jedes Multi-Chip-Moduls (2 oder 3) unter Verwen dung von schwarzem Molding Compound hergestellt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bare Dies im Wege des Drahtbondens elektrisch kontaktiert sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Substrat (4) des oder der Multi-Chip-Module (2 und/oder 3) ein Glasfaser- Epoxydharz- Substrat (4), vorzugsweise wie unter der Bezeichnung "FR 4" vertrieben, ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußpins des gemeinsamen Sub strates als Edge-Clips (25) auf das Substrat (4) geklemmt sind oder bei höheren Anschlußzahlen in Form einer BGA Kon figuration als Lotkugeln (26) auf der den Housings abgewand ten Seite des Substrates (4) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein auf dem Substrat (4) ange ordnetes Multi-Chip-Modul (2 und/oder 3) wenigstens eine se rielle Schnittstelle aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein auf dem Substrat (4) ange ordnetes Multi-Chip-Modul (2 und/oder 3) mit wenigstens ei ner analogen Schnittstelle versehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch ge kennzeichnet, daß wenigstens eine der Schnittstellen als Bussschnittstelle, vorzugsweise als Feldbusschnittstelle, ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zumindest ein auf dem Substrat (4) angeordnetes Multi-Chip-Modul (2 und/oder 3) mit PWM- Ausgängen zur analogen oder digitalen Leistungsansteuerung versehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein auf dem Substrat (4) angeordnetes Multi-Chip- Modul (2 und/oder 3) eine eigene Endstufe, vorzugsweise einen Feldeffekt-Transistor, aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß ein Anzeigen-Controller, insbeson dere für 640×480 Bildpunkte-Anzeigen, innerhalb wenigstens eines der Multi-Chip-Module (2 oder 3) integriert ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß ein vom jeweiligen Mikrocontroler oder Mikroprozessor unabhängiger Hubendschalter-Schaltkreis innerhalb wenigstens eines der Multi-Chip-Module (2 oder 3) integriert ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß wenigstens ein in CMOS-Technik ausgeführter Sensor auf dem gemeinsamen Substrat in gemein samer Kapselung angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in Dünnschichttechnik hergestellte Mikromenmbra nen aufweist, die in vorbestimmter Weise mit vorbestimmten Meßgrößen korrelieren.