Highway to Hell: Ultra-robuste Elektronik für selbstfahrende LKWs

Im europäischen Forschungsprojekt CHARM (Challenging Environments Tolerant Smart Systems) hat AT&S an der Entwicklung komplexer elektronischer Systeme mitgewirkt, die den rauen Bedingungen in tiefen Bergwerksschächten und anderen extremen Umgebungen standhalten können. 37 Unternehmen und Forschungseinrichtungen haben sich für das Projekt zusammengeschlossen und einen Konzeptnachweis für einen selbstfahrenden Lkw erbracht, der in heißen und staubigen Bergwerksschächten zuverlässig funktioniert und so die Kosten und Risiken für Menschen im Bergbau reduzieren könnte.

Der Bergbau unter Tage stellt eine große Belastung für Mensch und Gerät dar. Die Schächte sind schwer zu belüften, es gibt viel Staub und die Temperaturen und die Luftfeuchtigkeit können sehr hoch sein. Wenn Maschinen in dieser Umgebung überleben können, können sie überall überleben. Aus diesem Grund hat das von der EU finanzierte Forschungsprojekt CHARM, dessen Ziel es ist, ultra-robuste Elektronik zu entwickeln, die auch unter schwierigsten Bedingungen funktioniert, den Bergbau als Testlabor gewählt. Das Projekt begann im Jahr 2020, und die beteiligten Partner konnten seitdem einen funktionierenden Konzeptnachweis für einen selbstfahrenden Bergbau-Lkw erbringen, der in tiefen Bergbauschächten, in denen die Temperatur 40 Grad Celsius und mehr erreichen kann, autonom arbeiten kann.

Herausforderung angenommen

AT&S war für die Lieferung einer fortschrittlichen Packaging-Lösung verantwortlich, die es ermöglicht, den Prozessor, der die Intelligenz für das selbstfahrende System bereitstellt, mit allen notwendigen Versorgungssystemen in ein Modul zu integrieren. „Unser kompaktes System-in-Package (SiP), das nicht größer als 50 x 50 Millimeter ist, muss einen großen Halbleiter aufnehmen, der als Gehirn des Fahrzeugs fungiert, sowie die unterstützende Elektronik, die den von den Batterien kommenden Strom auf die richtige Spannung transformiert. Das System muss bis zu 100 Ampere verarbeiten können, was eine Menge zusätzlicher Wärme erzeugt, die abgeleitet werden muss, ohne dass Staub eindringt. Das war eine Herausforderung, aber AT&S ist es gewohnt, technologisches Neuland zu erkunden“, sagt Stefano Oggioni, der bei AT&S für das Projekt CHARM verantwortlich war.

Das von den AT&S-Ingenieur:innen entwickelte SiP kombiniert geringen Stromverbrauch mit optimalem Wärmemanagement. Es besteht aus zwei IC-Substraten, die zu einem einzigen Modul kombiniert werden. Ein Substrat regelt die Hochleistungs-Stromversorgung und eines versorgt den Prozessor mit Strom und Daten. Das Konzept zur Einbettung eines großen Halbleiters mit mehr als 9000 Kontakten erforderte die Entwicklung neuartiger Prozesse und Materialien. „Durch die enge Kopplung von Energie- und Datenverarbeitung wird das System sehr effizient und die elektrischen Verluste werden stark reduziert. Gleichzeitig benötigt unser SiP 45 Prozent weniger Platz, was sich in einer deutlichen Gewichts- und Kostenreduzierung niederschlägt. Durch die Einbettung von Kupferplatten in unser SiP konnten wir auch das Energiemanagement optimieren, was ein Lkw-Design mit einem viel kleineren aktiven Kühlsystem ermöglicht und so eine zusätzliche Kostenreduzierung bringt“, sagt Stefano Oggioni.

Robuste Zukunft

Das Projekt CHARM wurde im vergangenen Jahr erfolgreich abgeschlossen und AT&S ist stolz darauf, Teil dieses spannenden Forschungsprojekts gewesen zu sein. Die Technologien und Prozesse, die AT&S-Ingenieur:innen für CHARM entwickelt haben, sind für viele weitere Anwendungen interessant. Das Know-how kann leicht auf Hardware für andere rauen Arbeitsumgebungen übertragen werden, zum Beispiel im Weltraum, in Wüsten oder auf dem Meer. Rechenzentren für KI und andere datenintensive Anwendungen sind ebenfalls Hochtemperaturumgebungen und würden enorm von Hardware profitieren, die hohen Temperaturen konstant und mit minimalen Verlusten trotzen kann. „Normalerweise wird davon ausgegangen, dass ein Anstieg der Arbeitstemperatur um 10 Grad Celsius zu einer Halbierung der erwarteten Lebensdauer führt. Wir werden robuste Systeme brauchen, die zuverlässig und effizient mehrere Mikrochips parallel versorgen können, um die wachsende Datenmenge in der Welt zu bewältigen. Die Technologie, die wir für Projekt CHARM entwickelt haben, hat enormes Potenzial“, sagt Stefano Oggioni.

Eine Gruppe von vier Personen, alle in legerer Business-Kleidung, steht um einen Tisch in einem Büro. Sie diskutieren und betrachten Dokumente. Das Büro ist modern eingerichtet und verfügt über Schreibtische, Computer und im Hintergrund eine Treppe.

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Veröffentlicht am: 18. Januar 2025

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