Fortschritt in der Technik: Wir werfen einen Blick auf die Techniktrends, die die PCB-Industrie revolutionieren

Schlüsselfaktoren, die die Zukunft der PCB-Industrie formen:

• Fortschreitende Technologien eröffnen neue Wachstumschancen
• Steigende Fortschritte in der Unterhaltungselektronik treiben die Komplexität von PCBs voran
• Kontinuierliche Miniaturisierung elektronischer Geräte
• Verbesserte prädiktive Wartung durch den Einsatz von KI
• Ausweitung der Anwendung von PCBs im Automobilsektor

Die heutigen komplexen, aber winzigen, mehrlagigen PCBs haben sich seit ihren ursprünglichen Entwürfen und Funktionalitäten, die zu Beginn des Jahrhunderts erfunden und 1943 von Paul Eisler patentiert wurden, stark weiterentwickelt. Seitdem haben auch ausgefeiltere Herstellungsprozesse und Designsoftware eine größere Effizienz in der Produktion und niedrigere Kosten ermöglicht. Beispielsweise waren HDI, FPGAs und Mikrovias vor einem Jahrzehnt ausschließlich den teuersten Designs vorbehalten, doch heute sind sie weltweit leicht zugänglich.

Im Zentrum des Spiels der Elektronikinnovation muss die PCB-Industrie mit dem Tempo des Wandels Schritt halten, reifen und sich in Reaktion auf PCB-abhängige Technologien entwickeln, da diese fortschreiten und sich die Verbrauchernachfrage ändert. Da Verbraucher schnellere, schlankere Geräte fordern und sowohl Einzelpersonen als auch Industrien verbesserte Funktionalität suchen, stehen führende PCB-Designer unter enormem Druck, mitzuhalten. Ein Beispiel ist, wie die für 5G erforderlichen Hochfrequenzübertragungen nun den Einsatz von komplexen Mixed-Signal-PCBs erforderlich machen, die ohne die richtigen PCB-Designwerkzeuge sehr schwer zu entwerfen sind.

Lassen Sie uns einen tieferen Blick auf die Technik und die Trends werfen, die die PCB-Industrie revolutionieren.

Trends, die Trends antreiben: KI, IoT und 5G-Konnektivität

Es wird erwartet, dass der globale IoT-Markt von 399,41 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 auf 1057,55 Milliarden US-Dollar bis 2027 ansteigt.

Konvergierte KI, 5G-Konnektivität und das Internet der Dinge (IoT) waren ein Impuls für Veränderungen, die Wachstum und Fortschritte in der PCB-Herstellung vorantreiben.

Mit Zugang zu Netzgeschwindigkeiten von bis zu 20 Gbps wird erwartet, dass 5G zehnmal schneller als die aktuellen LTE-Netze und 20-mal schneller als 4G mit geringer Latenz (von einer Millisekunde, im Wesentlichen Echtzeit) und hoher Zuverlässigkeit von bis zu 99,9999 Prozent läuft. Dies wirkt sich stark auf den Betrieb von IoT-Geräten aus, indem es Geräten aller Art, einschließlich Sensoren und Maschinen, ermöglicht, schneller denn je zu kommunizieren und Daten auszutauschen, was unsere Lebens- und vor allem Arbeitsweise revolutioniert.

Wo Wi-Fi in der Vergangenheit zu kurz kam, macht 5G kritische Echtzeitkommunikation möglich und wird zu einem Fertigungsdifferenzierungsmerkmal und einer wesentlichen Voraussetzung für die intelligenten Fabriken der Zukunft.

Während sich 5G-Systeme weltweit ausbreiten, stellen ihre Hochgeschwindigkeitsfähigkeiten weiterhin eine Herausforderung beim Entwerfen und Herstellen von PCB-Platinen dar. Um beispielsweise die Signalintegrität zu gewährleisten, müssen Designer Faktoren wie Breite, Leiterbahnlänge, Routing, Terminierung und Abschirmung berücksichtigen. Ein weiteres Problem, die elektromagnetische Interferenz, kann durch Filterung, Abschirmung, Erdung und Layout verringert werden.

Um den Anforderungen von 5G-Anwendungen gerecht zu werden und eine hohe Schaltungsdichte bei geringem Signalverlust zu erzielen, verwenden PCB-Hersteller anstelle des traditionellen subtraktiven Ätzverfahrens die Technik des modifizierten semi-additiven Prozesses (MSAP). Bei dieser Technik wird eine dünne Kupferschicht auf das Laminat aufgetragen, wo kein Fotolack vorhanden ist. Durch den Einsatz von Photolithographie zur Erzielung einer hochpräzisen Ätzung mit geringem Signalverlust wird das Kupfer zwischen den Leitern entfernt.

Miniaturisierung und andere aufkommende Fortschritte in der Unterhaltungselektronik

Die Allgegenwärtigkeit von PCBs in unserem persönlichen Leben hält an, da Verbraucher zunehmend neue Technologien in ihren Alltag integrieren, jetzt alltägliche Aufgaben wie das Einschalten der Lichter oder das Einstellen der Klimaanlage auf angenehme 25,5 Grad Celsius durch einen einfachen Sprachbefehl überwachen und steuern.

Von Smartwatches, die alles von Ihren Schritten bis zu Ihrer Kalorienaufnahme überwachen, bis hin zu intelligenten Geräten, die die Lichter in Ihrem Wohnzimmer steuern, ist die Nachfrage nach Unterhaltungselektronik gestiegen und treibt technologische Fortschritte in allem voran, von Spielkonsolen, Smartphones und Smart Homes bis hin zu Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) Geräten.

Um die durch den Trend zur Miniaturisierung getriebene Nachfrage zu befriedigen und Funktionen wie Ruheherzfrequenzen auf einer Smartwatch zu ermöglichen, verbessern PCB-Hersteller die Funktionalität und Fähigkeiten durch die Verwendung von fortschrittlichen Materialien in Schaltplatten wie Flüssigkristallpolymeren, kupferbeschichtetem Harz und Glasfasern.

KI für verbesserte prädiktive Wartung

Obwohl der Einsatz von KI für strengere Qualitäts- und Produktionskontrollen in anderen Sektoren schon seit einiger Zeit recht verbreitet ist, ist dies in der PCB-Herstellung noch immer eher ungewöhnlich. KI kann helfen, die Ausgabe und Produktqualität zu verbessern, indem Schaltkreise entworfen und schneller sowie konsistenter als mit traditionellen Methoden hergestellt werden.

KI-basierte fortgeschrittene automatische optische Inspektionssysteme (AOI) mit ML können verwendet werden, um Defekte wie fehlende Komponenten und gebrochene Lötstellen zu erkennen, indem sie 2D/3D-Bilder aufnehmen und mit Hilfe von Mustererkennungsalgorithmen aufgenommene Bilder mit einem gegebenen Referenzpunkt vergleichen, wodurch falsche Alarme und Produktionslinienverzögerungen reduziert werden.

Durch die schnellere Erkennung von Fehlern kann ein AOI-System die Effizienz der Fertigungslinie verbessern, die Bediener über potenzielle Probleme informieren, bevor sie zu echten Problemen werden, die Nacharbeit beschleunigen und dadurch die Gesamtproduktionskosten senken.

Unterstützt durch KI können Lötmaschinen sehr effizient beim Löten von Fine-Pitch-Integrierten Schaltkreisen (ICs) sein, ein kritischer Prozess in der Herstellung kleiner elektrischer Komponenten, bei dem eine sehr hohe Temperaturdüse zum Löten winziger elektrischer Komponenten auf der Platine verwendet wird.

Die riesigen Datenmengen, die von KI-gesteuerten Systemen während des Betriebs gesammelt werden, sollten vollständig genutzt, sorgfältig ausgewertet werden, um Verbesserungsbereiche zu identifizieren, und um PCBs effektiver und zuverlässiger herzustellen. Um die prädiktive Wartung im PCB-Fertigungsprozess zu verbessern, können intelligente Sensoren eingesetzt werden, um wichtige Daten zu erfassen, die dann analysiert werden, um Bereiche im Prozess zu identifizieren, die anfälliger für Fehler sind, und helfen, Ausfallzeiten der Montagelinie zu reduzieren und potenzielle Verluste zu vermeiden.

Die riesigen Datenmengen, die von KI-gesteuerten Systemen während des Betriebs gesammelt werden, sollten vollständig genutzt und sorgfältig ausgewertet werden, um Verbesserungsbereiche zu identifizieren, Betriebsabläufe zu optimieren und PCBs effektiver und zuverlässiger herzustellen.

Um die prädiktive Wartung im PCB-Fertigungsprozess zu verbessern, können intelligente Sensoren eingesetzt werden, um wichtige Daten zu erfassen, die dann analysiert werden, um Bereiche im Prozess zu identifizieren, die anfälliger für Fehler sind, und helfen, Ausfallzeiten der Montagelinie zu reduzieren und potenzielle Verluste zu vermeiden.

Erweiterung der Anwendung von PCBs im Automobilsektor

Der weltweite Markt für Automobil-PCBs wird zwischen 2023 und 2031 voraussichtlich mit einer CAGR von 7,7 % wachsen, wobei die Marktgröße im Jahr 2022 bei 13,2 Milliarden US-Dollar lag und bis 2031 auf 25,6 Milliarden US-Dollar geschätzt wird.

Wie von Transparency Market Research berichtet wird, wird die steigende Marktnachfrage nach Fahrzeugen der nächsten Generation und die wachsende Akzeptanz von Mobility 4.0 voraussichtlich das Wachstum der Automobil-PCB-Industrie vorantreiben. Das Ziel von Mobility 4.0 ist es, intelligente, effiziente und nachhaltige Transportsysteme mit der Nutzung von Spitzentechnologien wie dem bereits erwähnten IoT und KI sowie autonomen Fahrzeugen zu entwickeln.

Verbraucher wünschen sich effektive, praktische Transportoptionen, die individualisiert werden können, Merkmale, die von Fahrzeugen der nächsten Generation angeboten werden. Um den Markt weiter anzukurbeln und die Nachhaltigkeit sowie die Reduzierung fossiler Brennstoffe zu fördern, unterstützen Regierungen die Einführung von Elektro- und Hybridfahrzeugen durch Anreize und Subventionen.

3D-Druck von PCBs

In den letzten zehn Jahren hat sich die 3D-Drucktechnologie von einem Mittel für Prototypen zu einer Technik entwickelt, die die Massenproduktion ermöglicht und nun in vielen Branchen, einschließlich der PCB-Herstellung, eingesetzt wird. Der 3D-Druck verwendet additive Fertigung, um Objekte zu bauen. Substrate können schichtweise mit flüssiger Tinte gedruckt werden, dann auf Teile aufgetragen werden, die elektrische Funktionalitäten enthalten. Der Prozess kann verwendet werden, um PCB-Platinen mit einzigartigen Merkmalen und Fähigkeiten herzustellen, die durch herkömmliche Prozesse zuvor unmöglich waren.

Da 3D-Druck menschliche Fehler begrenzt, Abfall reduziert und die Notwendigkeit für teure Formen, Werkzeuge und Ausrüstung eliminiert, ist es eine großartige Möglichkeit, Kosten zu senken, den Energieverbrauch zu reduzieren und die Effizienz zu verbessern, während gleichzeitig individuelles Design ermöglicht wird.

Weitere Vorteile umfassen:

• Schnelle Prototypenerstellung und -tests, die die Produktion von Platinen beschleunigen und kundenspezifische Anpassungen und Fertigung auf Abruf ermöglichen.
• Beim Entwurf von PCB-Platinen bietet der 3D-Druck mehr Raum für Kreativität und Flexibilität, ermöglicht komplexe Formen und Strukturen und erlaubt die Integration mehrerer Komponenten und Funktionen auf einer einzigen PCB-Platine.
• 3D-Druck hilft, den ökologischen Fußabdruck der PCB-Produktion zu minimieren, indem biologisch abbaubare oder recycelbare Materialien verwendet werden und die Menge an gefährlichen Chemikalien und Substanzen im Vergleich zur herkömmlichen PCB-Herstellung reduziert wird.

Biologisch abbaubare PCBs

Um die Auswirkungen von PCBs auf unseren Planeten zu minimieren, müssen Hersteller zusammenarbeiten, um nachhaltige Methoden zu fördern, nicht abbaubaren Elektroschrott zu reduzieren und gefährliche Substanzen in der Umwelt zu minimieren.

Die Abhängigkeit der Branche von Silizium hat PCB-Hersteller dazu veranlasst, nachhaltigere Alternativen zu suchen, was zu einem Anstieg hin zu organischen oder biologisch abbaubaren PCBs geführt hat. Biologisch abbaubare PCBs vermeiden die Verwendung von nicht biologisch abbaubaren Materialien wie Chemikalien, Metallen und Kunststoffen und können daher unter günstigen Bedingungen wie Wärme, Feuchtigkeit, Licht oder Mikroorganismen natürlich zerfallen.

Nicht nur sind biologisch abbaubare PCBs umweltfreundlicher, indem sie den Verbrauch von Energie und natürlichen Ressourcen durch die Verwendung von erneuerbaren und recycelbaren Materialien reduzieren, sondern sie senken auch die Kosten durch die Verwendung von billigeren, reichlicher vorhandenen Materialien. Einige der Komponenten, die in biologisch abbaubaren und teilweise biologisch abbaubaren PCBs verwendet werden können, umfassen chemikalienfreie Bio-Verbundstoffe, die aus natürlichen Zellulosefasern gewonnen werden, die aus landwirtschaftlichen Abfällen und Nebenprodukten wie Weizengluten, Bananenstielen oder Hühnerfedern extrahiert werden.

Erneuerbare Energiequellen

Erneuerbare Energie wird bis 2025 35% des weltweiten Stroms produzieren: International Energy Agency’s (IEA) Electricity Market Report 2023.

Der Nachhaltigkeitstrend hinter dem Übergang zu biologisch abbaubaren PCBs fördert weiteres Branchenwachstum, da unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen immer größer wird, was unsere Umwelt zunehmend beeinflusst und die Priorisierung der Forschung und Entwicklung erneuerbarer Energiequellen erzwingt. Dies hat zu einer erhöhten Nachfrage nach PCBs geführt, die in erneuerbaren Energiequellen wie Windturbinensteuerungssystemen, Solarwechselrichtern und Energiespeichersystemen verwendet werden.

Der Bedarf an PCBs mit immer höherer Komplexität wird weiter zunehmen. Was heute als Spitzentechnologie gilt, wird schnell zum Allgemeingut von morgen. Um mit den prognostizierten Trends Schritt zu halten, müssen führende Hersteller sich rüsten und sich darauf vorbereiten, größere Strukturen und die Verwendung verschiedener Materialien zu unterstützen. Dies kann zu Anforderungen an neue Rohstoffe, aufgerüstete Produktionslinien, neue Maschinen und natürlich die Abstimmung mit den richtigen Partnern führen.