Überlebensstrategien für das Design in einer Welt der Engpässe bei Bauteilen

Jeder Elektronikentwickler und PCB-Designer bekommt heutzutage die Engpässe bei Bauteilen schmerzhaft zu spüren. Warum in aller Welt sind grundlegende Standard-Kondensatoren knapp geworden? Wann können wir auf das Ende dieser nervenaufreibenden Angelegenheit hoffen? Wie können Designer diese Engpässe umschiffen und ihre Arbeit fertig bekommen – und das auch noch pünktlich?! Ich habe John Watson von LeGrand angerufen, um diese und andere Fragen zu stellen. Als leitender PCB-Designer, der 50 Designer weltweit betreut, müsste er zu diesem Thema viel beizutragen haben. (Achten Sie auf einen kommenden OnTrack-Podcast mit John Watson, in dem wir dieses Thema noch ausführlicher behandeln werden).

Judy Warner: John, bitte geben Sie uns eine Momentaufnahme Ihrer Sicht auf die Bauteilengpässe und welche Bauteile zurzeit besonders schwer zu bekommen sind.

John Watson: Vor ungefähr 6 bis 12 Monaten begannen diese Bauteilengpässe uns wirklich ziemlich hart zu treffen. Es fing bei mehrschichtigen Keramikkondensatoren (MLCC) und Tantalkondensatoren mit längeren Lieferzeiten an. Dann waren sie nicht länger verfügbar und bevor wir es merkten gab es einen großen Ansturm und eine internationale Krise.

Momentan gibt es bei den Lieferzeiten einige Bauteile mit kurzen Vorlaufzeiten von bis zu 16 Wochen, mittleren von bis zu 32 Wochen und langen von bis zu 80 Wochen. Das heißt, wenn wir heute ein Bauteil bestellen würden, käme es im April 2020 an.

Das alles begann mit den Kondensatoren, aber wir sehen zunehmend Probleme auch bei anderen Bauteilen.

• Temperatursensoren für die Leiterplattenmontage (ca. 5 Wochen Lieferzeit)

• Leistungsschalter-ICs (ca. 6-10 Wochen Lieferzeit)

• MOSFETs (ca. 26 und mehr Wochen Lieferzeit)

• Suppressoren/Dioden (ca. 49 Wochen Lieferzeit)

• Operationsverstärker und Relais (ca. 52 Wochen Lieferzeit)

• Dick- und Dünnschichtwiderstände (ca. 6 bis 80 Wochen Lieferzeit

Warner: Können Sie uns sagen, was diesen Mangel verursacht hat?

Watson: Es ist das einfache Prinzip von Angebot und Nachfrage in der Wirtschaft. Während das Angebot stark zurückgegangen ist, ist die Nachfrage nach vielen Bauteilen total explodiert.

Aus meiner Sicht gibt es drei Hauptsektoren in der Elektronikbranche, die diese Bauteilknappheit verschärfen.

1. Das Internet der Dinge (IoT)

Die Nachfrage nach intelligenten Geräten ist enorm gestiegen – von Smart-Fernsehern über Bluetooth-Lautsprechersysteme, Amazon Alexa und Google Home bis hin zu Produkten für erneuerbare Energien, Solarmodulen und Cloud-Computing. Wir haben ein SMART für alles Mögliche. Wir haben Kühlschränke, die unseren Standort verfolgen und uns eine SMS zur Erinnerung schicken, dass wir Milch brauchen, wenn wir im Supermarkt sind. Laut Gartner wird es bis 2020 mehr als 20 Milliarden neue IoT-Geräte geben, was einem Wachstum um 100 Prozent in den nächsten zwei Jahren gleichkommt. Nach meinem Gefühl heißt das eine Menge mehr Hardware.

2. Mobiltelefonbranche

Es gab einen enormen Anstieg bei der Nutzung von privaten Telefonen und nach letzten Berichten hat sich deren Zahl seit 2015 verdoppelt. Es wird geschätzt, dass im kommenden Jahr ungefähr 1,5 Milliarden Smartphones hergestellt werden und jedes Spitzenmodell etwa 1000 Kondensatoren enthält. Zurzeit liegt die weltweite Produktion bei etwa 3 Billionen MLCC-Kondensatoren. Das bedeutet, dass fast 50 % der MLCC-Kondensatoren ausschließlich im Bereich der Mobiltelefone eingesetzt werden.

3. Automobilbranche

In der Hybrid- und Elektrofahrzeugbranche ist das Wachstum mittlerweile zweistellig. Und die Fortschritte dort sind auch auf die normalen Benzinfahrzeuge durch die Hinzufügung neuer Technologien für die Automatisierung wie automatisierte Fahrsysteme (ADS) ausgeweitet worden. Alle diese neuen automatisierten Gadgets wie Sensoren fürs Einparken, automatische Scheibenwischer usw.

Ein Standardauto mit Verbrennungsmotor enthält zwischen 2000 bis 3000 Kondensatoren. Ein einziges Elektrofahrzeug braucht bis zu 22.000 MLCCs.

Für die höheren Temperaturen in den Steuerschaltkreisen von Elektrofahrzeugen sind herkömmliche Kunststofffolienkondensatoren nicht geeignet, sodass zunehmend Keramikkondensatoren (MLCCs) eingesetzt werden. Das hat eine neue Regulierungsbehörde des Automotive Electronic Council (AEC) auf den Plan gerufen. Die Mission des AEC ist die Förderung von Normung, Zuverlässigkeits- und Qualifikationsstandards für elektronische Bauteile in Kraftfahrzeugen, einschließlich deren Beständigkeit bei hohen Temperatur- und Feuchtigkeitswerten, Temperaturveränderungen und Dauerhaftigkeit.

Als neue Agentur hat sie natürlich neue Standards und Anforderungen:

AEC-Q100: Integrierte Schaltkreise (ICs)

AEC-Q101: Diskrete Halbleiterbauelemente (Transistoren, Dioden usw.)

AEC-Q200: Passive Bauteile (Kondensatoren, Induktoren usw.)

Diese neuen Standards werden schätzungsweise von fast 50 % der getesteten Bauteile nicht erfüllt. Das hat zu einer fünffachen Steigerung der Nachfrage nach diesen spezifischen elektronischen Bauteilen geführt.

Warner: Was glauben Sie, wie lange das so bleiben wird, und sehen Sie eine Lösung dafür in der nahen Zukunft?

Watson: Das ist die Eine-Million-Euro-Frage. Aber ich sehe keine Lösung für dieses Problem in der nächsten Zeit. Aus mehreren Gründen:

1. Das erwartete erhebliche Wachstum in der Elektronikindustrie in den nächsten Jahren. Laut Statista wird ein Wachstum von 6 % im Jahr 2019 und sogar noch mehr, nämlich 8 % im Jahr 2020, angenommen. Das sind gute Nachrichten für unsere gesamte Branche. Das führt jedoch zu einigen großen Problemen. Erstens: Wird es genug Kaffee geben, um diesen massiven Entwicklungsaufwand zu tragen, und zweitens: All dieses neue Wachstum wird neue Hardware und Geräte erfordern.

2. Viele Bauteilhersteller haben damit begonnen, ganze, für sie weniger rentable Bauteilreihen einzustellen. Die nicht länger produzierten Bauteile sind einige mit größeren Gehäusen. Wie alles über 0603 für die einzelnen Bauteile. Warum? Sie stellen diese Fertigungsreihen ein, um dafür andere benötigte Bauteile herzustellen. Das verringert aber die Bauteilauswahl und reduziert damit die Versorgung.

3. Ein weiterer Grund ist ein eher selbstverschuldetes Problem. Viele der Bauteillieferanten sind nun zur sogenannten Zuteilung übergegangen. Sie teilen die verfügbaren Bauteile auf, indem sie einen bestimmten Prozentsatz des Lagerbestands nur an bestimmte Hersteller abgeben. Als Verkäufer wollen sie mit den Unternehmen zusammenarbeiten, welche die größten Aufträge vergeben können. Also lassen sich diese Firmen Angebote machen. Auf der Herstellerseite hat das absolute Panik ausgelöst. Um sicherzustellen, dass man die verfügbaren Bauteile auch bekommt, ist es mittlerweile üblich, die Aufträge zu verdoppeln und zu verdreifachen. Diese Bauteile werden dann für eine zukünftige Verwendung eingelagert. Das hat das bereits fragile System von Angebot und Nachfrage nur noch mehr belastet.

Warner: Sie leiten bei LeGrande ja ein Team von etwa 50 Designern, wie wirkt sich das speziell auf Sie und Ihr Designteam aus?

Watson: Das hat große Auswirkungen. Vom allerersten Tag eines neuen Designs an. Es hat uns gezwungen, zu hinterfragen, welche Bauteile wir verwenden. Das Problem besteht aber mehr darin, dass wir nicht im Voraus wissen, wie die spezifischen Bedingungen sich von Augenblick zu Augenblick verändern werden. Wir haben auf beiden Seiten des Problems Dinge gesehen, von denen wir dachten, dass sie keine Schwierigkeit darstellen würden, die dann aber mitten beim Entwerurf zu einem wurden und umgekehrt. Es ist tatsächlich so schlimm geworden, dass, wenn wir Bauteile gefunden hatten, diese nicht mehr lieferbar waren, noch bevor wir eine Bestellung ausfüllen und Minuten später absenden konnten. Ich habe für alle unsere Entwickler eine einfache Regel aufgestellt:  „Business as usual“ gibt es nicht mehr.

Da es einige nicht lassen können, gerade an einer Krise verdienen zu wollen, sind viele Schwarzmarkt- und gefälschte Bauteile aufgetaucht. Ich habe in unserem kleinen Teil dieser Branche Bauteile gesehen, von denen wir glauben, dass sie Fälschungen waren, weil sie den Spezifikationen des Datenblatts überhaupt nicht entsprachen. So kann man den Bauteilen, die wir finden und in die Designs bringen, nicht trauen. Mein einziger Kommentar dazu ist... AUTSCH.

Warner: Welche Ausweichmöglichkeiten oder Lösungen benutzen Sie, um durch diese schwierige Zeit hindurch zu kommen?

Watson: Wir mussten anders als bisher gewohnt entwerfen. Da wir uns bei einigen Bauteilen Engpässen und einem reduzierten Angebot gegenübersahen, mussten wir flexibel sein. Das heißt, wir suchen und sehen, ob einer der spezifischen Parameter eines Bauteils, der von dem abweicht, was wir unter „Norm“ verstehen, angepasst werden kann. Ein Beispiel: Müssen wir für unsere Überbrückungskondensatoren einen Kondensator mit 0,1 uF und 1 % Toleranz verwenden? Da das der häufigste Wert für Überbrückungskondensatoren ist, sucht jeder nach diesem spezifischen Bauteil. Wir konnten mehr Bauteile verfügbar machen, indem wir die Parameter änderten, z. B. anstatt nur eine Toleranz von 1 % zuzulassen, diese auf 5 % zu erhöhen. Ich habe es oft gesehen, dass die verwendeten Bauteile für die Klasse des Designs eigentlich „übertrieben gut“ waren und diese einfache Änderung hat für uns zu einem ganz neuen Bestand an Bauteilen geführt.

Ein anderer Ausweg für uns war, dass PCB-Designer auch andere Bereiche des Entwicklungsprozesses steuern. Das heißt, wir geben nun die Tücken im Bauteilbereich an die Beschaffung weiter. Das beruht auf dem Einsatz von ActiveBOM, auf die ich gleich noch näher eingehen werde. Vorher war es umgekehrt: Entwicklung und Beschaffung sprachen oft gar nicht miteinander. Jetzt stellen wir sicher, dass die Informationen, die uns über ActiveBOM zur Verfügung stehen, für das gesamte Unternehmen abrufbar sind.

Zu guter Letzt haben wir damit begonnen, Bauteile zu verwenden, die wir Multi-Footprint-Bauteile nennen, indem wir mehrere Footprints ins Design für alternativ zu verwendende Bauteile einbringen, falls es bei unserer ersten Wahl einmal knapp wird. Das wiederum hat nun zu einigen interessanten Layouts geführt, die alles unterbringen können.

Warner: Wenn sich die Lage nicht ändert, wie können Entwickler weiterhin proaktiv und flexibel sein sowie gut planen und pünktlich liefern?

Watson: Tatsächlich gibt es drei Punkte, um durch diese Krise kommen: Planen, vorbereiten und proaktiv sein.

Seien Sie dem Problem immer einen Schritt voraus, indem Sie nicht mit einem Design beginnen, bei dem es schon Schwierigkeiten gibt. Oft verwenden Entwickler ein altes Design und denken, dass die benötigten Bauteile schon verfügbar sein werden. Tatsächlich aber sind einige davon überholt oder bereits veraltet. Wir können nicht mehr einfach davon ausgehen, dass schon alles in Ordnung sein wird. Wenn man sehen kann, dass diese Bauteile bereits Lieferprobleme haben oder nicht für neue Designs empfohlen werden, wird diese Situation im Laufe der Zeit nicht besser, sondern wahrscheinlich schlimmer werden. Darüber hinaus sollten Sie sich darüber bewusst sein, dass, je weiter man in einem Design fortschreitet, es schwieriger wird, Änderungen vorzunehmen, ohne dass das Auswirkungen auf Ihren Geldbeutel oder Zeitplan hat.

ActiveBOM

ActiveBOM von Altium Designer ist für uns zu einem der wichtigsten Werkzeuge geworden. Wissen ist ja bekanntlich Macht und die Möglichkeit, Informationen über die Verfügbarkeit von Bauteilen und über geeignete und zugelassene Zulieferer zu bekommen, Lieferanten zu bewerten und mehrere Bezugsquellen sowie Lieferanten für jedes Bauteil einrichten zu können, ist für uns wichtig geworden. Jetzt, da wir diese Informationen jederzeit zur Hand haben, müssen wir nicht bis zum Ende eines Designs warten, um herauszufinden, dass wir gerade den neuesten Ladenhüter und damit einen Bestand an nutzlosen PCBs für das Unternehmen entwickelt haben. Sobald wir einen Schaltplan fertiggestellt haben, können wir ihn durch ActiveBOM laufen lassen und herausfinden, wo unsere Probleme liegen.

Wenn es eine zweite Regel nach „Business as usual“ gäbe, so wäre diese, während des gesamten Designprozesses so oft wie möglich die Verfügbarkeit der Bauteile zu überprüfen.

Warner: Welche Ressourcen würden Sie empfehlen, um mit der Situation Schritt halten zu können?

Watson: Ja, viele der Bauteilanbieter veröffentlichen ihre Bauteilprognosen. Achten Sie auf die Trends in unserer Branche. Bleiben Sie auf dem letzten Stand. Je früher Sie das Problem oder die Richtung erkennen, desto früher können Sie eine fundierte Entscheidung über die erforderlichen Änderungen treffen. Deshalb sollten Sie Elektronik-Fachzeitschriften lesen und die entsprechenden Nachrichten verfolgen. Bleiben Sie auf dem Laufenden über das, was einige der großen Fachzeitschriften der PCB-Branche wie I-Connect-007, EDN, All About Circuits, PCDandF, EE Journal und andere berichten.