Was ist die PCB-Lieferkette?

Eine PCB-Lieferkette umfasst mehrere Bauteile, Rohstoffe und die Leiterplatte selbst. PCBs und PCB-Baugruppen (PCAs) sind oft die technisch komplexesten Bauteile, die für elektronische Baugruppen und Produkte gekauft werden. Sie bilden das Zentrum des Universums eines Elektronikprodukts. Die Komplexität moderner Leiterplatten stellt ein Supply-Chain-Management-Team (SCM-Team) vor mehrere Herausforderungen. Im Vergleich zu anderen Waren, die das Team verwaltet, können sich Problematiken hier erheblich unterscheiden.

In diesem kurzen Leitfaden schauen wir uns daher die PCB-Lieferkette einmal genauer an; insbesondere all das, was in den Zuständigkeitsbereich eines Beschaffungs- und SCM-Teams fällt.

• Anatomie einer PCB-Lieferkette
• Wer verwaltet die Lieferkette eines Produkts?
• Herausforderungen im PCB-Lieferketten-Management
• PCB-Wertschöpfungs-Lieferkette
• Produktqualifizierung
  • PCB-Design und -Layout
  • PCB-Fertigung und -Tests
  • PCBA-Qualifizierung und -Tests
• Zusammenfassung

Anatomie einer PCB-Lieferkette

Die Lieferkette für PCBs und PCBAs umfasst eine Reihe von Akteuren und Elementen. Dazu gehören u.a. Rohstofflieferanten, Hersteller und natürlich die Komponenten, die auf einer fertigen Leiterplatte erscheinen. Jeder Schritt entlang der Lieferkette, vom Designkonzept bis zum fertigen Produkt, erfordert Ressourcen aus verschiedenen Bereichen:

• Kern- und Laminatmaterialien für blanke Leiterplatten, von denen einige kompatible Swaps haben können, wie in den Slash Sheets definiert. Diese wiederum beziehen Ressourcen aus ihrer eigenen Lieferkette, etwa in Form von Chemikalien und Rohstoffen.
• Rohstoffe für blanke Leiterplatten, also Kupferfolien und Glasfasergewebe zur Herstellung von Laminaten.
• Zusätzliche Rohstoffe, wie Reinigungsprodukte und Lötmetall für die Bestückung, sowie Materialien und Chemikalien, die im PCB-Herstellungsprozess verwendet werden.
• Werkzeuge und Materialien, die bei der Herstellung von blanken Leiterplatten und der Bestückung von PCBAs verwendet werden – z. B. Lötmittel, Beschichtungen, Vorprodukte, Reinigungsmittel und andere Verbrauchsmaterialien.
• Halbleiter und andere Bauteile, die an der Leiterplatte montiert werden, um dem Gerät seine Funktionalität zu geben. PCBAs benötigen eine breite Palette von Komponenten, um die gewünschten Funktionen und Fähigkeiten in einem bestimmten Produkt zu unterstützen. Wenn diese nicht mit Blick auf Langlebigkeit und Nachhaltigkeit ausgesucht werden, kann dies zu Risiken führen.
• Verpackungs- und Gehäusematerialien oder vorgefertigte Gehäuse, welche die fertige Baugruppe aufnehmen und die Verbindung mit anderen Systemen ermöglichen.

Ein Teil der Herausforderung beim Management der PCB-Lieferkette besteht darin, sicherzustellen, dass neue Produkte im gewünschten Umfang und über die gewünschte Produktlebensdauer hinweg weiterhin produziert werden können. Zum Beispiel ist die Gewährleistung einer langfristig nachhaltigen Lieferkette bei der Herstellung von QTY 1 eines komplexen Systems weniger wichtig. Die Produktion allerdings einer prognostizierten Anzahl von Millionen Elemente, über einen Zeitraum von mehr als 10 Jahren hinweg, könnte viel schwieriger zu gewährleisten sein. Dies ist auch eine wichtige Erwägung für das Product Lifecycle Management. Denn die Produktlebenszeiten enden, sobald die enthaltenen Rohstoffe und Komponenten ihr EOL erreichen.

Wer verwaltet die Lieferkette eines Produkts?

Sobald die Anforderungen eines Produkts definiert sind und die Arbeit der Ingenieure beginnt, ist es das Design der Leiterplatte und die Auswahl der Bauteile, welche die Wertschöpfungs-Ereigniskette starten (siehe unten). Das Layout der Leiterplatte ist die erste physische Darstellung dieses Produkts. Design for Manufacturing (DFM) ist erforderlich, um Leistung und Kosten zu optimieren. Gleichzeitig gilt es hier sicherzustellen, dass ein Design im Hinblick auf die Fertigungs- und Bestückungsfähigkeiten eines Herstellers im gewünschten Maßstab überhaupt hergestellt werden kann. Eine besondere Herausforderung stellt hier die Verwaltung der Informationen, die Dokumentation und Übertragung der Designanforderungen dar; all dies und weitere Elemente müssen bspw. für die Lieferanten festgelegt werden.

• Beschaffung: Sofern ein OEM nicht zu den wenigen Herstellern gehört, die über eine vertikale Produktion verfügen, werden die allgemeinen Überlegungen bei Entscheidungen an die Einkaufsabteilung übergeben; so etwa im Hinblick auf die Beschaffung von PCBs und PCAs sowie hinsichtlich der Kriterien, die zur Bewertung und Auswahl von Lieferanten verwendet werden sollen.

• Lieferantenauswahl und -qualifizierung: Andere sind an den beschriebenen geschäftlichen Überlegungen und Auswahlkriterien zur Bewertung und Qualifizierung von Lieferanten beteiligt; einschließlich der Prozesse zur technischen Bewertung der vom Lieferanten bereitgestellten Muster.

• Prozesskontrolle, Überwachung und Inspektion: Eine fortlaufende Aufgabe bei der Verwaltung der Elektronik-Lieferkette ist die Überwachung der Qualitätssicherungsmethodik. Dies passiert häufig basierend auf Best Quality Practices wie Six-Sigma-Prinzipien; diese beinhalten spezifische Empfehlungen für die Prozesskontrolle, Tests und Inspektion von PCBs und PCAs beim Lieferanten.

• Produktakzeptanz und Feedback: Schließlich müssen hinsichtlich der eingegangenen PCBs und PCBAs geeignete Prozesse für die Designqualifizierung, die Chargen-Annahme und die laufende Inspektion vorliegen. Dazu gehören auch Empfehlungen für das langfristige Lieferantenmanagement, welche die internen Verwaltungskosten minimieren und gleichzeitig ein hohes Leistungsniveau aufrechterhalten.​

Herausforderungen im PCB-Lieferketten-Management

Das Lieferketten-Management in der Elektronikbranche birgt eine Vielzahl an Herausforderungen, die es so in anderen Branchen nicht gibt. Dies ist zum Teil auf die Komplexität elektronischer Produkte und Systeme zurückzuführen; sowohl auf Ebene der blanken Leiterplatten als auch auf der individuellen Komponentenebene. Hier einige Beispiele für Herausforderungen in der Elektroniklieferkette:

• PCBs und PCAs sind individuell gestaltet und können daher nicht einfach aus einem Katalog ausgewählt werden. Tatsächlich gibt es keinen perfekten Ersatz für Leiterplatten in einer größeren Baugruppe oder einem größeren System. Darüber hinaus kann es vorkommen, dass wenn die Leiterplatte ausfällt, ein komplettes Subsystem effektiv ausfällt und eine komplette PCBA ersetzt werden muss. Es gibt viele Lieferanten, aber ihre Fähigkeiten und Leistung variieren stark. Ein großes Augenmerk muss also stets auf die Lieferantenauswahl und -qualifizierung gelegt werden.

• Genau wie bei blanken PCBs gibt es nicht für alle Halbleiter perfekte oder vergleichbare Ersatzprodukte. Manchmal müssen Sie eine Leiterplatte absichtlich „unterentwickeln“, damit mehrere PNs in einer Produktfamilie in der PCBA verwendet werden können, da dies beim Bewältigen von Halbleiterengpässen hilft. Eine andere Praxis auf der Design-Seite ist es, mehrere Varianten zu implementieren und ihre Lebenszyklen einzeln zu verwalten.

• Für die Erstellung von PCBs und PCAs werden eine Vielzahl von Fertigungsprozessen verwendet; von präzisem Photoimaging und Bauteilplatzierung über mechanische Pressen für Laminierung bis hin zu Öfen für Reflow-Löten, nasschemische Plattierung und Ätzung sowie Hochgeschwindigkeitsbohren und -Routing. Für jeden von diesen Prozessen sind eigene Werkzeuge und Rohstoffe erforderlich, die nicht perfekt ersetzt werden können.

• PCBs und PCAs müssen als Teil eines elektrischen Systems arbeiten, dessen Performance wiederum entscheidend für den Erfolg des Endprodukts ist. Die PCB bietet offensichtlich Verbindungen zwischen Bauteilen, die an der Leiterplatte befestigt sind, aber in einigen Fällen fungiert sie selbst als Bauteil. Ob die PCBA korrekt funktioniert lässt sich möglicherweise erst dann feststellen, wenn Ihr Designteam sie als Teil des Endprodukts ausgewertet hat.

• Obwohl Bauteile auf einer Prototyp-PCBA ausgetauscht, Leiterbahnen geschnitten und Jumper hinzugefügt werden können, können PCBs und PCAs nicht einfach nachbearbeitet, zurückgegeben oder recycelt werden, wenn sich die Produktanforderungen ändern, was zu zusätzlichen Kosten und unerwünschtem Inventar führen kann.

Dies ist dabei nur eine Auswahl einiger Herausforderungen, die in der schnelllebigen Elektroniklieferkette auftreten können; insbesondere im Zusammenhang mit der Beschaffung und Herstellung von Halbleitern. Die Zusammenarbeit mit anderen Anbietern sowie die Logistik und Bestückung erhöhen dabei die Komplexität von PCBA-Beschaffung und -Einkauf.

PCB-Wertschöpfungs-Lieferkette

WERT ist definiert als „Vorteile minus Kosten“. Um ein erfolgreiches Produkt für einen Markt zu konfigurieren, muss in jedem Schritt der Lieferkette jedes Segment einen Wert wahrnehmen!  Wie unten zu sehen ist, hat jedes Segment das nächste Segment als Kunden. Somit trägt jedes Segment zur Wertschöpfungskette bei.

Die Auswahl eines bestimmten Lieferanten hängt von der relativen Bedeutung mehrerer verschiedener Dimensionen der Lieferantenleistung ab (siehe folgende Tabelle). Lieferanten verfügen über inhärente Fähigkeiten und Stärken, die auf deren eigenen strategischen Entscheidungen hinsichtlich ihrer Wettbewerbsstrategie beruhen. Diese Fähigkeiten bestimmen, wie gut sie zur Beschaffungsstrategie passen und wie sie wahrscheinlich als laufender Geschäftspartner abschneiden werden. Das Verständnis dessen, was für das Unternehmen am wichtigsten ist, ist für die anfängliche Lieferantenauswahl von großer Bedeutung. Es hilft zudem nachzuvollziehen, ob die Leistung des Lieferanten auch weiterhin Ihren Anforderungen entsprechen wird.

Produktqualifizierung

Wenn ein neues Produkt konzipiert wird, besteht eine der ersten Aktivitäten darin, das Produkt in Komponenten oder Partitionen aufzuteilen, sodass es entworfen, hergestellt, verkauft und unterstützt werden kann. Je nach Zielmarkt und Branche können jedoch Qualifikationsstandards gefordert sein. Dies ist äußerst wichtig, da ein Fehler hier dazu führen kann, dass ein Produkt nicht über die richtigen Funktionen verfügt, zu viel kostet oder nicht den erforderlichen Leistungsstandards entspricht.

PCB-Design und -Layout

Beim Designen einer neuen Leiterplatte müssen viele Herausforderungen bewältigt werden. Die Verdrahtungsmodelle sind wichtig, um die richtigen Design-Regeln und Konstruktionen auszuwählen. Durch Sacklöcher (blind vias) und vergrabene Durchkontaktierungen (buried vias) sind die neuen Strukturen vielfältiger und komplizierter als herkömmliche Leiterplatten. Es ist überaus wichtig zu wissen, was aus „Design for Manufacturing“-Perspektive hier kosteneffizient ist.

Bei komplexen Strukturen müssen besondere Design-Regeln beachtet werden. Für jeden Herstellungsprozess gelten möglicherweise besondere Überlegungen und Grenzen. Elemente – wie etwa Design-Tools, Pad-Stacks und Auto-Routing – werden in komplexen Designs alle unterschiedlich verwendet. Die Anpassung des Designprozesses selbst ist noch keine Aktivität. Die neueren CAD-Systeme verfügen zudem über Expertensysteme, die dringend benötigte Ratschläge geben. Die Software zur Herstellbarkeitsprüfung schließt den Layoutprozess mit einer gründlichen Prüfung auf etwaige Fehler und Irrtümer ab.

PCB-Fertigung und -Tests

In der gesamten Wertschöpfungs-Lieferkette hat sich die Fertigung am stärksten etabliert. Derzeit verwenden über zweihundert Unternehmen weltweit mindestens zwanzig verschiedene Verfahren, um im Wesentlichen dieselben HDI/SLP-Strukturen herzustellen. Die Herstellung der Mikro-Vias ist zum Beispiel ganz einfach. Denn Laser, Ätzer und Fotodielektrika haben sich im Laufe der Jahre rasant verbessert. Die Herausforderungen liegen weiterhin in den Grundlagen: Registrierung, Feinlinienlithographie, Metallisierung und Plattierung. Bei komplexen HDI/SLP müssen diese alle auf höchstem Niveau arbeiten. Dies ist zwar definitiv anspruchsvoll, kommt aber allen Leiterplatten-Herstellungsprozessen zugute.

PCBA-Qualifizierung und -Tests

Durch komplexe Komponenten mit kleinem Anschlussraster bietet die Bestückung einen neuen Mehrwert. Denn Komponenten können so näher beieinander liegen. Dieses wiederum kann jedoch Veränderungen für Reflow-Profile und Reparaturen mit sich bringen. Während sich die Oberseite füllt, muss auch die gegenüberliegende Seite mehr Komponenten aufnehmen. Dies verändert auch den Bestückungsprozess und die Reflow-Profile. Mit neueren, kleineren und dichteren Array-Komponenten – wie etwa Chip Scale Packages oder Flip Chips – steigt die Gesamtzahl der Verbindungen pro Quadratzentimeter dramatisch an. Diese neueren, kleineren Bauteile mit Unterfüllung oder sehr hohen Anschlussdichten an der Oberfläche, können eine Zuverlässigkeitswechselwirkung mit komplexen Strukturen aufweisen. Dünne Strukturen biegen sich während Thermalzyklen zudem eher durch, was zu neuen Mechanismen und Problemstellungen führen kann. Diese Neuerungen wiederum gilt es gründlich zu bewerten und zu testen.

Die letzte Phase der PCB-Wertschöpfungskette ist das Testen auf Baugruppenebene. Dabei stellen sich völlig neue Probleme hinsichtlich der neuen, kleineren Flächen-Array-Komponenten. Wenn Via-In-Pads mit den Flächen-Array-Komponenten verwendet werden, gibt es nach der Bestückung keine Breakout-Vias, die zum Testen von Sonden verwendet werden könnten. „Design-for-Test“ wird hier dann zu einem wichtigen Bestandteil der Systempartitionierung. Das Testen vom Leiterplattenrand, Boundary Scans oder integrierte Selbsttests werden zu einem maßgeblichen Designfaktor. Denn Komponenten liegen jetzt möglicherweise so nah beieinander, dass Testpads entweder zu groß sind oder es keinen Platz gibt, um einen Prüfstift in den Bereich einzuführen. Das Hinzufügen von Testpads zur Oberfläche nach dem Design der Leiterplatte kann deren Komplexität und Kosten dabei erheblich erhöhen und zu negativen Störeinflüssen (Parasitics) führen. Es werden wahrscheinlich neuere Prüfschemata auf Baugruppenebene entwickelt werden, die keine klassischen Nagelbettprüfvorrichtungen erfordern und diese durch schnellere, berührungslose Prüftechniken ersetzen.

Zusammenfassung

Insgesamt treten Entwicklungen in der PCB-Lieferkette oft recht schnell auf. Sie können dabei zu weitreichenden Herausforderungen für Design- und Fertigungsteams führen. Das Letzte, was jemand hören möchte, ist, dass ein Produkt nicht im großen Maßstab produziert werden kann, weil es unmöglich ist, einen einzelnen Widerstand zu beschaffen. Indem wir eng zusammenarbeiten und uns stets bewusst machen, dass jedes Teil der Lieferung von den anderen Gliedern der Kette abhängt, können wir den OEMs Lösungen anbieten, die es ihnen ermöglichen, hervorragende Produkte zu liefern.

Die umfangreichen CAD-Werkzeuge in Altium Designer^® ermöglichen Ihnen einen unmittelbaren Einblick in die PCB-Lieferkette – beispielsweise hinsichtlich der Auswahl von Bauteilen oder der Fertigungsplanung. Wenn Ihr Design für eine gründliche Designprüfung und die Fertigung bereit ist, kann Ihr Team es über die Altium 365^™-Plattform in Echtzeit teilen und gemeinsam weiter daran arbeiten. Designteams können Altium 365 nutzen, um Fertigungsdaten und Testergebnisse auszutauschen. Änderungen am Design können so über eine sichere Cloud-Plattform und innerhalb Altium Designer geteilt werden.

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