The PCB Supply Chain

Happy Holden
|  Created: June 24, 2019  |  Updated: January 18, 2021

Gedruckte Leiterplatten (PCBs) und Flachbaugruppen (FBGn) sind oft die technisch komplexesten Komponenten, die für elektronische Produkte beschafft werden müssen. Daraus ergeben sich so manche Herausforderung für das Supply-Chain-Management-Team (SCM-Team), die sich von anderen Einkaufsteilen erheblich unterscheiden können.

Beispiele für Probleme in der PCB-Lieferkette

  • PCBs und FBGn sind zumeist kundenspezifisch und können daher nicht ohne weiteres aus einem Katalog erworben werden. Es gibt zahlreiche Hersteller, deren Leistungsspektrum jedoch sehr heterogen ist, sodass der Auswahl und Qualifizierung der Zulieferanten mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden muss.
  • Die Herstellung von PCBs und FBGn erfordert den Einsatz einer Vielzahl von Fertigungsverfahren: von der Präzisionsbelichtung und Komponentenbestückung über mechanische Laminierpressen und Reflow-Lötöfen, nasschemisches Beschichten und Ätzen bis hin zum Hochleistungsbohren und -fräsen.
  • PCBs und FBGn funktionieren als Bestandteil eines elektrischen Geräts, und deren Performance ist entscheidend für die Leistung und Qualität des Endprodukts. Die Leiterplatte ist zwar Träger und Verbindungselement der auf der Platine angebrachten Bauteile, fungiert aber in einigen Fällen auch als eigenständiges Bauteil. Ob eine Flachbaugruppe korrekt funktioniert, kann u. U. erst endgültig geklärt werden, wenn sie als Teil des Endprodukts verbaut und betrieben wird.

Zwar können einzelne Bauelemente auf einer Baugruppe ausgetauscht, Leiterbahnen durchtrennt und Brücken hinzugefügt werden, dennoch lassen sich Platinen und Baugruppen nicht ohne weiteres nacharbeiten, zurücksenden oder recyceln, wenn sich Produktanforderungen ändern. Dies führt wiederum zu zusätzlichen Kosten und unerwünschten Lagerbeständen.

Grundlagen der PCB-Lieferkette

Mit dem Entwurf fängt alles an: Sobald ein Produkt definiert ist und der Konstrukteur zu arbeiten beginnt, setzen das Design und die Auswahl der Bauteile die Wertschöpfungskette in Gang. Das Layout ist die erste Verkörperung des späteren Produkts. Ein Design-for-Manufacturability (DFM) ist erforderlich, um Leistung und Kosten zu optimieren. Die Herausforderungen liegen bei der Informationsverwaltung, Dokumentation und Übertragung, um die Designanforderungen und andere Erwartungen an die Lieferanten zu spezifizieren.

  • PCB Supply-Chain-Management: Sofern ein OEM nicht zu den wenigen gehört, die über eigene Produktionskapazitäten verfügen, werden die allgemeinen Erwägungen über PCB- und FBG-Einkaufsentscheidungen sowie die Lieferantenauswahl und -bewertungskriterien i. d. R. dem Einkauf übertragen.
  • Lieferantenauswahl und -qualifizierung: Weitere Abteilungen sind an den beschriebenen geschäftlichen Überlegungen und Auswahlkriterien zur Bewertung und Qualifizierung von Lieferanten beteiligt, einschließlich der Verfahren zur Durchführung von Bemusterungen der von den Lieferanten bezogenen Einkaufsteile.
  • Prozesssteuerung, Überwachung und Wareneingangskontrolle: Für die Lieferkette ist die Überwachung der Qualitätssicherungsmethodik auf der Grundlage von Six-Sigma-Prinzipien mit spezifischen Empfehlungen für die Prozesssteuerung, Prüfung und Inspektion von PCBs und FBGn beim Lieferanten ein ständiges Thema.
  • Produktakzeptanz und Feedback: Abschließend das Management für die Designqualifizierung, die Losannahme und die laufende Inspektion der erhaltenen Platinen und Baugruppen. Es enthält auch Empfehlungen für ein langfristiges Lieferantenmanagement, das die internen Verwaltungskosten minimiert und gleichzeitig ein hohes Leistungsniveau aufrechterhält.

PCB-Wertschöpfungskette

(MEHR-)WERT ist definiert als „Nutzen abzüglich der Kosten“. Um ein erfolgreiches Produkt im Markt zu haben, muss in jedes Glied der Lieferkette einen Mehrwert leisten! Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, hat jedes Segment das nächste Segment als Kunden und trägt so zur Wertschöpfungskette bei. 

ABBILDUNG 1: Die PCB-Wertschöpfungskette wird im Allgemeinen als Lieferkette bezeichnet, hängt jedoch von der Wertschöpfung auf jeder Stufe ab.

Die Lieferantenauswahl hängt von der relativen Bedeutung mehrerer verschiedener Dimensionen der Lieferantenleistung ab (siehe Tabelle 1). Lieferanten haben inhärente Fähigkeiten und Stärken, die auf ihren eigenen strategischen Entscheidungen darüber beruhen, wie sie sich dem Wettbewerb stellen wollen. Diese Fähigkeiten bestimmen, wie gut sie in die eigene Beschaffungsstrategie passen und wie sie sich voraussichtlich als laufender Geschäftspartner verhalten werden. Das Wissen darum, was für das eigene Unternehmen am wichtigsten ist, wird bei der anfänglichen Lieferantenauswahl ausschlaggebend sein und bestimmen, ob die Leistung des Lieferanten auch weiterhin Ihren Anforderungen genügen.

Tabelle 1: Leistungskriterien für PCB-Lieferanten

Systempartitionierung:

Wenn ein neues Produkt entwickelt wird, besteht eine der ersten Aktivitäten darin, das Produkt in Teilprojekte und Komponenten zu zerlegen, die es ermöglichen, es zu entwerfen, herzustellen, zu verkaufen und zu unterstützen. Dies ist ein wichtiger Schritt, da ein Fehler zu einem Produkt führen kann, das nicht die falschen Eigenschaften aufweist, zu teuer oder zu spät auf den Markt kommt.

Produktentwicklung:

Der Großteil der Produktentstehung und des Designs umfasst den Logikentwurf, die Simulation, die Komponentenauswahl, kundenspezifische integrierte Schaltungen und die mechanische Konstruktion. HDIs bieten Vorteile bei der elektrischen und thermischen Leistung. Der Mehrwert liegt hier vor allem in der Fähigkeit, die verbesserten elektrischen und thermischen Eigenschaften der vielen Designoptionen zu simulieren.

Leiterplattendesign und -layout:

Bei der Entwicklung eines neuen Boards müssen viele Herausforderungen bewältigt werden. Die Bestimmung der Verkabelungsmodelle ist wichtig, um die richtigen Entwurfsregeln und Konstruktionen auszuwählen. Strukturen mit Sacklöchern und vergrabenen Durchkontaktierungen sind komplexer als herkömmliche Platinen. Daher ist es unerlässlich, zu wissen, was aus der Design-for-Manufacturing-Perspektive wirtschaftlich ist.

Bei komplexen Strukturen sind besondere Gestaltungsregeln zu beachten. Jedes Produktionsverfahren hat seine eigenen Grenzen und Randbedingungen; Designwerkzeuge, Pad-Stapel und Auto-Router werden bei komplexen Designs ganz unterschiedlich verwendet. Die Anpassung des Designprozesses ist noch keine Aktivität. Neuere CAD-Systeme verfügen auch über Expertensysteme, die den Konstrukteur unterstützen. DfM-Software schließt den Layout-Prozess mit einer gründlichen Prüfung auf eventuelle Fehler oder Abweichungen ab.

PCB-Fertigung:

Von der gesamten Wertschöpfungskette ist die Fertigung das wahrscheinlich stabilste Element. Derzeit verwenden weltweit über zweihundert Unternehmen mindestens zwanzig verschiedene Produktionsverfahren, um im Wesentlichen die gleichen HDI/SLP-Strukturen herzustellen. Beispielsweise ist die Herstellung von Microvias heute Standard, da sich Laser, Ätzer und Fotodielektrika im Laufe der Jahre rapide verbessert haben. Die eigentliche Herausforderung ist die Ausführung der grundlegenden Techniken: Registrierung, Fine-Line-Lithographie, Metallisierung und Plattierung. Bei komplexen HDI/SLP-Strukturen müssen diese auf höchstem Niveau ausgeführt werden. Das ist zwar fordernd, kommt aber allen Prozessen der Leiterplattenherstellung zugute.

PCB-Baugruppe:

Die Assemblierung liefert mit komplexen Fein-Pitch-Bauteilen einen ganz neuen Mehrwert. Durch deren Einsatz können Komponenten viel enger beieinander liegen, was Auswirkungen auf das Reflow-Profil und die Reparaturfähigkeit des Produktes hat. Wenn sich die Oberseite füllt, muss auch die gegenüberliegende Seite mehr Komponenten aufnehmen. Dies verändert ebenfalls den Montageprozess und die Reflow-Profile. Mit neueren, kleineren und dichteren Area-Array-Komponenten wie Chip-Scale-Packages oder Flips-Chips steigt die Anzahl der nötigen Verbindungen pro Quadratzentimeter dramatisch an. Diese neueren Bauteile mit Unterfüllungen oder sehr hohen Oberflächenverbindungsdichten beeinflussen die Zuverlässigkeit solch komplexer Strukturen. Dünne Strukturen neigen eher dazu, sich während thermischer Zyklen zu biegen, und dies führt zu neuen Ausfallmöglichkeiten und Mechanismen, die gründlich bewertet und getestet werden müssen.

Montageprüfung:

Die letzte Stufe der PCB-Wertschöpfungskette ist die Baugruppenprüfung. Auch hier führen die neuen Area-Array-Bauteile zu ganz neuen Problemen. Werden Via-in-Pads mit den Area-Array-Komponenten verwendet, stehen nach der Montage keine Breakout-Vias zur Verfügung, die zum Testen mit Kontaktstiften verwendet werden können. Design-for-Test wird deshalb zu einem wichtigen Bestandteil der Systempartitionierung. Die Prüfbarkeit vom Schnittstellen-, Boundary-Scan- und Built-in-Self-Tests werden zu einem immer wichtigeren Designfaktor. Bauteile können heute so nahe beieinander liegen, dass Testpads entweder zu groß sind oder kein Platz vorhanden ist, um einen Testpin in dem Bereich zu platzieren. Das nachträgliche Hinzufügen von Testpads auf der Oberfläche, nachdem die Platine entworfen wurde, kann die Komplexität und die Kosten erheblich erhöhen und Störfaktoren hinzufügen. Wahrscheinlich werden neuere Verifikationsmethoden auf Baugruppenebene entwickelt werden, die klassische Nagelbettadapter überflüssig machen und diese durch schnellere berührungslose Prüftechniken ersetzen.

Alles in allem stellt die PCB-Wertschöpfungskette eine Herausforderung für uns alle dar. Wenn wir zusammenarbeiten und uns bewusst ist, dass jeder Beitrag der Lieferung von den anderen Gliedern der Kette abhängig ist, können wir OEMs Lösungen anbieten, die es ermöglichen, überlegene Produkte zu produzieren. Das Verständnis dieser Wechselwirkungen ist der erste Schritt, um die Macht und die Möglichkeiten der Lieferkette zu nutzen.

Haben Sie noch weitere Fragen? Rufen Sie einen Experten von Altium an oder erfahren Sie, wie wichtig es ist, ein komplettes Dokumentationspaket an die PCB-Fertigung zu schicken.

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Happy Holden ist von der GENTEX Corporation (einer der größten amerikanischen OEMs für Automobilelektronik) in den Ruhestand gegangen. Er war Chief Technical Officer für die weltgrößte PCB-HonHai Precision Industries (Foxconn) in China. Vor Foxconn war Herr Holden Senior PCB Technologist bei Mentor Graphics; er war außerdem Advanced Technology Manager bei NanYa/Westwood Associates und Merix Corporations. Nach über 28 Jahren ging er bei Hewlett-Packard in den Ruhestand. Zuvor war er als Leiter der PCB-F&E und als Manufacturing Engineering Manager tätig gewesen. Während seiner Zeit bei HP verwaltete er PCB-Design, PCB-Partnerschaften und Automatisierungssoftware in Taiwan und Hongkong. Happy beschäftigt sich seit über 47 Jahren mit fortschrittlichen PCB- Technologien. Er hat Kapitel über die HDI-Technologie in 4 Büchern sowie sein eigenes Buch, das HDI-Handbuch, veröffentlicht, das als kostenloses e-Book unter http://hdihandbook.com erhältlich ist, und hat vor kurzem die 7. Ausgabe von McGraw-Hill's PC Handbook mit Clyde Coombs fertiggestellt.

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