Postęp w technologii: Przyglądamy się trendom technologicznym rewolucjonizującym branżę PCB

Kluczowe czynniki kształtujące przyszłość branży PCB:

• Postępujące technologie nadal stymulują nowe możliwości wzrostu
• Rosnące postępy w elektronice użytkowej zwiększają złożoność PCB
• Kontynuacja miniaturyzacji urządzeń elektronicznych
• Ulepszona predykcyjna konserwacja z użyciem AI
• Rozszerzające się zastosowanie PCB w sektorze motoryzacyjnym

Dzisiejsze skomplikowane, ale małe, wielowarstwowe PCB przeszły długą drogę od swoich pierwotnych projektów i funkcjonalności, wynalezionych na początku wieku i opatentowanych przez Paula Eislera w 1943 roku. Od tego czasu bardziej zaawansowane procesy produkcyjne i oprogramowanie do projektowania umożliwiły również większą efektywność produkcji i obniżenie kosztów. Na przykład, jeszcze dekadę temu, HDI, FPGA i mikroprzejścia były dostępne wyłącznie dla najdroższych projektów, a dziś są łatwo dostępne na całym świecie.

W centrum gry o innowacje w elektronice, branża PCB musi nadążać za tempem zmian, dojrzewając i rozwijając się w odpowiedzi na technologie zależne od PCB, gdy te postępują i zmieniają się wymagania konsumentów. Ponieważ konsumenci domagają się szybszych, smuklejszych urządzeń, a zarówno osoby indywidualne, jak i branże poszukują udoskonalonej funkcjonalności, wiodący projektanci PCB są pod intensywną presją, aby nadążyć. Jednym z przykładów jest to, jak wysokoczęstotliwościowe transmisje wymagane dla 5G obecnie wymuszają użycie skomplikowanych PCB mieszanych sygnałów, które mogą być bardzo trudne do zaprojektowania bez odpowiednich narzędzi do projektowania PCB.

Przyjrzyjmy się bliżej technologii i trendom, rewolucjonizującym branżę PCB.

Trendy napędzające trendy: AI, IoT i łączność 5G

Oczekuje się, że globalny rynek IoT wzrośnie z 399,41 miliarda dolarów w 2022 roku do 1057,55 miliarda dolarów do 2027 roku.

Zbieżność AI, łączności 5G i Internetu rzeczy (IoT) była impulsem do zmian, napędzając wzrost i postępy w produkcji PCB.

Oferując dostęp do prędkości sieci do 20 Gbps, 5G ma działać dziesięć razy szybciej niż obecne sieci LTE i dwadzieścia razy szybciej niż 4G przy niskim opóźnieniu (jednej milisekundy, oferując w zasadzie czas rzeczywisty) i wysokiej niezawodności do 99,9999 procent. Ma to duży wpływ na działanie urządzeń IoT, umożliwiając gadżetom wszelkiego rodzaju, w tym czujnikom i maszynom, komunikację i wymianę danych szybciej niż kiedykolwiek, rewolucjonizując sposób, w jaki żyjemy, a przede wszystkim sposób, w jaki pracujemy.

Gdzie Wi-Fi nie spełniało oczekiwań w przeszłości, 5G umożliwia krytyczne komunikacje w czasie rzeczywistym, stając się różnicą w produkcji i niezbędnym warunkiem wstępnym dla inteligentnych fabryk przyszłości.

Jednak w miarę wdrażania systemów 5G na całym świecie, ich wysoka prędkość nadal stanowi wyzwanie w projektowaniu i produkcji płyt PCB. Aby zapewnić integralność sygnału, projektanci muszą na przykład uwzględnić takie czynniki jak szerokość, długość ścieżki, trasowanie, zakończenie i ekranowanie. Innym problemem jest zakłócenie elektromagnetyczne, które można zmniejszyć poprzez filtrowanie, ekranowanie, uziemienie i układ.

Aby sprostać potrzebom aplikacji 5G i uzyskać wysoką gęstość obwodów przy niskiej stracie sygnału, producenci PCB zamiast tradycyjnej metody trawienia subtraktywnego, używają zmodyfikowanej techniki póładdycyjnej (MSAP). W tej technice, tam gdzie nie ma fotorezystu, na laminat nanoszona jest cienka warstwa miedzi. Wykorzystując fotolitografię do osiągnięcia wysokiej precyzji trawienia przy niewielkiej stracie siły sygnału, miedź pomiędzy przewodnikami jest usuwana.

Miniaturyzacja i inne rosnące postępy w elektronice użytkowej

Wszechobecność PCB w naszym życiu osobistym trwa, ponieważ konsumenci coraz częściej zaczynają włączać nowe technologie do swojego codziennego życia, teraz monitorując i kontrolując powszechne codzienne zadania takie jak włączanie świateł czy ustawianie klimatyzacji na chłodne 78 stopni Fahrenheita za pomocą prostego polecenia głosowego.

Od smartwatchy, które monitorują wszystko, od liczby kroków po spożycie kalorii, po inteligentne urządzenia kontrolujące światła w salonie, popyt na elektronikę użytkową wzrósł, napędzając postępy technologiczne we wszystkim, od konsol do gier, smartfonów i inteligentnych domów po urządzenia do wirtualnej rzeczywistości (VR) i rozszerzonej rzeczywistości (AR).

Aby sprostać popytowi napędzanemu trendem ku miniaturyzacji i umożliwić funkcjonalność taką jak pomiar spoczynkowej częstości serca na smartwatchu, producenci PCB zwiększają funkcjonalność i możliwości dzięki wykorzystaniu zaawansowanych materiałów w płytach obwodów, takich jak polimery ciekłokrystaliczne, miedź pokryta żywicą i włókna szklane.

AI dla lepszego utrzymania predykcyjnego

Chociaż wykorzystanie AI do bardziej rygorystycznej kontroli jakości i produkcji jest dość powszechne w innych sektorach od pewnego czasu, to w produkcji PCB jest to nadal stosunkowo rzadkie. AI może pomóc w poprawie wydajności i jakości produktów, projektowaniu obwodów i produkcji szybciej i bardziej spójnie niż tradycyjne metody.

Systemy zaawansowanej automatycznej inspekcji optycznej (AOI) oparte na sztucznej inteligencji z ML mogą być używane do wykrywania wad, takich jak brakujące komponenty i złamane złącza lutowane, redukując fałszywe alarmy i opóźnienia na linii produkcyjnej poprzez przechwytywanie obrazów 2D/3D i używanie algorytmów rozpoznawania wzorców do porównywania przechwyconych obrazów z danym punktem odniesienia.

Dzięki szybszemu wykrywaniu usterek, system AOI może pomóc w poprawie wydajności linii produkcyjnej, ostrzegać operatorów o potencjalnych problemach zanim staną się one rzeczywistymi problemami, przyspieszać prace naprawcze, a tym samym zmniejszać ogólne koszty produkcji.

Przy wsparciu AI, maszyny do lutowania mogą być bardzo wydajne w lutowaniu zintegrowanych układów o małym rozstawie nóżek, co jest kluczowym procesem w produkcji małych komponentów elektrycznych, gdzie używana jest bardzo wysoka temperatura dyszy do lutowania małych komponentów elektrycznych do płyty.

Ogromne ilości danych zbieranych przez systemy napędzane sztuczną inteligencją podczas operacji powinny być wykorzystywane w pełni, starannie analizowane w celu identyfikacji obszarów do poprawy, oraz w celu bardziej efektywnego i niezawodnego wytwarzania PCB. Aby poprawić predykcyjne utrzymanie ruchu w procesie fabrykacji PCB, można użyć inteligentnych czujników do zbierania ważnych danych, które następnie są analizowane w celu identyfikacji obszarów procesu bardziej podatnych na błędy, pomagając zmniejszyć przestoje linii montażowej i unikać potencjalnych strat.

Ogromne ilości danych zbieranych przez systemy napędzane sztuczną inteligencją podczas operacji powinny być wykorzystywane w pełni i starannie analizowane w celu identyfikacji obszarów do poprawy, optymalizacji operacji, oraz w celu bardziej efektywnego i niezawodnego wytwarzania PCB.

Aby poprawić predykcyjne utrzymanie ruchu w procesie fabrykacji PCB, można użyć inteligentnych czujników do zbierania ważnych danych, które następnie są analizowane w celu identyfikacji obszarów procesu bardziej podatnych na błędy, pomagając zmniejszyć przestoje linii montażowej i unikać potencjalnych strat.

Rozszerzanie zastosowania PCB w sektorze motoryzacyjnym

Przewiduje się, że globalny rynek PCB w sektorze motoryzacyjnym będzie rósł w tempie CAGR wynoszącym 7,7% między 2023 a 2031 rokiem, a jego wartość, która w 2022 roku wynosiła 13,2 miliarda dolarów, ma osiągnąć wartość 25,6 miliarda dolarów do 2031 roku.

Jak podaje Transparency Market Research, rosnące zapotrzebowanie rynku na pojazdy nowej generacji oraz rosnąca adopcja Mobilności 4.0 mają napędzać wzrost branży PCB w motoryzacji. Celem Mobilności 4.0 jest rozwój inteligentnych, wydajnych i zrównoważonych systemów transportowych z wykorzystaniem najnowszych technologii, takich jak wspomniane IoT i AI, a także pojazdy autonomiczne.

Konsumenci oczekują skutecznych, praktycznych opcji transportu, które mogą być indywidualizowane, cechy oferowane przez pojazdy nowej generacji. Dodatkowo stymulując rynek, w celu promowania zrównoważonego rozwoju i redukcji paliw kopalnych, rządy promują adopcję pojazdów elektrycznych i hybrydowych poprzez zachęty i subsydia.

Drukowanie 3D PCB

W ciągu ostatnich dziesięciu lat technologia druku 3D dojrzała z metody prototypowania do techniki umożliwiającej masową produkcję, obecnie wykorzystywanej w wielu branżach, w tym w produkcji PCB. Druk 3D wykorzystuje technologię addytywną do budowania obiektów. Substraty mogą być drukowane warstwa po warstwie za pomocą płynnego tuszu, a następnie dodawane do części zawierających funkcje elektryczne. Proces ten może być używany do tworzenia płyt PCB z unikalnymi cechami i możliwościami, które wcześniej były niemożliwe do osiągnięcia przez konwencjonalne procesy.

Druk 3D ogranicza błędy ludzkie, redukuje odpady i eliminuje potrzebę stosowania drogich form, narzędzi i sprzętu, co czyni go świetnym sposobem na obniżenie kosztów, zmniejszenie zużycia energii i poprawę efektywności, jednocześnie umożliwiając spersonalizowany projekt.

Inne dodatkowe korzyści to:

• Szybkie prototypowanie i testowanie, pozwalające przyspieszyć produkcję płyt i umożliwiające dostosowanie i produkcję na żądanie.
• W projektowaniu płyt PCB, druk 3D oferuje więcej miejsca na kreatywność i elastyczność, umożliwiając tworzenie skomplikowanych kształtów i struktur oraz umożliwiając włączenie wielu komponentów i funkcji na jednej płycie PCB.
• Druk 3D pomaga zminimalizować ślad ekologiczny produkcji PCB, umożliwiając użycie biodegradowalnych lub nadających się do recyklingu materiałów i redukując ilość niebezpiecznych chemikaliów i substancji w porównaniu do konwencjonalnej produkcji PCB.

Biodegradowalne PCB

Aby pomóc zminimalizować wpływ PCB na naszą planetę, producenci muszą współpracować, promując zrównoważone metody, redukując niebiodegradowalne odpady elektroniczne i minimalizując niebezpieczne substancje w środowisku.

Opieranie się branży na krzemie skłoniło producentów PCB do szukania bardziej zrównoważonych alternatyw, napędzając wzrost zainteresowania organicznymi lub biodegradowalnymi PCB. Biodegradowalne PCB unikają użycia niebiodegradowalnych materiałów, takich jak chemikalia, metale i tworzywa sztuczne, i mogą więc naturalnie rozkładać się, gdy są wystawione na sprzyjające warunki, takie jak ciepło, wilgoć, światło lub mikroorganizmy.

Nie tylko biodegradowalne PCB są bardziej przyjazne dla środowiska, zmniejszając zużycie energii i zasobów naturalnych poprzez użycie odnawialnych i nadających się do recyklingu materiałów, ale również obniżają koszty poprzez użycie tańszych, bardziej dostępnych materiałów. Niektóre z komponentów, które mogą być użyte w biodegradowalnych i częściowo biodegradowalnych PCB, to wolne od chemikaliów biokompozyty wykonane z naturalnych włókien celulozowych pozyskanych z odpadów rolniczych i produktów ubocznych, takich jak gluten pszenny, łodygi bananów czy pióra kurze.

Odnawialne Źródła Energii

Odnawialna energia będzie produkować 35% globalnej elektryczności do 2025 roku: Międzynarodowa Agencja Energii (IEA) Raport Rynku Elektryczności 2023.

Trend zrównoważonego rozwoju za kierunkiem biodegradowalnych PCB napędza dalszy wzrost branży, ponieważ nasza zależność od paliw kopalnych staje się coraz większa, progresywnie wpływając na nasze środowisko i wymuszając priorytetowe traktowanie badań i rozwoju odnawialnych źródeł energii. Skutkuje to zwiększonym zapotrzebowaniem na PCB używane w odnawialnych źródłach energii, takich jak systemy sterowania turbinami wiatrowymi, inwertery słoneczne i systemy magazynowania energii.

Potrzeba tworzenia coraz bardziej skomplikowanych PCB będzie nadal rosła. To, co dzisiaj jest uważane za technologię najnowszej generacji, szybko stanie się powszechne jutro. Aby nadążyć za przewidywanymi trendami, wiodący producenci muszą się przygotować i ustawić w pozycji umożliwiającej obsługę większych struktur oraz użycie różnych materiałów. Może to prowadzić do wymogów dotyczących nowych surowców, ulepszonych linii produkcyjnych, nowych maszyn, i oczywiście, do zgrania się z odpowiednimi partnerami.