Прогресс в технологиях: Мы рассматриваем технологические тренды, революционизирующие индустрию печатных плат

Ключевые факторы, формирующие будущее индустрии печатных плат:

• Продвижение технологий продолжает стимулировать новые возможности для роста
• Растущие достижения в потребительской электронике увеличивают сложность печатных плат
• Продолжающееся уменьшение размеров электронных устройств
• Улучшенное предиктивное обслуживание с использованием ИИ
• Расширение применения печатных плат в автомобильной отрасли

Современные сложные, но маленькие многослойные печатные платы прошли долгий путь от своих первоначальных дизайнов и функциональности, изобретенных в начале века и запатентованных Полом Эйслером в 1943 году. С тех пор более совершенные производственные процессы и программное обеспечение для дизайна также позволили повысить эффективность производства и снизить затраты. Например, всего десять лет назад HDI, FPGA и микровиа были доступны только для самых дорогих проектов, а сегодня они легко доступны по всему миру.

Находясь в самом центре инновационной игры в области электроники, индустрия печатных плат должна идти в ногу со временем, совершенствоваться и развиваться в ответ на технологии, зависящие от печатных плат, по мере их развития и изменения потребительского спроса. По мере того как потребители требуют более быстрых, тонких устройств и как отдельные лица, так и отрасли ищут усовершенствованную функциональность, ведущие дизайнеры печатных плат испытывают интенсивное давление, чтобы не отставать. Один из примеров - высокочастотные передачи, необходимые для 5G, теперь требуют использования сложных смешанных сигнальных печатных плат, которые могут быть очень сложными в разработке без правильных инструментов для дизайна печатных плат.

Давайте более подробно рассмотрим технологии и тенденции, революционизирующие индустрию печатных плат.

Тенденции, определяющие тенденции: ИИ, Интернет вещей и связь 5G

Ожидается, что глобальный рынок Интернета вещей вырастет с 399,41 миллиарда долларов в 2022 году до 1057,55 миллиарда долларов к 2027 году.

Совмещенные ИИ, связь 5G и Интернет вещей стали толчком к изменениям, стимулируя рост и развитие производства печатных плат.

Обеспечивая доступ к скоростям сети до 20 Гбит/с, ожидается, что 5G будет работать в десять раз быстрее, чем текущие сети LTE и в двадцать раз быстрее, чем 4G с низкой задержкой (всего одна миллисекунда, фактически обеспечивая реальное время), и высокой надежностью до 99,9999 процента. Это существенно влияет на работу устройств Интернета вещей, позволяя гаджетам всех типов, включая датчики и машины, обмениваться данными быстрее, чем когда-либо, революционизируя нашу жизнь и, что особенно важно, нашу работу.

Там, где Wi-Fi ранее не справлялся, 5G делает возможными критически важные коммуникации в реальном времени, становясь отличительной чертой производства и необходимым условием для умных фабрик будущего.

Однако по мере развёртывания систем 5G по всему миру, их высокоскоростные возможности продолжают представлять собой вызов при проектировании и производстве печатных плат. Например, для обеспечения целостности сигнала, конструкторам необходимо учитывать такие факторы, как ширина, длина трасс, маршрутизация, терминирование и экранирование. Другая проблема, электромагнитные помехи, может быть уменьшена за счёт фильтрации, экранирования, заземления и планировки расположения элементов.

Чтобы удовлетворить потребности приложений 5G и получить высокую плотность схем при низких потерях сигнала, вместо традиционного метода вычитания при травлении, производители ПП используют технику модифицированного полуаддитивного процесса (MSAP). В этой технике, где нет фоторезиста, на ламинат наносится тонкий слой меди. Используя фотолитографию для достижения высокоточного травления с небольшими потерями силы сигнала, медь между проводниками удаляется.

Миниатюризация и другие нарастающие достижения в потребительской электронике

Всеобщее присутствие печатных плат в нашей личной жизни сохраняется, поскольку потребители всё чаще начинают внедрять новые технологии в свою повседневную жизнь, теперь контролируя и управляя обычными повседневными задачами, такими как включение света или установка кондиционера на прохладные 78 градусов по Фаренгейту с помощью простой голосовой команды.

От умных часов, которые отслеживают всё, от ваших шагов до потребления калорий, до умных устройств, управляющих светом в вашей гостиной, спрос на потребительскую электронику резко возрос, стимулируя технологические достижения во всем, от игровых консолей, смартфонов и умных домов до устройств виртуальной (VR) и дополненной реальности (AR).

Чтобы удовлетворить спрос, вызванный тенденцией к миниатюризации и обеспечить функциональность, такую как измерение пульса в состоянии покоя на умных часах, производители печатных плат повышают функциональность и возможности за счёт использования передовых материалов в печатных платах, таких как жидкие кристаллические полимеры, медь, покрытая смолой, и стекловолокно.

ИИ для улучшенного предиктивного обслуживания

Хотя использование ИИ для более строгого контроля качества и производства уже довольно давно распространено в других секторах, в производстве печатных плат это все ещё довольно редко. ИИ может помочь улучшить выход продукции и качество, проектировать схемы и производить их быстрее и более последовательно, чем традиционные методы.

Системы автоматического оптического контроля (AOI) на основе искусственного интеллекта с машинным обучением могут использоваться для обнаружения дефектов, таких как отсутствующие компоненты и нарушения в пайке, сокращая ложные тревоги и задержки на производственной линии за счёт захвата 2D/3D изображений и использования алгоритмов распознавания образов для сравнения захваченных изображений с данным эталоном.

Благодаря более быстрому обнаружению неисправностей, система AOI может помочь улучшить эффективность производственной линии, предупреждать операторов о потенциальных проблемах до того, как они станут реальными проблемами, ускорять переработку и, таким образом, снижать общие производственные расходы.

С помощью ИИ машины для пайки могут быть очень эффективны в пайке мелкоразмерных интегральных схем (ИС), критическом процессе в производстве мелких электронных компонентов, где используется очень высокотемпературное сопло для пайки мелких электронных компонентов к плате.

Огромные объемы данных, собранные системами на основе ИИ в процессе работы, должны быть использованы с максимальной пользой, тщательно анализироваться для выявления областей улучшения, а также для более эффективного и надежного производства печатных плат. Для улучшения предиктивного обслуживания в процессе изготовления печатных плат могут использоваться умные датчики, которые захватывают важные данные, затем анализируемые для выявления наиболее подверженных ошибкам участков процесса, что помогает сократить простои на производственной линии и избежать потенциальных потерь.

Огромные объемы данных, собранные системами на основе ИИ в процессе работы, должны быть использованы с максимальной пользой и тщательно анализироваться для выявления областей улучшения, оптимизации операций и более эффективного и надежного производства печатных плат.

Для улучшения предиктивного обслуживания в процессе изготовления печатных плат могут использоваться умные датчики, которые захватывают важные данные, затем анализируемые для выявления наиболее подверженных ошибкам участков процесса, что помогает сократить простои на производственной линии и избежать потенциальных потерь.

Расширение применения печатных плат в автомобильной отрасли

По прогнозам, рынок автомобильных печатных плат будет расти с САГР 7,7% между 2023 и 2031 годами, глобальный размер рынка автомобильных печатных плат составил 13,2 миллиарда долларов в 2022 году и, как ожидается, достигнет 25,6 миллиарда долларов к 2031 году.

Как сообщает Transparency Market Research, растущий рыночный спрос на автомобили нового поколения и увеличение принятия Mobility 4.0 предполагают стимулирование роста индустрии автомобильных печатных плат. Цель Mobility 4.0 - разработка умных, эффективных и устойчивых транспортных систем с использованием передовых технологий, таких как упомянутые IoT и ИИ, а также автономные транспортные средства.

Потребители хотят эффективные, практичные варианты транспорта, которые можно индивидуализировать, функции, предлагаемые автомобилями нового поколения. Дополнительно стимулируя рынок, для содействия устойчивости и сокращению использования ископаемого топлива, правительства стимулируют принятие электрических и гибридных автомобилей посредством льгот и субсидий.

3D печать печатных плат

За последние десять лет технология 3D печати эволюционировала от средства для создания прототипов до метода, позволяющего осуществлять массовое производство, теперь используемого во многих отраслях, включая производство печатных плат. 3D печать использует аддитивное производство для создания объектов. Субстраты могут печататься слой за слоем с использованием жидких чернил, затем добавляются на детали, содержащие электрические функции. Процесс может быть использован для создания печатных плат с уникальными особенностями и возможностями, которые ранее были невозможны с помощью традиционных процессов.

Поскольку 3D-печать снижает человеческий фактор, уменьшает отходы и исключает необходимость в дорогостоящих формах, инструментах и оборудовании, это отличный способ снизить затраты, уменьшить потребление энергии и повысить эффективность, одновременно позволяя настраивать дизайн.

Другие дополнительные преимущества включают:

• Быстрое создание прототипов и тестирование, позволяющее ускорить производство плат и обеспечивать настройку и производство по требованию.
• При проектировании печатных плат 3D-печать предлагает больше возможностей для творчества и гибкости, позволяя создавать сложные формы и структуры и обеспечивая включение множества компонентов и функций на одну печатную плату.
• 3D-печать помогает минимизировать экологический след производства печатных плат, позволяя использовать биоразлагаемые или перерабатываемые материалы и сокращая количество опасных химических веществ и веществ по сравнению с традиционным производством печатных плат.

Биоразлагаемые печатные платы

Чтобы помочь минимизировать воздействие печатных плат на нашу планету, производители должны совместно работать над продвижением устойчивых методов, сокращением не разлагаемых электронных отходов и минимизацией опасных веществ в окружающей среде.

Зависимость отрасли от кремния побудила производителей печатных плат искать более устойчивые альтернативы, что привело к росту интереса к органическим или биоразлагаемым печатным платам. Биоразлагаемые печатные платы избегают использования небиоразлагаемых материалов, таких как химические вещества, металлы и пластмассы, и, следовательно, могут естественным образом разлагаться при воздействии благоприятных условий, таких как тепло, влажность, свет или микроорганизмы.

Биоразлагаемые печатные платы не только более экологичны, сокращая потребление энергии и природных ресурсов за счет использования возобновляемых и перерабатываемых материалов, но и снижают затраты за счет использования более дешевых и более доступных материалов. Некоторые из компонентов, которые могут использоваться в биоразлагаемых и частично биоразлагаемых печатных платах, включают биокомпозиты без химических веществ, изготовленные из натуральных целлюлозных волокон, полученных из сельскохозяйственных отходов и побочных продуктов, таких как клейковина пшеницы, стебли бананов или куриные перья.

Источники возобновляемой энергии

К 2025 году возобновляемая энергия будет производить 35% мировой электроэнергии: Отчет Международного энергетического агентства (IEA) Отчет о рынке электроэнергии 2023.

Тенденция к устойчивости, лежащая в основе перехода к биоразлагаемым печатным платам, стимулирует дальнейший рост отрасли, поскольку наша зависимость от ископаемого топлива становится все более значительной, прогрессивно влияя на нашу среду и вынуждая приоритизировать исследования и разработку источников возобновляемой энергии. Это привело к увеличению спроса на печатные платы, используемые в источниках возобновляемой энергии, таких как системы управления ветряными турбинами, солнечные инверторы и системы хранения энергии.

Потребность в печатных плат (PCB) все более и более высокой сложности будет продолжать расти. То, что сегодня считается передовой технологией, завтра быстро станет обыденностью. Чтобы не отставать от прогнозируемых тенденций, ведущим производителям необходимо подготовиться и занять позиции, позволяющие поддерживать более сложные структуры и использование различных материалов. Это может привести к потребности в новых сырьевых материалах, модернизации производственных линий, новом оборудовании и, конечно же, согласовании с правильными партнерами.