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Mit IoT, KI und ‚Big Data‘ wird der Bedarf an funktioneller Elektronik gegenüber heute noch um ein Vielfaches steigen. Die ,gedruckte Elektronik‘ wird als eine Möglichkeit gesehen, mit bestehenden Drucktechniken auch elektronische Bauteile herstellen zu können. Hier ein Überblick über den aktuellen Stand und ein Ausblick – der Beitrag basiert auf einem Vortrag, den der Autor zum SGO-Leiterplattenseminar 2021 im vergangenen September beigetragen hatte.

IoT, AI and ‘Big Data’ will drive the demand for functional electronics much higher than it is today. Printed electronics‘ is seen as another way to manufacture electronic components – while using existing printing technologies. Here is an overview of the current status and an outlook – the article is based on a presentation the author contributed to the SGO PCB Seminar 2021 last September.

Während bei der Virusepidemie Covid-19 Virologen, Epidemiologen und vor allem Politiker, die ja diesbezüglich keine Ausbildung genossen haben, bei dem Versuch der Eindämmung mit dem Krückstock im Nebel rumstochern, wissen wir beim Löten doch weit besser Bescheid. Statt einer Erkrankung mit eventuell tragischen Folgen hat man es beim Löten mit Fehlern zu tun, die auch im Endprodukt zum Infarkt führen können. Die Lötbarkeit von Bauteilen hängt direkt mit den wirklichen Lötfehlern zusammen, das heißt mit jenen, die auf Benetzung zurückzuführen sind und nicht auf andere wie etwa Druckfehler. Ist der Anschluss des Bauteils nicht oder schlecht lötbar oder die Auflagenfläche und Durchkontaktierung der Leiterplatte mangelhaft, dann wird die Lötstelle nicht oder zumindest nicht optimal erstellbar sein.

Spätestens seit Corona-Beginn mehren sich die Stimmen in den USA, dass die Leistungsfähigkeit der einheimischen Leiterplattenindustrie schnell und deutlich gesteigert werden muss. Nur so kann sie den Forderungen von Regierung und Elektronikindustrie nach sicheren Lieferketten bzw. Unabhängigkeit besser entsprechen. Ein Blick in die NTI-100-Tabellen und in die amerikanische Fachpresse zeigt, dass Regierung und Kongress sich zu schwerfällig bewegen.
In der NTI-100-Liste 2021 befinden sich unter den insgesamt enthaltenen 146 Firmen fünf Leiterplattenhersteller aus den USA, die im vergangenen Jahr einen Umsatz von je mindestens 100 Mio. $ hatten. Es sind dies die in der Tabelle 1 aufgeführten Unternehmen. APCT war in der NTI-100-Liste für 2020 noch nicht enthalten. Amphenol und Sanmina haben beide Produktionsstätten in China und anderswo.

Im Rahmen einer Graduierungsarbeit wurde ein System entwickelt, mit dem Convolutional Neural Networks (CNN) trainiert werden können, um in Röntgenaufnahmen elektronische Bauelemente sicher zu erkennen. Hierbei wird das Konzept des Transfer-Learning verwendet. Zur Erzeugung geeigneter Trainingsdatensätze wurde ein Verfahren entworfen. So konnten verschiedene Netzarchitekturen für die Bildklassifikation und Objektdetektion trainiert und evaluiert werden. Für das Transfer-Learning wurden frei verfügbare Modelle einer anderen Domäne verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass Transfer Learning eine geeignete Methode zur Reduzierung des Aufwands (Zeit, Datenmenge) bei der Erstellung von Klassifizierungs- und Objektdetektor-Modellen ist. Die erstellten Modelle zeigen dabei eine hohe Genauigkeit bei der Klassifikation und Objektdetektion auch bei unbekannten Daten. Anwendungen, die mit der Auswertung radiografischer Aufnahmen elektronischer Baugruppen in Zusammenhang stehen, können so effektiver gestaltet werden. Teil 2 in diesem Heft erläutert das Konzept des Transfer Learning und stellt die Ergebnisse der Untersuchung dar. (Teil 1 siehe Heft 10/2022)

Die galvanische Verkupferung spielt bei der Herstellung von Leiterplatten eine entscheidende Rolle. Ihr Hauptvorteil ist die Reduzierung der Impedanz der Leitung und des Spannungsabfalls. Die Prozessleistung wirkt sich direkt auf die Qualität der Kupferschicht und die damit verbundenen mechanischen Eigenschaften aus: Bei der sauren Verkupferung besteht die Herausforderung darin, eine angemessene Schichtdickenverteilung und Oberflächengleichmäßigkeit zu erreichen, ohne dabei die metallurgischen Eigenschaften wie die prozentuale Dehnung und die Zugfestigkeit der Abscheidung übermäßig zu beeinträchtigen. Eine Verringerung der Stromdichte kann die Kupferdicke bis zu einem gewissen Grad ausgleichen, führt aber zu einer übermäßigen Verlängerung der Gesamtbeschichtungszeit, was den Durchsatz von Leiterplatten drastisch beeinträchtigt. Daher ist die ordnungsgemäße Kontrolle der Prozessleistung und folglich der Qualität der galvanischen Kupferschicht ein wichtiger Bestandteil der Leiterplattenbeschichtungstechnik, die selbst für relativ erfahrene Leiterplattenfabriken eine der größten Herausforderungen darstellt.

So modern wie eh und je oder wie nie zuvor. Sie ist nicht mehr aus unserer Technikwelt wegzudenken. Die grundlegenden Herstellungsverfahren wurden 1943 im Patent von Paul Eisler beschrieben. Damit war der Grundstein für die wirtschaftliche Fertigung gelegt.
Nach Eislers Patent kamen viele evolutionäre, technologische und funktionelle Weiterentwicklungen hinzu. USA und BRD waren die Innovationsschmieden. Der Blütezeit in den 1980ern mit vielen Inhouse-Fertigungen folgte eine grundlegende Umstrukturierung. Dieser Umbau der Wertschöpfung und der Wertschöpfungskette läutete ein unhaltbares Sterben von Leiterplattenstandorten in Europa ein.

Über die Leiterplattenproduktion Indiens ist hierzulande vergleichsweise wenig bekannt. Dr. Nagaraj Rao, RRRLabs Navi Mumbai, gewährt uns einen kurzen Überblick. In Indien gibt es erstaunlicherweise immer noch keine große Produktion von Leiterplatten. Der indische PCB-Markt (Printed Circuit Board) erreichte im Jahr 2022 ein Volumen von 4,5 Mrd. $. Man erwartet, dass der Markt bis 2028 etwa 12 Mrd. $ erreichen wird, mit einer Wachstumsrate (CAGR) von 16,6 % zwischen 2023 und 2028. Die steigende Nutzung in elektronischen Konsumgütern, die zunehmende Anwendung in Elektrofahrzeugen und die förderliche Regierungspolitik sind einige der wichtigsten Faktoren, die den Markt antreiben. Der indische Markt unterscheidet sich jedoch leicht vom Rest der Welt. Weltweit wird erwartet, dass der Markt für flexible Schaltungen viel schneller wachsen wird als jener für starre Leiterplatten, da bei ersteren die Größe reduziert und Steckverbinder eliminiert werden können.

Viel ist in den letzten Jahren über brüchige Lieferketten – auch, aber nicht nur in der Elektronik – gesagt und geschrieben worden. Die Gründe sind vielfältig. Doch dass sie auch eine Folge der Produktionsverlagerungen nach China sind, wird kaum jemand bezweifeln. Zeit für ein nüchternes Resümee. Vor etwa 50 Jahren hatten Unternehmen üblicherweise für ihre Schlüsselprodukte zwei oder mehr Lieferanten. Jede dieser Firmen hatte einen bestimmten Prozentsatz am Gesamtbedarf; meist kannten sie sich und tauschten sich gegenseitig aus. Dieses System war eine Art ‚Versicherung‘, denn wenn bei einem Zulieferer Probleme auftraten, konnten die anderen einspringen. Dann öffnete China für ausländische Produzenten seine Grenzen. Damit setzte sich der Gedanke zur Profitmaximierung, dass Nationen nur das fertigen, was sie am besten konnten und den Rest importieren sollten, durch.

Das Staunen über die zunehmende Leistungsfähigkeit elektronischer Geräte bei schrumpfenden Gerätegrößen nimmt kein Ende. Hinter diesem Prozess steht harte Arbeit, beispielsweise im japanischen Konzern Rohm. Die Ingenieure dort bescheren der Fachwelt immer neue, noch effizientere Bauteillösungen im passiven und aktiven Sektor. Der nachfolgende Bericht will einen kleinen Einblick in die Tätigkeit von Rohm geben.

Unlängst zeigte mir der Direktor einer Firma einen Brief, den er von einem seiner Leiterplattenhersteller erhalten hatte. Der Direktor hatte sich beklagt, dass verschiedentlich Leiterplatten den ‚Black-pad‘-Defekt aufwiesen. Nun konnte man in dem Antwortschreiben lesen, dass dem Leiterplattenhersteller dieser Fehler zum allerersten Mal gemeldet worden sei – sozusagen ‚Hand-aufs-Herz‘. Interessant an dieser Geschichte ist, dass der Autor gerade von einer anderen Firma angereist war, die ihre Leiterplatten von dem nämlichen Hersteller bezog – und gelegentlich Probleme mit ‚Black-pad‘ hat – und sich ebenfalls beschwert hatte.

Im September gab der amerikanische Fachverband IPC die Herausgabe der neuen Richtlinie IPC-1601 Printed Board Handling and Storage Guidelines bekannt. Es ist das bisher einzige Dokument, welches sich mit diesem Thema in Form einer Richtlinie auseinander setzt. Ausgehend von der Tatsache, dass es bisher kein entsprechendes gültiges Dokument für Handhabung und Verpackung von unbestückten Leiterplatten gab, hat der IPC seit der Konferenz IPCWorks 2004 an der Problematik des Umgangs mit unbestückten Leiterplatten gearbeitet.

In vielen Produktionen werden große Leiterplatten, die aus einer Anzahl von Einzelprodukten bestehen, zusammen durch die verschiedenen Maschinen geschickt, um dann schließlich zerlegt zu werden. Diese Vorgehensweise hat eine Reihe von Vorteilen sowie auch ein paar Schwierigkeiten, die es zu überwinden gilt.

Teil 2: Die Laminate und das Design

Da sich die Lieferketten inzwischen über mehrere Kontinente erstrecken, ist eine kurzfristige Rückkopplung sehr erschwert – wenn nicht unmöglich. Deshalb soll mit diesem Beitrag ein besseres Verständnis für die Zusammenhänge und Einflussfaktoren der Kosten in der Leiterplattenfertigung geweckt werden.

Nach rund zwanzig Jahren NTI-100-Berichten zieht der Autor eine Bilanz über die dramatischen globalen Veränderungen in der Leiterplattenproduktion in diesem Zeitabschnitt. Nach dem ,amerikanischen und japanischen Leiterplattenzeitalter‘ zeichnen sich unaufhaltsam immer mehr die Konturen des ,chinesischen Zeitalters‘ ab. Es ist eine Frage weniger Jahre, bis Chinas ständig wachsende PCB-Industrie alle übrigen Produktionsländer der Welt quantitativ überholt. Die weitere Frage ist, wann dies auch qualitativ erfolgt, denn ausländische Firmen wie auch die deutsche Schweizer AG stärken den Standort China mit neuen Investitionen in die Errichtung von High-Tech-Fertigungen.

A recent trend to reduce cost is the extension of processes to large manufacturing formats, called Panel Level Packaging (PLP). In a consortium of German partners from industry and research advanced technologies for PLP are developed. The project aims for an integrated process flow for 3D SIPs with chips embedded into an organic laminate matrix. At first 6x6 mm chips with Cu bumps (100 μm pitch) are placed into holes of a PCB core layer with low coefficient of thermal expansion (CTE). They are embedded by vacuum lamination of thin organic films, filling the small gap down to 15 μm between chips and core. The following process steps are described in detail below. The developments were initially carried out on a 305 x 256 mm panel format, with the aim of achieving a final size of 600 x 600 mm.//

Ein aktueller Trend zur Kostensenkung ist die Ausweitung von Packaging-Prozessen auf große Fertigungsformate, so genanntes Panel Level Packaging (PLP). In einem Projekt, das ein Konsortium aus deutschen Industrie- und Forschungspartnern vorantreibt, wurde ein integrierter Prozessablauf für 3D-SIPs mit Chips entwickelt, die in eine organische Laminatmatrix eingebettet sind. Zunächst werden 6x6 mm-Chips mit Cu-Bumps (100 μm Abstand) in Ausschnitte einer PCB-Kernschicht mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) eingebracht. Sie werden durch Vakuumkaschierung von dünnen organischen Schichten eingebettet, die den kleinen Spalt von bis zu 15 μm zwischen Chips und Kernschicht füllen. Die nachfolgenden Prozessschritte werden im Folgenden näher beschrieben. Die Entwicklungen wurden zunächst auf einem 305 x 256 mm-Plattenformat durchgeführt, mit dem Ziel einer Endgröße von 600 x 600 mm.

Diese Arbeit umfasst die Evaluation von fünf unterschiedlichen Ansätzen zur Herstellung von Vias in DCB-Substraten (Direct Copper Bonded). Durch den Einsatz eines Lasersystems wurden unterschiedliche Layouts der Vias in DCB-Substraten realisiert. Im nächsten Schritt wurden die Via-Löcher mit metallischen Materialien gefüllt, um eine elektrische Verbindung auszubilden. Hierbei wurden unterschiedliche Verfahren wie Schablonendrucken, Dispensen und mechanisches Pressen angewendet und ausgewertet. Die getesteten Füllmaterialien für die Vias waren Silberpasten, Kupferpasten und Kupfer-Rohrnieten. Ebenfalls wurden elektrische Simulationen durchgeführt und die Einflüsse der Via-Layouts auf die Stromdichteverteilung im DCB-Substrat untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine Verbesserung der Stromdichteverteilung im Hochfrequenzbereich (1 GHz) durch eine Erhöhung der Via-Abstände, Via-Durchmesser sowie Via-Anzahl. Die Auswertung der praktischen Experimente zeigt, dass die Silberpaste, welche in Sackloch-Bohrungen mittels Dispensverfahren gefüllt wurde, die besten elektrischen Eigenschaften aufweist. Jedoch sind alle untersuchten Herstellungsmethoden und Materialien generell geeignet für die industrielle Umsetzung. Darüber hinaus stellen Vias in DCB-Substraten eine Basis für zukunftsorientierte Modulaufbauten wie beispielsweise drei-dimensionale Leistungsmodule, mehrschichtige DCB-Stapel und Embedding Konzepte für Wide-Bandgap (WBG) Bauelemente dar.//

This article includes the evaluation of five different approaches for the production of vias in DCB substrates (Direct Copper Bonded). By using a laser system, different layouts of vias in DCB substrates were realized. In the next step, the via holes were filled with metallic materials to form an electrical connection. Different processes such as stencil printing, dispensing and mechanical pressing were used and evaluated. The tested filling materials for the vias were silver pastes, copper pastes and copper tubular rivets. Electrical simulations were also carried out and the influences of the via layouts on the current density distribution in the DCB substrate were investigated. The results show an improvement in current density distribution in the high frequency range (1 GHz) by increasing via spacing, via diameter and via count. The evaluation of the practical experiments shows that the silver paste, which was filled into blind holes by dispensing, has the best electrical properties. However, all manufacturing methods and materials investigated are generally suitable for industrial application. In addition, vias in DCB substrates provide a basis for future-oriented module designs such as three-dimensional power modules, multilayer DCB stacks and embedding concepts for Wide-Bandgap (WBG) devices.

1544 Aussteller aus 44 Ländern und 44 000 Besucher aus 96 Ländern bilanzierte die productronica 2019. Sie hat sich damit erneut gesteigert und als Leitmesse für Entwicklung und Fertigung von Elektronik bestätigt. Eines der wichtigsten Kernthemen: Die Elektronikfertigung wird smart. Hier der 2. Teil der Neuheiten, die das PLUS-Team während der Messetage Mitte November zusammengetragen hat. Dr. Hayao Nakahara hat sich vor allem bei Ausstellern aus der Leiterplattenfertigung umgeschaut. Zu Beginn einige seiner Eindrücke aus dem Bereich Direct Imaging.

Panasonic plant Expositionsexperimente im Weltraum mit dem Ziel, hochmoderne elektronische Materialien für Luft- und Raumfahrtanwendungen zu entwickeln. Es geht um die Bereitstellung hochwertiger Materialien, die in der rauen Umgebung des Weltraums zuverlässig funktionieren. In den letzten Jahren hat die Luft- und Raumfahrtindustrie die Entwicklung von Weltraumtechnologien mit Blick auf die Lösung von Umwelt- und Sozialproblemen auf der Erde beschleunigt. Dazu zählen Vorhaben wie die umfassende Förderung bemannter Aktivitäten auf der Mondoberfläche und die Verbesserung von Diensten mit Satelliten in geringer Erdumlaufhöhe (low-earth-orbit satellites).
Der japanische Elektronikkonzern Panasonic Industry Co. Ltd. gab Ende Juni 2022 bekannt, dass er am Space Delivery Project – RETURN to EARTH – teilnimmt, welches von Space BD Inc. gefördert wird. 

Im Rahmen einer Graduierungsarbeit wurde ein System entwickelt, mit dem Convolutional Neural Networks (CNN) trainiert werden können, um in Röntgenaufnahmen elektronische Bauelemente sicher zu erkennen. Hierbei wird das Konzept des Transfer-Learning verwendet. Zur Erzeugung geeigneter Trainingsdatensätze wurde ein Verfahren entworfen. So konnten verschiedene Netzarchitekturen für die Bildklassifikation und Objektdetektion trainiert und evaluiert werden. Für das Transfer-Learning wurden frei verfügbare Modelle einer anderen Domäne verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass Transfer-Learning eine geeignete Methode zur Reduzierung des Aufwands (Zeit, Datenmenge) bei der Erstellung von Klassifizierungs- und Objektdetektor-Modellen ist. Die erstellten Modelle zeigen dabei eine hohe Genauigkeit bei der Klassifikation und Objektdetektion auch bei unbekannten Daten. Anwendungen, die mit der Auswertung radiografischer Aufnahmen elektronischer Baugruppen in Zusammenhang stehen, können so effektiver gestaltet werden. Teil 1 in diesem Heft führt in die Problematik ein und behandelt die Objekterkennung mittels neuronaler Netzwerke.

Eigentlich wollte ich ein weiteres technisches Thema in meiner Kolumne aufgreifen. Aber irgendwie gibt es da wenig Neues und Erfolgreiches zu berichten und zu betrachten. Und über die boomende Rüstungsindustrie wollte ich nun doch nicht schreiben – zumindestens nicht als Innovationskraft und Jobmotor.
Ein Engpass jagt den Nächsten. Wo ist hier der eigentliche Fehler? Zuallererst bei der Tatsache, dass die westliche Welt es geschafft hat, sich so enorm abhängig von China zu machen. Der Transfer von Technologie und Know-how nach China – zur Erhöhung der Profite – hat dazu geführt, dass inzwischen eine Wirtschaftsmacht außerhalb der westlichen Welt entstanden ist, die auch politisch eigene Wege geht. Taiwan ist inzwischen zum riskanten Spielball geworden – auf politischer wie auch auf wirtschaftlicher Ebene.