Leiterplattentechnologie
Nachbericht
Entwicklungspotenziale für die Leiterplattenindustrie
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Erhöhte Strombelastbarkeit und Embedded Technology
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Automobil und Photovoltaik treiben Innovationen bei Leiterplatten voran
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Über 200 Experten und Anwender auf dem Kooperationsforum in Nürnberg
Nürnberg, 27.01.2009
„Der Paradigmenwechsel in der Leiterplattentechnologie vom reinen Bauteil- und Verdrahtungs-Trägerelement hin zum komplexen System ermöglicht zunehmend anspruchsvolle Elektronik-produkte. Beispiel ist die Leistungselektronik in Automobil, Anlagenbau und Energietechnik. Die geforderte Funktionalitäten initiieren dabei selbst wieder Innovationen speziell auch im Bereich der Leiterplatte“, so Professor Nassauer von der Bayern Innovativ GmbH, Nürnberg als Einstimmung auf das 5. Kooperationsforum Leiterplattentechnologie am 27. Januar 2009 in Nürnberg.
Themenschwerpunkte des von der Bayern Innovativ GmbH im Rahmen des Netzwerkes BAIKEM (Bayerische Innovations- und Kooperationsinitiative Elektronik/Mikrotechnologie) jährlich durchgeführten Forums waren deshalb Strombelastbarkeit und Systemintegration. Gerade in diesen Bereichen bestehen Chancen auf technologischen Vorsprung für die Unternehmen der Europäischen Leiterplattenindustrie.
So kamen auch in einer wirtschaftlich angespannten Zeit 200 Experten und Anwender aus Deutschland, Österreich, der Schweiz und Italien zusammen, um zielgerichtet diese neuen Entwicklungen zu diskutieren und weiter voranzutreiben.
Die nachfolgenden Inhalte sind wie folgt gegliedert:
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Zukunftspotenziale der Leiterplattenindustrie
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Strombelastbarkeit und Kühlung von Leiterplatten
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Weitere Systemintegration und Embedded Technologie
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Entwicklungsschwerpunkte für Multifunktionale Boards
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Bilanz des 5. Kooperationsforums Leiterplattentechnologie
Zukunftspotenziale der Leiterplattenindustrie
Die Leiterplattenindustrie in Europa befindet sich derzeit in einem Strukturwandel. Es gibt einen anhaltenden Konzentrationsprozess mit einer Abnahme der Anzahl der Leiterplattenproduzenten. Zudem reduziert sich das Umsatzvolumen der europäischen Leiterplattenindustrie, da Standardleiterplatten zunehmend aus Fernost importiert werden.
Zur Zeit liegen 2/3 des Absatzmarktes von Leiterplatten im Bereich Automobil und Industrie-elektronik. Auch wenn es hier Einbrüche durch die derzeitige weltwirtschaftliche Situation gibt,
gilt gerade der Automobilsektor als Zukunftsmarkt für innovative Leiterplatten, denn die Leistungs-elektronik wird dort stark an Bedeutung gewinnen. Heute werden im Automobil 60-100 Leiterplatten verbaut und die Tendenz ist weiter steigend. Gerade durch weitere Elektronik für Energie-management und speziell für Hybrid- und Elektroautos wird hier in den nächsten 10-20 Jahren
ein deutlicher Schub erwartet.
Gleiches gilt für die Bereiche regenerative Energien und Energieeffizienz, wo zweistellige Wachstumsraten u. a. in der Photovoltaik erwartet werden. Hiervon können speziell Leiterplatten für Leistungselektronik profitieren. Die Erhöhung der Strombelastbarkeit ist hier einer der Entwicklungsschwerpunkte.
Hans J. Friedrichkeit von PCB-Network, Maulburg. sieht „den Schlüssel für die Zukunft der europäischen Leiterplattenindustrie in der Systemintegration“, ein Thema, welches ebenfalls auf dem Kooperationsforum intensiv diskutiert wurde.
Strombelastbarkeit und Kühlung von Leiterplatten
In diesem Themenfeld wurde der Bogen von Dickkupferplatten über Einpresstechnik von Hochstromkontakten bis zur Wasserkühlung von Boards gespannt.
Rudolf Wiechmann von Gould Electronics, Eichstetten erläuterte die Eigenschaften von Kupferfolien für die Dickkupfertechnik. Die verfügbaren Kupferfolien von 105 bis 400 µm ermöglichen eine Ausweitung der Stromtragfähigkeit der Leiterbahnen bei gleichzeitig verbesserter Entwärmung. Die von Gould in einem elektrolytischen Abscheideverfahren hergestellten Folien zeichnen sich durch spezifische Materialeigenschaften der beiden Oberflächen aus, wobei durch eine prozessbedingte rauhe Oberflächenstruktur hervorragende Haftfestigkeiten erzielt werden. Kostengünstige „JTC-Heavy Foils“ mit geringer Hochfrequenzdämpfung sind dadurch auch geeignet für Multilayerplatten.
Ein weiteres Potenzial für Hochstromleiterplatten bietet die starre Einpresstechnik von Kontakt-stiften, wie Dr. Klaus Wittig von der Würth Elektronik ICS GmbH, Öhningen betonte. Dieser Ansatz ist hervorragend geeignet für Zentralelektroniken zur Energieverteilung z.B. in PKWs und Nutz-fahrzeugen. Gegenüber Lötverbindungen wird eine verbesserte Leitfähigkeit des Kontaktes
erzielt, woraus auch eine Temperaturerniedrigung auf der Leiterplatte um ca. 10 K resultiert.
Würth Elektronik setzt quadratische Stifte ein, die in runden Hülsen verpresst werden. Die Zug-festigkeit der Pins liegt bei 100 – 120 N/Pin. Ferner ist die Einpressmethode sehr robust hinsichtlich geometrischer Toleranzen. Die Verbindungen zeigen zudem eine hohe Stabilität gegenüber externen Einflüssen; typische KFZ-Anforderungen bezüglich Temperaturzyklen- und Witterungs-festigkeit werden erfüllt. Dr. Wittig sieht mit dieser Methode große Chancen, bisher geschraubte Hochstromverbindungen durch geeignete Steckkontakte zu ersetzen.
Eine effiziente Lösung zur Entwärmung von Hochstromleiterplatten stellte Walter Süllau von der ILFA Feinstleitertechnik GmbH in Hannover vor. In einer 400 µm dicken Kupferinnenlage der Leiterplatte werden Kühlkanäle unter den jeweiligen Leistungshalbleitern geätzt. Die Anbindung erfolgt über thermische Microvias und die Kühlung durch destilliertes Wasser. Die Anschlüsse der Kühlleitungen können wie SMD bestückt werden. Auf 2,5 cm² werden Kühlleistungen von bis zu
40 W erreicht.
Aus Sicht eines Anwenders erläuterte Jörg Reinecke von der SMA Solar Technology AG, Niestetal die speziellen Anforderungen für Leiterplatten in Photovoltaikanlagen. SMA will in diesem Jahr seine Produktionskapazitäten gegenüber 2008 nahezu verdoppeln. Typische Anforderungen an
die Wechselrichter und damit auch an die verbauten Leiterplatten sind wartungsfreie Standzeiten von mehr als 20 Jahren bei Betriebstemperaturen von über 85 °C. Bedingt durch die relativ große Fläche der Leiterplatte und das hohe Gewicht der verwendeten Bauteile ist eine Formstabilität während des Fertigungsprozesses besonders wichtig. Gültige Normen für Baugruppen seien
hier nicht ausreichend. Reinecke erwartet auch besondere Flexibilität seiner Zulieferer. Typische Schwankungen in den monatlichen Bezugsmengen können bei einem Faktor drei liegen.
Weitere Systemintegration und Embedded Technologie
Systemintegration und die verstärkte Einbindung der Embedded Technologie in die Leiterplatten-fertigung ermöglichen neue Produkte und Anwendungen z.B. in Sensorik oder Antriebstechnik. Basis der Embedded Technologie ist die Integration von elektronischen Bauteilen in die Innenlagen von Multilayerleiterplatten. Dadurch werden Leiterplatten wesentlich kompakter.
Hannes Stahr, von der Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft in Leoben, Österreich, erläuterte neue Designkonzepte der Embedded Technologie. Statt nur einfacher passiver Bauelemente wie gedruckte Widerstände oder Kondensatoren können nun auch komplexe Siliziumchips integriert werden. Die Leiterplatte wird dabei zum Gehäuse des Chips.
Die Vorteile dieser Technologie sind vielfältig: kostengünstigere Produktion, kürzere Marktein-führungszeiten, höhere Zuverlässigkeit und höhere Funktionalität auch hinsichtlich Entwärmung, mechanischer Stabilität, Hochfrequenzeigenschaften oder elektromagnetischer Abschirmung.
So erreicht ein GPS-Modul, welches mit Hilfe der Embedded-Technologie erheblich verkleinert wurde, derzeit mit 8,5 sec weltweit die schnellste Positionsbestimmung.
Neben allen technologischen Herausforderungen, die es in der Embedded Technologie noch zu meistern gilt, ist der Schlüssel zum Erfolg laut Stahr „in Wirklichkeit eine reine Supply-Chain Frage“, und somit eine Frage der übergreifenden Zusammenarbeit in der Wertschöpfungskette. In diesem Zusammenhang müssen kritische Aspekte bezüglich des Managements von Risiken und Verantwortlichkeiten sowie des Know-how-Transfers beleuchtet werden. Halbleiter- und Leiterplattenhersteller müssten hier zukünftig enger zusammenarbeiten. In dem von der EU im
7. Rahmenprogramm geförderten Forschungsprojekt Hermes werden diese Themen von elf Entwicklungspartnern aus der gesamten Wertschöpfungskette weiter vertieft.
Entwicklungsschwerpunkte für Multifunktionale Boards
Multifunktionale Boards für komplexe Anwendungen vereinen unterschiedlichste intelligente Bauelemente, die spezifische Montageprozesse erfordern. Dies bedingt für die Leiterplattenindustrie neue Fertigungsverfahren wie Embedded IC, Flip Chip (FC) oder Chip on Board (COB) die mit etablierten Verfahren wie Surface Mount Technology (SMT) kombiniert werden. „Ein übergreifendes Fachwissen der Leiterplattendesigner wird immer wichtiger, um ein Systemdenken zu ermöglichen“, so Gerhard Gröner vom FED e.V. Berlin. „Im Vordergrund stehe nicht mehr die Optimierung einzelner Funktionen sondern des Gesamtsystems bzw. des Produktes.“
Ein aktueller Entwicklungsschwerpunkt für Multifunktionale Boards ist die Erprobung neuer Schichtsysteme für das Oberflächen-Finish, welche die Kontaktierung von Bauelementen durch Löten, Kleben und Drahtbonden erlauben. Neueste Ergebnisse zu diesen Aufbau- und Verbindungstechniken präsentierte Dr. Martin Schneider-Ramelow vom Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin. Basierend auf dem Wissen und der Kompetenz früherer Forschungsprojekte sollen spezielle Metallisierungen, wie chemische Ag- und
Ni/Pd/Flash-Au-Oberflächen für eine Mischmontage (COB sowie SMT und/oder FC) mittels Golddraht-Bonden näher untersucht werden. Entscheidend für die Beurteilung der Zuverlässigkeit der Verbindungen sind vor allem optische und mechanische Tests. „Reine elektrische Test sind meist nicht ausreichend“ so Dr. Schneider-Ramelow. Das aktuelle Team von mehr als einem dutzend Firmen unter der Führung des Fraunhofer IZM sucht noch weitere strategische Partner für dieses Projekt.
Die Sicherung des in Europa bereits vorhandenen Know-hows für derartige High-tech Varianten von Leiterplatten ist strategisch wichtig für weitere Entwicklungsaktivitäten. Dies bietet auch eine Chance, dem Trend fallender Weltmarktanteile europäischer Leiterplattenhersteller entgegenzuwirken.
Bilanz des 5. Kooperationsforums Leiterplattentechnologie
Professor Josef Nassauer von der Bayern Innovativ GmbH, Nürnberg zog eine positive Bilanz des 5. Kooperationsforums Leiterplattentechnologie mit Teilnehmern von Anwendern wie
Alcatel-Lucent, Brose, ContiTemic, Continental, Diehl, EADS Deutschland, Infineon, Knorr Bremse, Leoni, Osram Opto Semiconductors, Panasonic, Robert Bosch, Siemens, SMA Solar Technology, TietoEnator oder ZF Friedrichshafen und Anbietern aus der Leiterplattentechnik (von Bauteilen bis zur Baugruppe) wie Andus Electronik, AT&S Austria, Atotech Deutschland, BASF, Gould Electronics, ILFA, Isola, JUMATECH, KSG Leiterplatten, Optiprint, Schweizer Electronic, Varioprint oder Würth Elektronik sowie wiss. Instituten.
Diese exzellente Resonanz ist ein deutliches Zeichen für den Stellenwert dieses BAIKEM-Forums in der Leiterplattenindustrie. Zusammen mit der begleitenden Ausstellung bot das Forum wieder eine hervorragende Gelegenheit zur Anbahnung neuer Kooperationen für die nächsten Stufen der Weiterentwicklung. Entsprechend der geschilderten Dynamik und dem hohen Wertschöpfungspotential wird die Bayern Innovativ Anfang 2010 das nächste Forum Leiterplattentechnologie ausrichten.
Ansprechpartner:
Dr. Rupert Tkotz
Dr. Andreas Böhm
Jürgen Frickinger
