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Heute das Morgen der Surface Mount Technology gestalten

20. Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg
Heute das Morgen der Surface Mount Technology gestalten

Die Jubiläumsveranstaltung des Europäisches Elektroniktechnologie-Kollegs in Colonia de Sant Jordi (Mallorca) wurde zum Anlass genommen, nicht nur einen Blick auf die vergangenen Jahre zu werfen, sondern auch in die Zukunft: Wie können Trends der Surface Mount Technology in Innovationen umgesetzt werden. Neue Werkstoffe, ausgeklügelte Aufbau- und Verbindungstechnologien sowie Fertigungsmethoden – vom Internet of Things geprägt – werden die Zukunft der Elektronik bestimmen und waren Diskussionsthema während dem 20. EE-Kolleg.

Der Moderator Dr. Hans Bell von Rehm Thermal Systems freute sich, im Namen der Veranstalter ASM Assembly Systems GmbH & Co. KG, Asys Group, Balver Zinn Jost GmbH & Co. KG, Christian Koenen GmbH, kolb Cleaning Technology GmbH, Rehm Thermal Systems GmbH und Zevac AG, unter der Organisation von Franziska Bell, TBB Technologie Beratung Bell und Nicole Egle, Asys Group, die zahlreichen Teilnehmer zu begrüßen. Neben nahezu allen Gesellschaftern und Geschäftsführern der Veranstalter waren auch zwei Mitbegründer des Kollegs, Isabella Koenen von ehemals Koenen GmbH sowie Dieter Jenne von der Mimot GmbH, anwesend. Das interessante Programm war im Wesentlichen auf das Morgen gerichtet, so dass viele Vorträge ihr Augenmerk auf zukunftsweisende und praktische Entwicklungen hatten. Die abschließende Podiumsdiskussion gab Gelegenheit, Fragen zu stellen, zu diskutieren und Anregungen zu geben, wohin der Blick in den nächsten 10 Jahren fokussiert werden soll, damit unser grüner Planet auch ein grüner bleibt. Zusammenfassend gab Dr. Hans Bell einen Überblick zur Geschichte des Kollegs: Hans Hohnerlein von Inertec und Johannes Rehm von Rehm Thermal Systems realisierten im Jahre 1998 ihre Idee, ein Seminar in Colonia de Sant Jordi zu veranstalten, um dem neu erbauten Hotel auf die Beine zu helfen. Das erste Technologiemeeting unter dem Motto „Löten pur, einmal anders“ war so erfolgreich, dass die Veranstaltung weitergeführt werden sollte. Der Name wurde auf Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg geändert und hat sich bis heute zu einem erfolgreichen Event der Elektronikbranche manifestiert. Stets ging man der Frage nach, was bewegt die Branche in der realen Fertigung, wo sind die Mainstreams. War anfangs das Thema bleifrei topaktuell, sind es heute die Komplexität, Miniaturisierung, höhere Anforderungen an die Zuverlässigkeit bzw. Modethemen wie voidfreies Löten, Smart Technologies, Internet der Dinge und Industrie 4.0. Auch sollten die Technologien der Zukunft – mit Blick auf die wachsenden Müllberge – entsprechend gehandelt werden: Wie lange leben die Produkte und werden genutzt, wo landen sie beim End of Life? So werden z. B. zur Herstellung eines Computers 240 kg Rohöl, 22 kg Chemie sowie 1.500 Liter Wasser benötigt. Insofern der Appell des Moderators, dass bereits bei der Entwicklung neuer Produkte an den Erhalt unserer grünen Erde gedacht wird.

Günter Grossmann, EMPA, Dübendorf (CH)
20 Jahre EE-Kolleg – 20 Jahre Surface Mount Technology
Nachdem die ersten EE-Kollegs noch sehr lötorientiert waren, wurden dann die Themen breiter aufgestellt und es ging unter anderem um Zuverlässigkeit, Datenerfassung oder die Leiterplatte. Aus dem Rahmen fiel lediglich der Event in 2011 mit neuen Technologien. Auch an der SMT gingen 20 Jahre nicht spurlos vorüber und heute steht mehr Leistung bei weniger Platz für weniger Geld im Fokus. Anhand der Entwicklung von Uhren bis zur heutigen Smartwatch und Handys zu den heutigen Smartphones, wurde der Weg der Miniaturisierung demonstriert. Der Redner griff noch die für die Branche nicht unproblematische Bleifrei Umstellung auf: Europa auf dem Weg zu umweltgerechter Elektronik mittels WEEE und RoHS. Die Richtlinien traten im Februar 2003 in Kraft und forderten damit ein Umdenken in der Surface Mount Technology, speziell im Hinblick auf das Löten. Zuerst als Ärgernis gesehen brachte es den Ansporn, das Thema Löten von Grund auf zu verstehen. Zusammenfassend war zu hören, dass die Treiber der Surface Mount Technology, die es seit 1975 gibt, neben der Telekommunikation und den mobilen Geräten auch die Medizintechnik sowie die Uhrenindustrie sind. Die fortschreitende Miniaturisierung geht in einem ungeahnten Ausmaß einher, und ohne das Wissen über die Verbindungstechnik wäre diese kaum beherrschbar. Ein Weg voller Herausforderungen, der dennoch bewältigt wurde.
Rolf Aschenbrenner, Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM), Berlin
Forschung für die Elektroniksysteme für morgen
Der Trend geht klar in Richtung 3D, Embedding in verschiedenen Variationen sowie Fan-Out Wafer-Level-Packaging. Letztgenanntes erweist sich als neuester Packaging Trend in der Mikroelektronik, denn es besitzt ein hohes Miniaturisierungspotenzial im Packagevolumen sowie in der Packagedichte. Dabei ergeben ein rekonfigurierter, gemoldeter Wafer mit eingebetteten Chips und eine Dünnfilm-Umverdrahtungslage zusammen ein SMD-kompatibles Package. Die Vorteile des sehr dünnen, substratlosen Package liegen in geringem thermischem Widerstand, guten Hochfrequenz-Eigenschaften durch kurze elektrische Verbindungen sowie auch in der bumplosen Chipverbindung anstatt beispielsweise Drahtbonds oder Lötkontakten. Das Fan-Out Wafer-Level-Packaging bietet nicht nur Lösungen, um die Lotkontakte von Einzelchips zu entzerren, sondern auch um heterogene Chiptypen in einem Package auf engstem Raum mit höchster Kontaktdichte zu integrieren. Für eine höhere Produktivität und damit geringeren Packagekosten geht der aktuelle Trend vom Wafer hin zu Panelformaten, was zu Fan-out Panel Level Packaging führt. Nach dem Fan-out Wafer-Level-Packaging gilt das Panel Level Packaging als erfolgsversprechende Alternative für kostengünstige Fertigungstechnologie mit hohem Marktpotenzial.
Stephan Baur, BMK professional electronics GmbH, Augsburg
Auf dem Weg zu mehr Nachhaltigkeit
Nachdem Funktionskomponenten bis zu 40 unterschiedliche Elemente beinhalten und Rohstoffengpässe auftreten können ist es sinnvoll, über eine Ressourcenstrategie nachzudenken. Fachleute die sich mit dem Thema beschäftigen, sprechen bei der Rohstoffbewertung von der Kritikalität, die sich in eine ökonomische, ökologische sowie soziale Dimension aufgliedert. In Verbindung mit der Altfahrzeug-Richtlinie, RoHS, REACH, Gefahrstoffverordnung, Dodd-Frank Act, RoHS 2, der EU-Gesetzgebung Konfliktmetalle sowie der Verbrauchermacht wurden die gesetzlichen Folgen für EMS aufgezeigt. Nicht umsonst erhielt die BMK Group 2015 im Zuge des E²MS Award die Urkunde als Preisträger in der Kategorie Produktinnovation: Würdigung der Ergänzung des Leistungsangebots um die Beratung sowie Handlungsempfehlungen zu Rohstoffabhängigkeiten, Umweltverträglichkeit und einer ressourceneffizienten Produktion. Im Unternehmen wurde u.a. die Wärmerückgewinnung bei der Drucklufterzeugung mit Schraubenkompressoren, die Reduzierung der Hallengrundbeleuchtung, der Austausch der Hallenleuchten von Leuchtstoffröhren auf LED-Technik mit Tageslichtsteuerung und Bewegungsmeldern, Isolierung der Abluftrohre von Prozessabwärme in der Fertigung oder Waschmaschinen mit Umlaufsystem des Waschmediums umgesetzt.
Alexander M. Schmoldt, Murata Europe, Hoofddorp (Nl)
RFID on PCB – so funkt(ioniert) Elektronikindustrie 4.0
RFID hat sich über die Jahre als vielseitige Technologie zur Identifikation und Positionsbestimmung in den verschiedensten Bereichen etabliert und findet im Zuge von Industrie 4.0 noch mehr Beachtung. Am Beispiel einer in Nordirland aufgefundenen Katze mit implantierten RFID-Chip zeigte der Redner das Potenzial von RFID auf. Denn die im elektronischen Sinn smarte Katze stammte aus Australien und hieß Ozzie. Dass Industrie 4.0 viele neue Geschäftsmodelle bietet, wurde am selben Beispiel weiterverfolgt. Die stark segmentierte Wertschöpfungskette leben macht es schwierig, zu identifizieren wo sich ein Produkt befindet. RFID hat den Vorteil, dass es digital und elektronisch ist, jedoch keine eigene Stromversorgung benötigt. Die Funktechnologie ist in der Lage, durch Gerätegehäuse sowie Umverpackung zu kommunizieren, was Prozesse beschleunigt und verschlankt. Der Standard, auf dem aufgesetzt wird, ermöglicht die Erfassung von bis zu 400 Objekten in der Sekunde. Das Magicstrap-Konzept des Unternehmens basiert auf der Umkehrung des physikalischen Prinzips und erlaubt so, metallische Objekte in einen RFID-Tag zu transformieren. Nachdem der Großteil der PCBs eine ausgedehnte Kupferschicht beinhaltet, wird statt der Dipolantenne des RFID die Metallfläche des PCB selbst als Boosterantenne verwendet. So kann die PCB bis zum End-of-Life verfolgbar gemacht und die Transparenz erhöht werden. Von der Entwicklung bis zum Recycling, smarte Produkte mit RFID erschließen Potenziale weit über die gesamte Wertschöpfungskette hinaus.
Dr. Ralf Kleiber, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Teilinstitut Greifswald
Kernfusion, Forschung für die Energie der Zukunft
Ein hoher Prozentsatz des Energiebedarfs wird heute aus fossilen Energiequellen gedeckt. Damit verbundene Klimaproblematik sowie begrenzte Brennstoff-Vorräte in Verbindung mit steigendem Energiebedarf der Schwellenländer und schnell wachsender Bevölkerung erfordern langfristig ein neues Energiesystem. Doch die Auswahl an Energiequellen zum Ersatz von Kohle, Erdöl und Erdgas ist begrenzt. So bleibt neben Kernspaltung und erneuerbare Energien noch die Fusion: Kernfusion ist Grundlastenergie. Kernverschmelzungen sind relevante Naturprozesse. Die Fusion ist die Energiequelle von Sonne und Sternen. Im heißen Inneren der Sonne brennt ein beständiges Fusionsfeuer, wo die Wasserstoff-Atomkerne zu Helium verschmelzen. Die bei der Kernfusion erzeugten gewaltigen Energien erwärmen und beleuchten auch die Erde. Ziel der Kernfusion ist es, aus der Verschmelzung von Atomkernen in einem Kraftwerk Energie zu gewinnen. Am leichtesten verschmelzen hier die beiden Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium. Dabei entsteht ein Helium-Kern, auch wird ein Neutron sowie große Mengen nutzbarer Energie frei. Ein Gramm Brennstoff könnte in einem Kraftwerk 90.000 Kilowattstunden Energie erzeugen. Die Fusionsbrennstoffe – Deuterium ist im Meerwasser zu finden, Tritium, ein radioaktives Gas, kann innerhalb des Kraftwerks aus Lithium gebildet werden – sind billig und auf der Erde gleichmäßig verteilt. Insofern könnte die Fusion nachhaltig zur künftigen Energieversorgung beitragen.
Prof. Dr. Jolanta Janczak-Rusch, EMPA, Dübendorf (CH)
Nanolote – Fügewerkstoffe der Zukunft?
Mit der Reise in die Zukunft der Fügetechnologie wurden die Zuhörer in die Welt der kleinsten Teilchen entführt. Die Anforderungen an Fügeverbindungen in der Mikroelektronik sind hohe Zuverlässigkeit bei extremen Einsatzbedingungen trotz kleiner Dimensionen und höchster Leistung . Die Fügetechnologie muss mit kurzen Prozesszeiten und niedrigen Prozesstemperaturen präzise und umweltfreundlich einhergehen. Gleichzeitig muss sicher gestellt werden, dass die Fügbarkeit von stark unterschiedlichen Werkstoffen problemlos möglich ist. Gemäß dem Mooreschen Gesetz hat sich die Anzahl der Fügeverbindungen per Schaltkreis sowie derer Transistoren alle zwei Jahre verdoppelt. Daraus resultieren kleinere Fügeflächen sowie höhere Dichte der Fügeverbindungen. Somit ist die Fügetechnologie zur Schlüsseltechnologie der miniaturisierten Elektronik geworden. Nanobonding ist zum Fügen von und mit Nanowerkstoffen: unterschiedliche Werkstoffe und diverse miniaturisierte Komponenten auf Nanoskale werden verbunden. Mit Nanojoining werden die Nanoeffekte in der Fügetechnologie genutzt: Die zwei Eigenschaften – Schmelzpunkterniedrigung ermöglicht tiefere Löttemperaturen, erhöhte Diffusivität realisiert kürzere Prozesszeiten – sind für die Entwicklung neuer Fügekonzepte von besonderer Bedeutung. Es stehen eine Vielfalt von nanoskaligen Werkstoffen wie z. B. Nanosinterpasten oder Nanoschichtsysteme fürs Fügen bereit. Eine Technologie mit hohem Innvationspotenzial.
Eike Kottkamp, InnoME GmbH, Espelkamp
Gedruckte Nanomaterialien für die Mikro Sensorik
Mit Printing-Technologien lassen sich diverse Sensoren bedarfsorientiert und ressourcenschonend auf Bauteiloberflächen applizieren oder in Komponenten einbringen. Der Sensor wird entsprechend den Anforderungen individuell entworfen und flexibel integriert. Die Bauteilfunktionalisierung erfolgt durch Integration von Temperatur-, Bruch-, Dehnungs- oder Füllstandsensoren. Gedruckte Elektronik sind leitfähige Kunststoffe oder Tinten, die großflächig und kostengünstig auf Folie, Papier, Glas oder Textilien gedruckt werden, mit dem Vorteil extrem dünner, flexibler und transparenter elektronischer Komponenten für viele Anwendungsbereiche. So zählt der Medizinbereich zu den bevorzugten Einsatzgebieten. Vorgestellt wurden die Möglichkeiten der Technologie sowie Nanomaterialien für Mikrosensoren. Die Funktionalität der aus Nanomaterialien gefertigten Sensoren bleibt trotz vereinfachter Produktionsweise erhalten. Folien die im Druckprozess hergestellt und in einem mechanischen Bauteil integriert werden, können z. B. zur Überwachung der Alterung bzw. Abnutzung des Bauteils verwendet werden. Künftig sind die Reduzierung von Performance und Kosten angedacht, da die Sensoren teilweise nur einmal funktionieren müssen, manchmal gerade eine Minute. Abschließend gab es noch Anwendungsbeispiele zu Wearables oder zur Lebensmittelüberwachung.
Prof. Dr.-Ing. Ute Geißler, Technische Hochschule Wildau
Materialentwicklungen in der Bondtechnik
Wirebonding wurde zwar schon totgesagt, konnte aber durch weiterentwickelte Gerätetechnik und Werkstoffe sowie verbessertem Prozessverständnis, trotz zunehmender Miniaturisierung und hoher Integrationstechnik, stand halten. Vorgestellt wurden neue Materialien für die Bondtechnik anhand dem Ball/Wedge-Verfahren und Wedge/Wedge-Verfahren im Bereich Dünndraht mit Drahtdurchmesser von ≤50 µm sowie dem Wedge/Wedge-Verfahren mit Dickdraht bei Drahtdurchmesser oberhalb 100 µm. Alternativen zum Drahtbonden sind Embedding, planare Interconnects oder das Aufbringen von Sinterfolien mit jedoch eingeschränkter Flexibilität, so dass die Bondtechnik weiterentwickelt wird. Trotz deutlicher Lebensdauersteigerung konnte die Verwendung verschiedener Kupferdrähte oder Aluminium-ummantelter Kupferdrähte nicht überzeugen. Insofern wurde ein Projekt zur Entwicklung einer neuen Legierung bewilligt: AlSc, auch Aluminium-Scandium-Legierung. Durch das Leichtmetall Scandium erweist sich diese als thermisch sehr stabil, so dass beim Bonden keine großen Entfestigungsvorgänge entstehen. Durch ein spezielles Wärmeprozedere ist der Draht aushärtbar, womit die Temperaturbeständigkeit steigt und über den Werten von Kupfer liegt. Der Draht mit der neuen Legierung ist gut zu bonden und durch die neue Struktur mit den AlSc-Teilchen konnten die Kontakte deutlich erhöht werden. Die Aufgabenstellung der nahen Zukunft liegt im Bonding der AlSc-Drähte auf AlSc-Schichten sowie dem Verschweißen der Drähte mit den Schichten.
Felix Eberli, Supercomputing Systems AG, Zürich (CH)
Steuern Roboter bald unsere Autos? Fahrerassistenzsysteme mit FPGA und DSP
Autonomes Fahren kann nicht nur Unfälle minimieren sondern sorgt auch für viele neue Anwendungsfälle. Die Automatisierungsstufen gehen von Level Null bis fünf, wir befinden uns aktuell bei Level zwei, wobei bisher nur wenige Fahrzeuge hier angekommen sind. Das Auto kann in bestimmten Situationen wie auf der Autobahn autonom geradeaus fahren, der Spur folgen, den Abstand zum Vordermann regeln usw. Aber es gibt Einschränkungen durch schlechtes Wetter, da verschmutzte Sensoren die Elektronik behindern; der Fahrer hat noch die volle Verantwortung. Mit eindrucksvollen Videos wurden bestimmte Verkehrssituationen demonstriert. Nachdem der Computer eine Teilsteuerung übernimmt und der Mensch noch eingreifen kann, empfiehlt sich eine vorherige „Absprache“, wie in welcher Situation zu reagieren wäre. Denn das selbstfahrende Auto der Zukunft braucht mehr als nur Sensoren und Kameras. Es muss seine Umwelt verstehen, mit ihr kommunizieren und berechenbar werden. Das autonome Fahren als Unterstützung genommen, lässt den Fahrer sehr viel entspannter ans Ziel kommen. Zwar gibt es autonome Feature, jedoch kann ein Auto noch nicht allein fahren. Autonome Fahrzeuge kommen schneller als alle denken, was ein riesiges Wachstumspotenzial birgt: Nach Schätzungen sollen bis 2025 rund 150 Mio. autonom fahrende Fahrzeuge mit einem Mix von Level zwei bis vier unterwegs sein.
Karl-Heinz Gaubatz, Dräxlmaier Elektrik- und Elektroniksysteme GmbH, Vilsbiburg
Wandel des Automobils in unserer Gesellschaft
Der Redner startete mit der Beschreibung der Megatrends Connectivity and Convergence, Bricks and Clicks, Future of Mobility sowie der Urbanization. Der Trend zu Zero ist erkennbar, d. h. keine Unfälle, keine Krankheiten, keine Arbeitslosigkeit….ebenso wie Smart sowie Gesundheit immer wichtiger werden. Nicht zu vergessen die Social Trends, vom Redner verglichen mit der Face-Down Generation: Die Generation, die schnell noch Mails checken, Facebook füttern oder Nachrichten bei WhatsApp schreiben und so stets den Kopf nach unten haben. Diese Megatrends zusammen werden u. a. Einfluss auf die Wirtschaft, Kultur, auf alles haben. So die Automotivbranche, wo beispielsweise eine redundante Energieversorgung benötigt wird. Oder mit Blick zum Carsharing kann ein schneller Fahrzeugverschleiß angenommen werden. Zusammenfassend zeigte der Redner den Kampf der neuen Welt mit ständig neuer und schnell skalierender Wertschöpfung gegen die alte Welt der Wiederholbarkeit und Effizienz von Prozessen auf. Der Einfluss von Connectivity, autonomem oder shared Fahren sowie E-Mobilität macht einen modernen Produktentstehungsprozess notwendig, um Wettbewerbsfähigkeit zu gewährleisten. Dieser Produktenstehungsprozess muss durch eine durchgängige IT-Landschaft gestützt werden. Ein Festhalten an alten Strukturen und Prozessen wirkt dabei lähmend.
Neueste und zukünftige Entwicklungen in der SMT
Nahezu alle Geschäftsführer der Veranstalter versammelten sich abschließend zu einer Diskussion über zwei Schwerpunktthemen. Zur Sprache kamen die Fertigungsprozesse: Wie sehen diese heute aus und welch Equipment bzw. Technologien werden dazu benötigt. Der weitere Fokus und topaktuelles Thema behandelte Smart Prozesse und damit verbunden Lösungen für das Internet of Things. (dj)
Die Zukunft ist ein Kind der Gegenwart
Christoph August Tiedge (1752-1841)
INLINE – Der Podcast für Elektronikfertigung

Doris Jetter, Redaktion EPP und Sophie Siegmund Redaktion EPP Europe sprechen einmal monatlich mit namhaften Persönlichkeiten der Elektronikfertigung über aktuelle und spannende Themen, die die Branche umtreiben.

Hören Sie hier die aktuelle Episode:

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