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Innovation und Wettberbsfähigkeit

VDE/VDI-Tagung zu Trends bei Leiterplatten und Baugruppen
Innovation und Wettberbsfähigkeit

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Die VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM) veranstaltete in Bad Nauheim zu aktuellen Leiterplatten- und Baugruppenthemen eine Fachtagung. Tagungsleiter Ewald Gailing vom ABB Leistungszentrum Elektronik konnte rund 200 Teilnehmer begrüßen und gab einen Überblick über absehbare Entwicklugen.

Kurt Günther, Nürnberg

Die Entwicklung der Halbleiter ist so rasant, daß alle 10 Jahre die Integrationsdichte um den Faktor 100 steigt. Diese Entwicklung treibt alle Bereiche mit Wachstumsraten von 5 bis 30 % voran. Die deutsche Industrie befindet sich im globalen Wettbewerb; die Öffnung Osteuropas und die Einführung des Euros beschleunigen die Wettbewerbsituation. Technologie, Management und Logistik wachsen immer enger zusammen. Gehäuse werden bald bis 1000 Anschlüsse aufweisen (Pitch 0,13 mm).
Im Design der Leiterplatte muß man sich auf Bahnbreiten von 0,03 mm und Paddurchmesser von 0,1 mm einrichten. Hinzu kommen Aufbau- und Verbindungstechniken, die Widerstände und Kondensatoren in Innenlagen plazieren. Bohrungen bis zu 0,075 mm müssen beherrscht werden. Laser-Visionsysteme helfen, die Bauelemente genau zu plazieren. Im Lötprozeß sind gelaserte Schablonen mit Dicken von 0,12 mm und Lotpasten mit 20 bis 40 µm Lotkugeldurchmesser nötig. Auch die Einführung bleifreier Lote stellt hohe Anforderungen. Da In-Circuit-Prüfungen nicht mehr oder nur eingeschränkt anwendbar sind, ist der Funktionstest mit integriertem Selbsttest ein Lösung. Wesentlich ist, Prozesse perfekt zu beherrschen, um der Null-Fehler-Produktion näher zu kommen.
Technologische Herausforderung und Wachstum und Evolution in der gesamten Prozeßkette weisen auf gute Entwicklungschancen hin. Voraussetzung ist, daß ein umsichtiges Management die richtigen Wege beschreitet. Dazu gehört, wie sich Firmen positionieren, welche Technologie als Kernkompetenz betrachtet und was an Dienstleister delegiert wird.
Lieferzeit ist ein Top-Thema, denn der schnellere gewinnt, Qualität vorausgesetzt. Lange Lieferzeiten bedeuten große Bestände, die Kosten verursachen und ein Risiko darstellen. Kurze Lieferfristen können teilweise die Preisvorteile von Produkten aus Billiglohnländern kompensieren. Konzentration auf das Kerngeschäft, dynamische Arbeitszeitmodelle, intelligente Logistik und gezieltes Training des Personals sind Lösungsansätze. Die deutsche Industrie tut gut daran, sich der Lieferzeitverkürzung mehr anzunehmen als bisher.
Die Einführung die Fachtagung übernahm Dipl.-Ing. W. Peters, Lackwerke Peters. Aufhorchen läßt seiner Aufassung nach die Dynamik in der Entwicklung:
• Bei Computern verdoppelt sich alle
4 Jahre die Leistung
• In der Halbleiterindustrie verzehnfachen
sich in 10 Jahren die Kosten der Waferfabs
• In den letzten 10 Jahren sind etwa 50 %
aller Erfindungen seit
Menschengedenken entstanden
• Weltweit ändern sich ständig die
Rahmenbedingungen
• Bisherige Branchendefinitionen
lösen sich auf
• Neue Anbieter drängen in die Märkte
• Unternehmen müssen sich schneller und
nachhaltiger verändern, um
wettbewerbsfähig zu bleiben
• Weniger Hierarchie, statt dessen
Teamorientierung fördert Innovation
und Wachstum
Innovationen, die stets auch Risiken enthalten, sind unerläßlich, nur so können Arbeitsplätze gesichert werden. Zugleich müssen laufend Produktionsfortschritte erzielt werden, um die Wettbewerbsfähigkeit zu stärken
H. Huber, DGO, wies darauf hin, daß es 1990 in Deutschland noch 300 Leiterplattenhersteller gab, heute aber nur noch 150. 1990 haben die 10 größten Leiterplattenhersteller 40 % des Marktes beherrscht, jetzt bereits 70 %. In Europa sind unter den 10 größten Leiterplattenherstellern 5 aus Deutschland. Aus dem Strukturwandel der deutschen Industrie gingen die Leiterplattenhersteller gestärkt hervor. Die deutsche LP-Industrie hat in der Mobilkommunikation die technologische Führerschaft übernommen.
H. Stoppok, ZVEI, betonte, daß nicht nur die Technologie, sondern auch Managementthemen und deren Behandlung von großer Bedeutung sind. Besonders die Arbeitsteilung in großen Firmen, auch durch Teilung in Unternehmensbereiche, ist wichtig. Die Teamarbeit in Unternehmen bestimmt den wirtschaftlichen Erfolg. Die mittelständische Industrie ist global tätig, besonders in Nischen.
Der Unternehmensberater F. Hess, Roland Berger & Partner, reflektierte die Frage, ob der Mittelstand von der Globalisierung profitiert. Mit weiteren Firmenzusammenschlüssen bei Leiterplattenherstellern ist zu rechnen. Beträchtliche Chancen bietet die Globalisierung in Absatz und Beschaffung den Mittelständlern. Die wesentlichen Herausforderungen sind:
• Professionelle Globalisierungsstrategie
• Organisatorische Randbedingungen
• Definition der Nische und Konsequenz
in der Firmenpolitik
• Partnerschaften und Kooperationen
• Flexibl bei Kundenanforderungen
• Wirksame, deutliche Differenzierung
am Markt (Service, Kundennähe)
Auch Hans-Joachim Friedrichkeit, Photoprint Electronic, sieht den weltweiten Leiterplattenmarkt im Aufwind. Von 1998 mit 33,1 Mrd. Dollar soll er bis 2002 auf 45,3 Mrd. steigen. In Europa produzieren 600 Firmen 21 % des Weltmarkts. Der deutsche Leiterplattenmarkt hatte 1998 einen Weltmarktanteil von ca. 5 % mit einem Volumen von 2,846 Mrd DM. Auch für Mittelständler ist dieser Markt attraktiv. Treibende Kräfte sind Automobilelektronik und Telekommunikation (die Handy-Fertigung soll bis 2000 von 107 Millionen auf 161 Millionen steigen). Dies regt die Volumenproduktion und Fertigungstechniken an. Speziell die Microvias und HDI (High Density Interconnection) bringen große Veränderungen. Das Volumen bei Microvia könnte in Europa von 7 Millionen Dollar in 1997 auf 600 Millionen Dollar in 2001 steigen, etwa dreimal soviel wie dann in den USA produziert wird.
Kernkompetenz und Dienstleistung im Geschäft mit der elektronischen Baugruppe war das Thema von Werner Witte, Träger ProTech. Bei der Baugruppenfertigung handelt es sich derzeit um einen Käufermarkt, die Entscheidung des Kunden wird nach Qualität, Termintreue, Flexibilität und Preis – in dieser Reihenfolge – gefällt. Kompetenz und Kundenorientierung der Anbieter ist daher gefragt. Der gesamte Markt betrug in 1998 knapp 40 Milliarden DM. Der größte Teil allerdings wird inhouse gefertigt, der öffentliche Markt wird auf höchstens 20 % geschätzt. Der Materialanteil beträgt 65 %, der Wertschöpfungsanteil 35 %. Es werden immense Zuwächse bei Computern, Telekommunikation, Automobil und Konsumgüter sowie in der Meß- und Steuerungstechnik erwartet.
Allein in Deutschland gibt es über 200 Komplettanbieter. Die Technik allein ist nicht ausschlaggebend, es kommt darauf an, die Probleme des Kunden zu lösen. Aktiva sind Wissen und know-how, nicht nur technisches Wissen, sondern auch über sich selbst, den Kunden und seine Erwartungen. Das Ziel ist mit dem Kunden eine Partnerschaft einzugehen, seine Erwartungen zu ergründen und zu übertreffen, eine funktionierende Kommunikation und Vertrauen aufzubauen. Dazu ist schnelles Lernen, hohe Innovationsbereitschaft, hohes Qualitätsniveau und Kompetenz nötig. Die Mitarbeiterentwicklung sollte vom Wissen über Können auf das Wollen ausgedehnt werden.
Künftige Elektronikfertigung unter Einsatz von Mikrotechniken erläuterte der Leiter des Elektronikwerkes Karlsruhe, Dipl.-Ing. Vogt, Siemens AG, zugleich Vorsitzender ZVEI Elektronische Baugruppen. Im Elektronikwerk erfolgt neben der Bestückung und Prüfung der Baugruppen auch die Leiterplattenproduktion, wobei das patentierte Simov-Verfahren mit Microvias und innenliegenden Widerständen führend ist. SMT mit einem 0,4-mm-Pitch ist weit verbreitet. Ball-Grid-Arrays, BGAs und µBGAs mit einem Raster von 1,27 mm und max. 492 Anschlüssen werden in 5 Jahren unter 0,8 mm und über 600 Pins aufweisen. Ebenso bedeutend sind Chip-Scale-Packages (CSP), deren Raster sich von 0,8 mm in gleichem Zeitraum auf 0,5 mm reduziert, die Pinzahl wird sich verdreifachen.
Stand der Technik bei LPs mit mehreren Signallagen und Potentialflächen sind 100-µm-Bahnen und 120-µm-Zwischenräume bei einem Pad-Durchmesser von 800 µm. Solche Leiterplatten sind zu vertretbaren Preisen erhältlich, doch die Miniaturisierung geht weiter. Viele Unternehmen wollen innerhalb von 5 Jahren Leiterbahnen und Zwischenraum mit 30 µm sowie 50-µm-Vias und 100-µm-Pads herstellen. Gleichzeitig soll die LP-Dicke bei 10 Lagen um 50 % auf 0,4 mm reduziert werden. Hier ist dann der Lotpastendruck im Fokus: gelaserte Schablonen mit 120-µm-Dicke und Lotpasten mit 20 bis 45 µm Lotpulver. Aus Qualitätsgründen müssen mittelfristig sowohl Schwall-Löten als auch Einpressen entfallen.
In einer Podiumsdiskussion wurde über 3 Tage Lieferzeit referiert. Herr Junginger, Honywell, sieht, daß in seinem Unternehmen die 2000 Produkte innerhalb von 1 bis 3 Tagen geliefert werden. Realisiert wird das durch spezielle Subbereiche im Werk. 80 % der Mitarbeiter sind für alle Tätigkeiten trainiert. Jeder Mitarbeiter hat 8 Trainingstage jährlich. Die Produktionszeiten liegen bei 1 bis 5 Tagen. Wegen der kurzen Lieferzeit wird auf Lager gefertigt. 3 SMT-Linien können in 3 Schichten fertigen. Durch Jobrotation und Teamarbeit hat man hohe Flexibilität erreicht.
Prof. Wiendahl, TU Hannover: Untersuchungen haben ergeben, daß durch Bestandssenkung am Arbeitsplatz sowie Harmonisierungen von Losgrößen und Kapazitäten die Durchlaufzeit von 20 auf 10 Tage reduziert werden kann. Die eigentliche Wertschöpfung wird in 30 bis 35 Stunden Arbeitszeit erbracht, der Rest ist Lager- und Transportzeit.
H. Welter, Wassermann AG, empfiehlt Transparenz in der Fertigung über alle Aufträge herzustellen, also Rückstände, Engpässe und Verschwendungen festzustellen. Für kurze Lieferzeiten muß der Dienstleister die gesamte Kette im Auge behalten, vom Lieferanten des Lieferanten, zum Lieferanten, zum eigenen Unternehmen, zum Kunden und dessen Endkunden. Nur bei einem kontinuierlichen und schlüssigen Ablauf lassen sich kurze Lieferfristen realisieren.
Dr. Bechtloff, KSG Gornsdorf: Im eigenen Unternehmen hat man die Lieferzeit für Leiterplatten auf 10 Arbeitstage reduziert. Gewöhnungsbedürftig ist dabei, daß sich automatisch der Auftragsbestand auf 10 Tage reduziert hat. Die Fertigungsdaten sind in 2,5 bis 24 Stunden bearbeitet. Bei bestehenden Kunden wird mit einer Rückfrage, bei Neukunden mit 4 Rückfragen gerechnet. Auftrag für 13 qm Nettofläche, 55 Zuschnitten, 19 Bohr- bzw. Fräspaketen nimmt eine Produktionszeit inklusive Prüfung von ca. 24 Stunden in Anspruch. Bei Maschinenausfall dürfen maximal 24 bis 48 Stunden bis zur Aufnahme der Produktion vergehen. Vorbeugende Wartung und Instandhaltung ist erforderlich. Eine Auslastung von etwa 75 % ist erreichbar.
Klaus Priewe, Paragon Elektronik zeigte, wie durch optimiertes Boarddesign die Produktivität wesentlich gesteigert werden kann. Derzeit werden der Produktion Designs zur Verfügung gestellt, die zu 10 % optimal, zu 20 % akzeptabel, zu 50 % unwirtschaftlich und zu 20 % rundweg schlecht sind. Boardfertiger können die Produktivität steigern, wenn sie folgende Faktoren berücksichtigen:
• Qualität der Bauelemente, Leiterplatten
und Lotpaste durch Lieferantenauswahl
verbessern, Einbeziehung weiterer
Lieferanten
• Beachtung deren Termintreue und
Erstellen eines Kriterienkataloges in
Abstimmung mit der Fertigung.
• Design regeln müssen eingehalten
werden, denn ansonsten sind gehäufte
Fehler im Prozeß und eine reduzierter
Baugruppen-Qualität die Folge.
• Investitionen in neue Technik, Lötöfen,
Meß- und Prügeräte
• Reduziereng der Variantenvielvalt
• Aufbau eines Baukastensystems,
Entwicklung von Modulen
• Fertigungs- und prüfgerechte
Entwicklung unter Berücksichtigung
der Designregeln
Klaus Büning, Atotech, erläuterte die elektrochemische Metallisierung von Leiterplatten in Microvia-Technik. Sind die Microvias hergestellt, ist die zuverlässige, haftfeste Metallisierung des Dielektrikums der Schlüssel für hohe Ausbeute bei sequentiell aufgebauten Leiterplatten. Der wesentliche Unterschied zur traditionellen Verfahren liegt darin, daß Multilayer nicht mehr durch Verpressen von Laminaten erzeugt werdent, sondern durch sequentielles Aufbringen zusätzlicher Lagen auf einen starren Kern. Auf doppelseitige LPs oder einen Multilayer wird eine Schicht Dielektrikum und eine Kupferfolie aufgebracht. Anschließend werden die Microvias (Sacklöcher) erstellt, die eine Verbindung zwischen der äußeren und inneren Kupferschicht herstellen. Die Durchmesser der Microvia bewegen sich zwischen 25 bis 50 bzw. 50 bis 80 µm. Das Kupfer wird anschließend entweder mit einer Lochmaske oder mittels Laser und das Dielektrikum mit einem anderen Laser entfernt. Für die Durchkontaktierung wird zunächst ein Desmear – und anschließend ein Direktmetallisierungs- oder chemisch Kupferprozeß mit galvanischer Verkupferung auf Endschichtstärke eingesetzt. Die Leiterplatten können sowohl in Vertikal- als auch in Horizontal-Anlagen mit konstanten Schichtverteilungen.
Dipl.-Ing. H. Bonck, Heidenhain-Microprint, zeigte, daß mechanisches Mikrobohren eine Alternative zur Lasertechnik darstellt. Mikrobohren erstreckt sich auf Durchmesser unter 300 µm. Derzeit sind Durchmesser von 75 µm die untere Grenze für die mechanische Bearbeitung, bei einem Aspekt-Ratio von 1:1. Schlüsel dazu ist die Bohrmaschine. Mit Kontaktbohren wurde der entscheidende Durchbruch zur mechanischen Herstellung von Microvias erreicht. Beim Auftreffen des Bohrers auf die Kupferschicht wird ein Signal an die Steuerung gegebent. Dieses Signal zeigt die Position des Mikrobohrkopfes in der Z-Achse, und von dieser registrierten Oberfläche wird mit einer Toleranz von ± 15 µm in die Tiefe gebohrt. Die Prüfung der Position erfolgt durch ein Lasermeßsystem. Mikrobohrer aus ultrafeinkörnigem Hartmetall und unterschiedlichen Spirallängen werden eingesetzt, Durchmesser von 75 bis 150 µm stehen zur Verfügung. Derzeit werden Bohrgeschwindigkeiten mit 250 Hüben/min. realisiert, 400 Hübe/min. scheinen möglich. Ein Vergleich mit Plasmabohren, Laserbohren und Foto-Via-Technik zeigt, daß durch geringere Investitionen auch kleineren Leiterplattenhersteller der Einstieg in die Mikrovia-Technik gelingen kann. Das mechanische Bohren stellt eine wirtschaftliche Alternative dar. Die Durchmesser der Microvias liegen derzeit bei ca. 100 µm.
Alexander Süllau, ILFA, erläuterte Laserdirektbelichtung in der Leiterplattenfertigung: Man stellt Leiterplatten in Mikro-fine-Leitertechnik bis 90 µm und Mikro-feinstleitertechnik bis 50 µm Leiterbahn und Zwischenraum her. Möglich wird dies durch Laserdirektbelichtung. Verglichen wird die Kontaktbelichtung mit der Laserdirektbelichtung für Außenlagen mit Linienstärken und Linenabständen kleiner 120 µm. Bei Stückzahlen von 17 LPs/Auftrag und weniger ist die Laserdirektbelichtung kostengünstig.
Die Auflösung kann bis 40 µm realisiert werden. Unterhaltungsaufwand und Wartungsaufwand für den Laserdirektbelichter sind hoch, der Fertigungsaufwand jedoch gering. Beim Kontaktbelichter ist es genau umgekehrt. Aufgrund der Miniaturisierung wird Laserdirektbelichtung für die Mikrofeinstleitertechnik unverzichtbar. Für die LP-Fertigung ergeben sich einige Vorteile:
• Kein Filmmaterial mehr nötig
• Minimieren des Registrierfehlers der
Lagen untereinander und der Maske
zu den Außenlagen,
• Digitale Fertigung durch fertigungs-
gerechte Datenmanipulation
• Hoher Yield bei Feinst- und Mikrofeinst-
leitern
• Serienfertigung von Mikrofeinst-
leiter-LPs
Dr. Konrad Wundt, Multi-Line International, stellte einen Trendbericht zur Leiterplattenherstellung mit hoher Integrationsdichte (HDI) in Europa vor. Behandelt werden die Fertigungsprozesse unter Berücksichtigung der Designregeln. Als Entscheidungshilfe ist ein Bewertungs- sowie ein Kostenermittlungsschema enthalten. Ein Szenario für Microvias bis 2009 wird entwickelt. Der Trendbericht ist erhältlich als CD-ROM inklusive Broschüre bei VDE/VDI Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik, vde_vdi_gmm@compuserve.com.
Von W.Gailing wurde das Buch Strategien zur wirtschaftlichen Produktion von elektronischen Baugruppen vorgestellt. Behandelt werden strategische und Qualitätsanforderungen, Design für wirtschaftlichen Produktion, SMT-Prozeßfehler, Verfahren zur Berechnung wirtschaftlicher Fertigungs- und Prüfstrategien, enthalten ist das Simulationsprogram Prosim für Produktionskosten (Leutze Verlag, ISBN 3-87480-149-7)
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