Elektronische Fertigungsdienstleistungen

Die Nachfrage nach professionellen Dienstleistungen im Bereich der elektronischen Fertigungsdienstleistung steigt von Jahr zu Jahr aufgrund des raschen Wachstums des Marktes für elektronische Bauteile. Der „Global Electronic Components Market 2020 Research Report“ veröffentlichte einen Bericht, der besagt, dass der globale Markt für elektronische Komponenten von 2020 bis 2025 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von etwa 4,8 % wachsen wird. Dies hat dazu geführt, dass es in vielen Bereichen wie der Medizintechnik, der industriellen Automatisierung und der Bewegungssteuerung, der Automobilindustrie und vielen anderen eine Vielzahl von elektronischen Anwendungen gibt. Dennoch werden die Anforderungen an die Funktionalität immer anspruchsvoller, weshalb das Team von Semecs die neuesten Technologietrends verfolgt, um unseren Kunden Produkte von höchster Qualität zu liefern.

Anwendungen in der elektronischen Fertigung

Semecs bietet eine ganze Reihe von elektronischen Fertigungsdienstleistungen an, wobei der Schwerpunkt auf den drei Branchen liegt.

Medizin

Die Leiterplatten in der Medizin spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Anwendungen wie der medizinischen Bildgebung, Überwachungsgeräten und implantierbaren medizinischen Geräten.

Überwachungsgeräte

Verschiedene medizinische Überwachungsgeräte nutzen die Leiterplattentechnologie, um die von den Sensoren empfangenen Informationen anzuzeigen. Geräte, die Leiterplatten für ihre Anwendung benötigen, sind z. B Körpertemperaturmessgeräte, Blutdruckmessgeräte und Blutzuckermessgeräte.

Medizinische Bildgebung/Diagnostikgeräte

Medizinische Bildgebungsgeräte sind heutzutage unverzichtbare Ausrüstungen, die wir für die Vorbeugung und frühzeitige Erkennung verschiedener Krankheiten benötigen. Magnetresonanztomographen, computergestützte axiale Tomographen und Ultraschallgeräte verfügen über Leiterplatten, die komplexe Signale zu umfassenden Informationen entschlüsseln, die später visualisiert werden.

Implantierbare medizinische Geräte

Die Leiterplatte ist ein integraler Bestandteil zahlreicher implantierbarer medizinischer Geräte. Diese Arten von Leiterplatten sind im Vergleich zu Standard-Leiterplatten unglaublich klein. Die Platinen sind mit kleinen Batterien verbunden, die die ständige Stromquelle darstellen. Einige der Implantate, deren Betrieb von der Leiterplatte gesteuert werden, sind Herzschrittmacher, implantierte Defibrillatoren und Cochlea-Implantate. Jedes dieser Geräte muss spezifisch nach der Diagnose des Arztes funktionieren. Daher muss die Herstellung von Leiterplatten für implantierbare Geräte sehr flexibel sein, da jeder Patient spezifische Bedürfnisse hat.

Industrie

Es gibt unzählige Industrielle Anwendungen, von der Prozessautomatisierung bis zur Bewegungssteuerung mit Robotern. Industrieingenieure sind bestrebt, die Produktivität von Fertigungsprozessen zu optimieren, indem sie den Durchsatz erhöhen und gleichzeitig die Kosten minimieren. Daher ist es wichtig, dass die Leiterplatten auf höchstem Niveau arbeiten. Der große Vorteil der Automatisierung liegt nämlich in der Kostensenkung, da ein großer Produktionsdurchsatz in kürzerer Zeit bei minimalem Bedarf an Arbeitskräften möglich ist.

Automobilbranche

Leiterplatten sind ein wesentlicher Bestandteil sowohl von autonomen als auch von konventionellen Fahrzeugen. Aufgrund des raschen technologischen Fortschritts haben viele Kunden aus dieser Branche innerhalb weniger Monate neue Anfragen für elektronische Fertigungsdienstleistungen. Die Größenanforderungen für Leiterplattenanwendungen in der Automobilindustrie sind ziemlich streng. Der Platz ist oft begrenzt, daher müssen die Hersteller in der Fertigungsphase sehr flexibel sein, um alle Anforderungen zu erfüllen. Leiterplatten werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, z. B. für Lauflicht, Getriebesteuerungen und Komfortsteuergeräte. Darüber hinaus steuern Leiterplatten Motoren, Unterhaltungssysteme, digitale Anzeigen, Radar, GPS, Leistungsrelais, Zeitmesssysteme, Spiegelsteuerungen und vieles mehr.

Industrielles Design

Das von unseren Kunden erstellte Leiterplattendesign stellt eine Reihe präziser Anforderungen dar. Deshalb nutzen wir sie als Leitfaden bei der Herstellung von Leiterplatten. Um die besten elektronischen Fertigungsdienstleistungen anbieten zu können, müssen die Hersteller die erhaltenen Gerberdateien mit CAD-Software wie Fusion 360 effizient in ein optimales 3D-Design umwandeln.

Die Kunden stellen offene ASCII-Vektordateien zur Verfügung, die Informationen über jede physikalische Leiterplattenebene des Leiterplattendesigns enthalten. Die Gerberdatei muss für ein erfolgreiches industrieelles Design Leiterplattenobjekte enthalten, wie z.B. Kupferbahnen, Vias, Pads, Lotmasken und Siebdruckbilder. Alle genannten Parameter werden in Form des Flash- oder Zeichencodes geschrieben und durch eine Reihe von Vektorkoordinaten definiert. In den Produktionsstätten von Semecs werden diese Daten verwendet, um alle Details in die physikalischen Eigenschaften der Leiterplatten umzuwandeln, die in der Fertigungsphase realisiert werden. Bei der Bereitstellung von elektronischen Fertigungsdienstleistungen sind die optimalsten Lösungen diejenigen, die die Herstellungskosten senken und den benötigten Platz auf der Platine reduzieren, ohne dabei die Produktqualität zu beeinträchtigen.

Unser oberstes Ziel ist es, ein optimales Industriedesign innerhalb der vorgegebenen mechanischen und leistungsmäßigen Beschränkungen zu liefern. Der Industriedesigner wählt die optimalen Materialien für die Leiterplattenbestückung aus, während die Anzahl der Lagen innerhalb jeder Leiterplatte und die Kupferbahnen, die die elektrischen Pfade darstellen, vom Kunden vorgegeben werden. Die mechanischen Beschränkungen definieren die Grenzen, wie z. B. die Form- und Größengrenzen der Leiterplatte, die wir grundsätzlich berücksichtigen. Unser Team berücksichtigt nicht nur die mechanischen Beschränkungen, sondern auch das Industriedesign unter Berücksichtigung der Energiebeschränkungen. Jedes einzelne SMD-Bauteil auf der Platine hat eine Leistungsobergrenze, die es aushalten kann. Daher ist die richtige Anordnung der Komponenten entscheidend für den erfolgreichen Betrieb der Leiterplatte. Ein Leitfaden für das Stromversorgungsdesign muss so aufgebaut sein, dass alle Komponenten entsprechend ihrer Spezifikationen Signalen, Spannungen und Stromstärken ausgesetzt sind. Daher ist eine angemessene Spannungstrennung unerlässlich, um Leiterplatten entsprechend den Leistungsbeschränkungen zu gestalten. Für einen ungestörten Stromfluss ist es am besten, für jede Versorgung Standardschienen zu verwenden, längere Stromschleifen bei der Verlegung zu vermeiden und über Leiterbahnen mit großem Durchmesser zu verfügen. Auf der anderen Seite wird das Verbiegen der Leiterplatte durch getrennte Stromversorgungs- und Erdungsebenen vermieden. Bei Semecs ist es gängige Praxis, einen Pfad mit geringerer Impedanz zu legen, um das Risiko von Interferenzen mit höheren Stromkreisen zu vermeiden.

Einführung neuer Produkte und Prototyping

Selbst wenn die Kunden das Leiterplattendesign und eine vollständige Liste von Spezifikationen und Anforderungen in der Gerber-Datei zur Verfügung stellen, ist eine industrielle Leiterplattenfertigung weit von der Realität entfernt. Beim Leiterplattendesign aus der Gerber-Datei handelt es sich um einen Satz verschiedener Daten. Die Designer müssen mit der Machbarkeitsstudie und den vorläufigen 3D-Plänen fortfahren, um die Kompatibilität zwischen den Anforderungen des Primärsatzes und der tatsächlichen Fertigung zu gewährleisten. In den seltensten Fällen gibt es nur einen realisierbaren Herstellungsweg, so dass in der Prototyping-Phase verschiedene Designoptionen diskutiert werden. Der Hauptzweck des Prototyp-Designprozesses besteht darin, ein experimentelles Leiterplattenmuster zur Verfügung zu stellen, das die primär festgelegten Anforderungen erfüllt. Das Prototyping ist oft eine zeitkritische Phase, in der die Kunden sicherstellen wollen, dass die Produktion ihres Produkts eine rentable Investition ist. Unser Ingenieursteam mit jahrzehntelanger Erfahrung sorgt dafür, dass das Prototypmuster zeitnah zusammengesetzt und getestet wird. Sobald die Funktionalität erreicht ist, bespricht unser Team alle weiteren Designaspekte mit dem Kunden. In dieser Phase findet der Teil des Designprozesses statt, der sich mit der Produktentwicklung befasst, während das letztendliche Ziel darin besteht, den Prototyp für die industrielle Produktion zu optimieren, die kosteneffizient sein soll. Daher werden die potenziellen Änderungen für die Herstellbarkeit, die Produktleistung und den Lebenszyklus erörtert.

Herstellung

Leiterplattenfertigung

Die Leiterplattenfertigung ist das Herzstück der elektronischen Fertigungsdienstleistungen, da alle vorangegangenen Schritte mit der Beratung und der Lieferung von funktionsfähigen Leiterplattenmustern als Prototypen verbunden sind. Bevor mit der Leiterplattenfertigung begonnen wird, verbessert das Semecs-Team den Prototyp durch Hinzufügen aller zuvor festgelegten technischen und ästhetischen Merkmale. Die Großserienproduktion der individuellen Leiterplatten erfordert von Anfang an höchste Präzision in jedem Detail. Zunächst wird das gewählte Plattenmaterial auf die erforderlichen Maße zugeschnitten und anschließend im Ofen ausgehärtet, um sicherzustellen, dass es für die Fertigung geeignet ist. Anschließend wird die dünne Folie, die das vollständige Schema der elektrischen Leiterbahnen enthält, mit einem Plotter auf das Plattensubstrat aufgebracht. Die Folie besteht aus zwei Schichten, einer inneren und einer äußeren. Die Innenschichten enthalten zwei Tintenfarben, wobei schwarze Tinte elektrische Schaltkreise darstellt, während klare Tinte nicht leitende Bereiche repräsentiert. Im Gegensatz zum Design der inneren Schichten ist das Design der äußeren Schichten entgegengesetzt. In der Herstellungsphase werden spezielle chemische Verbindungen wie Epoxidharze verwendet, um überschüssige Bereiche auf der Platte auf folgende Weise zu entfernen. Zunächst wird damit der jeweilige Bereich auf der Platine abgedeckt. Anschließend werden sie mit UV-Licht bestrahlt, das ihre Aushärtung bewirkt. Zum Schluss werden die ungehärteten Bereiche weggeätzt, so dass nur die konstruierten Teile in der Platinenstruktur verbleiben. Nach dem Aufbringen der Folie folgen zahlreiche Prozesse zur Herstellung von Leiterplatten höchster Qualität, die auf der Seite Leiterplattenherstellung detailliert beschrieben werden.

Sobald die Struktur der Leiterplatte fertiggestellt ist, ist die Platte bereit für das Auftragen der Lotpaste. Die Lotpaste sollte auf die Teile aufgetragen werden, auf denen später SMD-Bauteile montiert werden sollen. Für diese Anwendung wird der Rakeldrucker verwendet. Die Klingen verteilen die Lotpaste auf der Leiterplattenoberfläche, während das Ziel darin besteht, die kleinen Hohlräume zu füllen, die die Bereiche für die Platzierung der elektronischen Bauteile darstellen. Die Geschwindigkeit der Schablonenentfernung ist der wichtigste Parameter, der sicherstellt, dass die Schablone keine Paste aus den Öffnungen zieht. Die gewöhnliche lineare Geschwindigkeit der Schablonenbewegung beträgt etwa 3 mm pro Sekunde. Die Lotpaste kann sich bei höheren Geschwindigkeiten nicht vollständig aus den Öffnungen lösen, was zu unerwünscht hohen Rändern um die Ablagerungen führt. Die Paste muss also in die Hohlräume gelangen, während die Oberfläche intakt bleiben sollte, da es sonst zu einer so genannten Brückenbildung kommen kann, die die Platte unbrauchbar macht. Der Druck ist der anspruchsvollste Schritt bei der Leiterplattenbestückung und stellt für viele Leiterplattenhersteller einen Engpass dar. Dennoch ist es uns bei Semecs gelungen, die Dauer auf 15 Sekunden zu reduzieren. Ein effizienter Lotpastenauftrag ist für die feste und stabile Verbindung bei der Oberflächenmontage, die in der nächsten Phase der Leiterplattenbestückung stattfindet, von entscheidender Bedeutung.

Nach Beendigung des Druckvorgangs werden die SMD-Bauteile mit Hilfe der SMD-Bestückung auf die Leiterplattenoberfläche aufgebracht. Diese Technik ist äußerst effizient, was die Geschwindigkeit der Bauteilbestückung und die Festigkeit der Verbindungen zwischen den Bauteilen und der Leiterplatte betrifft. Der Bestückungsautomat ist für die Positionierung der Bauteile an den vorgesehenen Stellen auf der Leiterplatte verantwortlich. Diese Maschine ist so programmiert, dass sie jedes SMD-Bauteil anhand seines Codes erkennt und dem Schema aus der Gerber-Datei folgt. Schließlich nimmt der Roboterarm elektronische Bauteile auf und platziert sie auf der Oberfläche der Leiterplatte.

Zu diesem Zeitpunkt ist das Lot noch in Form einer Paste und muss aushärten, um das Bauteil dauerhaft mit der Leiterplattenoberfläche zu verbinden. Der Aushärtungsprozess findet im Härteofen statt, wo die Platten auf dem Förderband bewegt werden, während Heißluft sie bei hohen Temperaturen erhitzt.

Box-Build

Kunden, die sich für elektronische Fertigungsdienstleistungen interessieren, haben oft Probleme, einen geeigneten Hersteller für einen kundenspezifischen Box-Build zu finden. Bei Semecs bieten wir eine flexible Box-Build-Montage, die den Bedürfnissen des Kunden entspricht.

Box-Build ist ein Prozess, bei dem verschiedene Leiterplatten zusammengesetzt werden, die durch Kabel und Drähte verbunden sind. Alle elektronischen Bauteile sind in einem Gehäuse aus einem bestimmten Material mit vordefinierten Abmessungen untergebracht. Der BOX-Build ist recht komplex, da zahlreiche Leiterplatten und andere Kabelbäume in einem Fertigungsgehäuse entsprechend verbunden werden müssen. Für das ordnungsgemäße Funktionieren des gesamten Box-Build müssen geeignete Kommunikationsprotokolle zwischen den Elementen erstellt werden. Daher müssen die Hersteller sicherstellen, dass die entsprechenden Ein- und Ausgänge mit den Spezifikationen der einzelnen Leiterplatten übereinstimmen.

Box-Build

Prüfung

Die letzte Phase der elektronischen Fertigungsdienstleistung ist das Testen, bei dem die Techniker prüfen, ob die Platine ordnungsgemäß funktioniert, sobald sie an eine Stromversorgung angeschlossen oder Funkwellen ausgesetzt wird. Die Art der Tests, die wir verwenden, wird für jede von uns hergestellte Leiterplatte festgelegt, und wir gehen immer auf die spezifischen Bedürfnisse unserer Kunden ein. Bei Seemecs verwenden wir die neueste Technologie für In-Circuit- und Funktionstests, um jeden Defekt innerhalb der Leiterplatte festzustellen und jedes potenzielle Risiko zu erkennen.

Elektromagnetische Abschirmwirkung

Die elektronischen Fertigungsdienstleistungen umfassen alle Aktivitäten von der Prototypenerstellung über das Design und die Montage bis hin zur Endprüfung. Obwohl die Leiterplatten perfekt entworfen und erfolgreich getestet wurden, kann ihr Betrieb am Einsatzort gestört werden. Der Einfluss der umgebenden elektromagnetischen Wellen kann die Kommunikationsprotokolle der Leiterplatten stören und ernsthafte Probleme verursachen. Um dieses Szenario zu vermeiden, widmet das Semecs-Team der elektromagnetischen Abschirmung der in unseren Anlagen hergestellten Leiterplatten besondere Aufmerksamkeit. Bei der Herstellung wenden wir die Technologie der elektromagnetischen Verträglichkeit an, die sicherstellt, dass jede Leiterplatte einen bestimmten Frequenzbereich hat, in dem sie arbeiten darf. Die abschirmende Wirkung beruht auf dem Prinzip des Faradayschen Käfigs. Es werden Metallschirme angebracht, um die elektromagnetischen Störungen zu absorbieren, die durch die Luft übertragen werden. Die absorbierten Signale werden im Gehäuse des Bildschirms in Strom umgewandelt. Dann wird der Strom durch eine Erdverbindung oder eine virtuelle Massefläche absorbiert. Mit anderen Worten: Die Leiterplatten werden durch die Absorption der übertragenen Signale geschützt, bevor sie die empfindlichen Schaltkreise erreichen. Um einen ausreichenden Schutz zu gewährleisten, müssen die Abschirmungen daher ganze Bereiche der empfindlichen Elektronik abdecken.

Aufbringen von Schutzschichten

Die Langlebigkeit des Produkts ist ein wesentlicher Aspekt erfolgreicher elektronischer Fertigungsdienstleistungen. Je nach Leiterplattenanwendung können die Leiterplatten hoher Luftfeuchtigkeit oder hohen Temperaturen ausgesetzt sein. Daher müssen die SMD-Bauteile und die Oberfläche der Platine thermisch isoliert und vor allem korrosionsbeständig sein. Beim Korrosionsprozess reagiert die Feuchtigkeit aus der Luft mit dem Metall, in diesem Fall Kupfer, und frisst es auf, was zu offenen Stromkreisen führt. Daher müssen die Leiterplatten mit einer hochgradig chemikalienbeständigen Schutzschicht überzogen werden, die nicht mit Feuchtigkeit aus der Atmosphäre oder anderen vorhandenen Verbindungen reagiert. Die konforme Beschichtung ist ein weit verbreiteter Begriff für Schutzmaterial, das auf Leiterplatten aufgebracht wird. Konforme Beschichtung ist ein Film aus einem bestimmten Material mit einer Dicke von 25 bis 250 Mikrometern.

Acrylbeschichtungen

Die Acrylbeschichtung ist aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit eine gute Wahl, eignet sich aber nicht für Anwendungen, bei denen es auf chemische Beständigkeit ankommt.

Polyurethan-Beschichtung

Polyurethan-Beschichtungen haben auch eine ausgezeichnete Chemikalien- und Korrosionsbeständigkeit. Ihre Anwendung ist kostspielig, aber sie schützt die Leiterplatte in einigen der rauesten Umgebungen. Darüber hinaus behalten diese Beschichtungen ihre Eigenschaften sowohl bei sehr hohen als auch bei extrem niedrigen Temperaturen bei.

Silikonbeschichtungen

Silikon ist aufgrund seines Verhaltens bei verschiedenen Temperaturen die am häufigsten verwendete Beschichtung. Es behält seine Eigenschaften sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen, wie sie bei PCB-Anwendungen üblich sind. Sie sind jedoch weniger resistent gegen Feuchtigkeit und korrosive Gase als andere Beschichtungstechnologien.

Beschichtung auf Wasserbasis

Beschichtungen auf Wasserbasis sind eine umweltfreundliche Alternative zu den zuvor genannten Polymerbeschichtungen. Während des Auftragens von Polymerfolien verdampft nämlich eine Fraktion von Molekülen, die als flüchtige organische Verbindungen bezeichnet werden, in der Atmosphäre. Diese Verbindungen sind für die menschliche Gesundheit gefährlich, wenn sie eingeatmet werden. Deshalb haben die Ingenieure verschiedene Beschichtungen auf Wasserbasis entwickelt, die durch Verdunstung von Wasser aus dem System aushärten.

Das Aufbringen von Schutzfolien wurde früher manuell vorgenommen. Bei dieser Technik werden Aerosoldosen und Handspritzpistolen verwendet, die sich nicht für große Produktionsmengen eignen, wie sie Semecs durchführt, d. h. zwischen 5.000 und 500.000 Stück individueller Leiterplatten. In den Semecs-Werken verwenden wir zwei Arten von automatischen Sprühsystemen.

Beim automatischen Sprühen handelt es sich um eine programmierte Sprühanwendung, bei der sich die Platte auf einem Förderband bewegt, wo sie von feststehenden Düsen besprüht wird. Bei diesem Verfahren wird daher die gesamte Oberfläche der Leiterplatten beider Größen vollständig mit einer Schutzfolie bedeckt.
Die selektive Beschichtung ist ein integraler Bestandteil der professionellen Elektronikfertigung, da der Roboter so programmiert ist, dass er nur ausgewählte Bereiche auf den Leiterplatten besprüht. Ein Sprühauftragsgerät verfügt in der Regel über eine eingebaute UV-Lampe, die die Beschichtung unmittelbar nach dem Auftragen aushärtet. Kunden, die große Mengen an Produkten benötigen, können von dieser Technik stark profitieren, da sie kostengünstig ist.