Vallalla on monia teknologiatrendejä, jotka ajavat piirilevyjen käyttökohteiden kehitystä. Pyysimme NCAB Groupin operatiivista johtajaa Chris Nuttallia kertomaan näkemyksensä näistä trendeistä ja niiden mahdollisista vaikutuksista piirilevyteollisuuteen.
Mitkä teknologiat ajavat nykyistä kehitystä piirilevyjen maailmassa?
”Piirilevymaailmassa kehitystä eivät nykyisin aja eteenpäin niinkään tietyt teknologiat vaan keskeiset teknologiatrendit, jotka vievät elektroniikkateollisuutta ja siihen liittyviä sovelluksia eteenpäin. Ensinnäkin viidennen sukupolven mobiiliverkko, 5G, on nyt täällä, ja se on yleinen aihe. Sitten on 5G-järjestelmien kehityksestä jossakin määrin riippuvaisia uusia trendejä – nämä voidaan jakaa ”ihmiskeskeisiin” sen mukaan, miten teknologia vaikuttaa meihin, sekä ”älykkäisiin tiloihin”, jotka keskittyvät elin- ja työympäristöä muovaaviin tekniikan trendeihin.
“Käytössä on ratkaisuja, jotka ovat saavutettavissa, kun levyjen johdinleveydet ja eristevälit ovat vain 30 mikronia.”
Chris Nuttall
Chief Operating Officer, NCAB Group
IOT, AI ja 5G ovat keskeisiä teknisiä trendejä, joita näemme
Olemme kaikki kuulleet esineiden internetistä (IoT) ja tekoälystä (AI), jotka yhdessä 5G:n suurempien datansiirtonopeuksien kanssa voivat nostaa laitteiden ja esineiden väliset yhteydet ja tiedonsiirron uudelle tasolle. Se mahdollistaa esimerkiksi älykkäiden tuotteiden kehityksen, kuten älykkään tuotannon tai hyperautomaation, edistyneen robotiikan, yleistä turvallisuutta tukevat toiminnot älykkäisiin kaupunkeihin ja itseohjautuvien esineiden käytön yleistymisen. Nämä trendit edellyttävät mahdollisuutta lähettää, siirtää, hallita ja käsitellä massiivisia tietomääriä lyhyessä ajassa vähäisillä vasteaikaongelmilla – nämä kaikki ovat keskeisiä edge computing -teknologian ominaisuuksia.
Lisäksi on trendi kohti ihmisen augmentaatiota, joka pyrkii korvaamaan ihmisosat, kuten proteesit, mutta pääsuuntauksena on ihmisten kykyjen muuttaminen tai parantaminen. En tiedä varmasti, kuinka paljon sitä tapahtuu tällä hetkellä, mutta se tulee lisääntymään seuraavan viiden vuoden aikana.”
Eräät tässä mainituista trendeistä ovat perusta autoteollisuudessa robottiautojen kehitykselle
”Nämä ovat joitakin tekniikan trendejä, joilla uskoisin olevan suurin vaikutus piirilevyteknologiaan lähitulevaisuudessa. Tällaiset ylätason trendit vaikuttavat luonnollisesti muihin tekniikan trendeihin, jotka puolestaan johtavat erityissovelluksiin eri teollisuudenaloilla. Esimerkiksi autoteollisuudessa eräät tässä mainituista trendeistä ovat perusta robottiautojen kehitykselle; lääketieteessä ne vauhdittavat kriittisten toimintojen kehitystä kuten tiedonkäsittelyä ja reaaliaikaista viestintää leikkauksiin eri puolilta maailmaa osallistuvien erikoislääkärien välillä. Samat suuntaukset näkyvät myös sotilaallisissa sovelluksissa, jotka vetävät kehitystä tietyillä markkinoilla.”
”Kuten aikaisemmassa blog post kerrottiin, 5G-mobiiliverkon käyttöönotto etenee parhaillaan entistä suuremmassa mittakaavassa. Yksistään Kiinassa arvioidaan olevan 500 miljoonaa matkapuhelinta tai muuta vastaavaa laitetta vuoteen 2025 mennessä. Euroopassa ja Yhdysvalloissa käyttöönotto etenee hitaammin kuin Aasiassa, mutta kehitys menee selvästi samaan suuntaan.”
Miten nämä muuttuvat skenaariot ovat vaikuttaneet piirilevyjen suunnitteluun ja valmistukseen?
”Ne jatkavat jo aikaisemmin vakiintunutta suuntausta. Piirilevyihin on saatava mahtumaan useampia kerroksia ja osat ovat entistä tiheämmässä, mikä edellyttää pienempiä johdinleveyksiä ja eristevälejä sekä pienempiä reikiä. Ennen monikerroksisia 1 HDI -tyypin piirilevyjä pidettiin mullistavina. Nykyisin kymmenen kerroksen HDI-rakenteet eivät ole enää epätavallisia. Käytössä on ratkaisuja, jotka ovat saavutettavissa, kun levyjen johdinleveydet ja eristevälit ovat vain 30 mikronia. Kesti kauan päästä 100 mikronista 75 mikroniin ja siitä edelleen 60 mikroniin, johon tällä hetkellä pystyy pieni osa NCAB:n tehtaista. Eräät tehtaamme ovat hankkimassa uutta laitteistoa ja perustamassa prosessien ohjauksia, jotka mahdollistavat entistä tiheämmän johdin- ja eristevälin. Teknologian eturintamassa on jo tehtaita, jotka saavuttavat alle 30 mikronin johdin- ja eristevälin.”
Kompleksisemmat komponentit
”Kun puolijohteet ja vastaavat komponentit yleistyvät ja niiden kompleksisuus lisääntyy, myös yhteysreittinä toimivien IC-substraattien käyttö lisääntyy. Tämä johtaa pienempiin high density -piirilevyihin komponentin ja piirikortin välissä. Näiden substraattien tiheys on erittäin suuri, mikä edistää tehon ja signaalien jakelua sekä lämmön hajauttamista. Se mahdollistaa hyvin pienet johtimien leveydet ja eristevälit sekä erittäin pienet reikäkoot. IC-substraatit ovat jo käytössä korkeatasoisemmissa levyissä ja yleistyvät koko ajan.”
Mikä on NCAB:n tehtaiden tilanne uusimman teknologian suhteen?
”Se on osa strategiaamme, joka perustuu yhteistyöhön ja niin vahvaan suhteeseen tehtaiden kanssa, että ne kertovat meille kehityssuuntansa ja näkemyksensä seuraavasta viidestä vuodesta. Tekniseltä valmiudeltaan edistyneemmät tehtaamme ovat jo suunnanneet katseensa teknisesti vaativampiin rakenteisiin. Tietyt tehtaat pystyvät jo toimittamaan IC-substraatteja ja toiset alkavat päästä lähelle volyymituotantoon sopivia ratkaisuja, jotka sallivat 30 μm:n johdinleveydet ja eristevälit. Se on alle puolet siitä, mihin niillä on valmistushyväksyntä tällä hetkellä. Tämäntasoinen tiheys ja kompleksisuus vain lisääntyy tulevaisuudessa.”
Kompleksisempien piirilevyjen tarve kasvaa
”Kun tekniikkatrendien eri aloilla kehitetään entistä enemmän tuotteita, myös teknisesti vaativampien piirilevyjen kysyntä lisääntyy. Muutosvauhti tarkoittaa sitä, että tämän päivän huipputeknologia on huomisen vakioteknologiaa. Siksi teknisesti edistyneemmät tehtaamme varustautuvat jo tähän muutokseen, niin että ne voivat tarjota suurempaa kompleksisuutta ja haastavampia rakenteita, kuten anylayer-rakenteita, pienempiä johdinvälejä ja tarpeen tullen myös eri materiaaleja. Sen seurauksena uutta laitteistoa, uusia raaka-aineita ja tuotantolinjoja koskevat vaatimukset nousevat uudelle tasolle. Tasapaino on kallistumassa esimerkiksi direct imaging -ratkaisujen suuntaan perinteisten phototool-prosessien sijaan.”
”Elämme jännittäviä aikoja. On uskomatonta, millaisia tuotantolaitteita tänä päivänä on käytettävissä. Vain muutamia vuosia sitten ne näyttivät olevan kaukana teknisessä horisontissa, nyt ne ovat tätä päivää. Mooren laki, jonka mukaan mikrosirujen transistoritiheys kaksinkertaistuu kahden vuoden välein, on todellisuutta.”
Mitä haasteita, teknisten lisäksi, piirilevyjen valmistusteollisuudella on edessään?
”Merkittävä haaste tehtaille on lisätä tietojaan suunnittelusta ja kokemustaan valmistuksesta samaa vauhtia kuin laitteistoa, raaka-aineita ja uusia ratkaisuja tulee saataville. Tehtaisiin kohdistuu paineita kehittää osaamistaan ja samaan aikaan löytää tasapaino oppimisprosessin ja ydinliiketoimintansa välillä, niin että ne saavat tuloja ja hyvän tuoton nykyisestä tuotannostaan. Tutkimus- ja kehitystiimien on työskenneltävä nopeammin. Siksi NCAB:n arviointiprosessissa pidetään tarkasti silmällä tehtaiden kehityssuunnitelmia kahden-viiden vuoden perspektiivillä.”
“Merkittävä haaste tehtaille on lisätä tietojaan suunnittelusta ja kokemustaan valmistuksesta samaa vauhtia kuin laitteistoa, raaka-aineita ja uusia ratkaisuja tulee saataville.”
Chris Nuttall
Chief Operating Officer, NCAB Group
Pienemmät ja kompleksisemmat komponentit johtuen teknologiatrendeistä
”Koska komponenttiteollisuus seuraa samanlaisia trendejä, se pyrkii pienempiin komponenttien liitosalueisiin, ja piirilevytoimittajien on pystyttävä vastaamaan muuttuviin vaatimuksiin. Voidakseen täyttää asiakkaiden tarpeet tehtaiden on investoitava laitteistoon, materiaaleihin ja osaamisen kartuttamiseen. Se koskee kaikkea – kuvion siirtoa, kuvantamista, juotteenestopinnoitteita, kuparointia, esikäsittelyä, pintakäsittelyä ja niin edelleen. Oikeat laitteet ovat vain yksi osa koko yhtälöä. Jotta kokonaisuus toimii ja lopputuloksena on luotettava tuote, tarvitaan myös oikeat raaka-aineet ja prosessit sekä oikeaa osaamista. NCAB:n lähestymistapa on selvä: me emme pyri olemaan teknologian kärjessä. Hyväksymme uuden teknologian vasta kun tiedämme, että prosessit ovat vakaita ja tuottavat todistettavasti hyviä lopputuotteita, jotka täyttävät asiakkaidemme vaatimukset. Meidän on kuitenkin ehdottomasti tiedettävä, missä tekninen horisontti on ja miten lähellä sen saavuttamista tehtaat ovat.”
Läsnä myös Taiwanissa
”Bare Board Group -yrityksen hankinta laajentaa toimintamme ulottuvuutta ja merkitsee maantieteellisesti erilaisten piirilevytuotantojen saatavuutta. Taiwan vastaa nyt yhdeksää prosenttia piirilevymenoistamme, ja vaikka tarkempi tutustuminen tehtaisiin on vasta alkanut, ensimmäisten kokemustemme mukaan Taiwanin tehtailla on joitakin korkeamman tason valmiuksia verrattuna aikaisempaan tuotevalikoimaamme. Odotukset ovat korkealla ja toivomme, että sen ansiosta NCAB voi tarjota asiakkailleen parempia ratkaisuja laajemmalla teknologia-alueella sekä myös toimitusketjun osalta.”
Piirilevyvalmistuksen kehitysalueet
- Yhä useampia kerroksia sisältävät monikerroslevyt
- Flex- ja flex-rigid-levyt
- Entistä vaativammat HDI-rakenteet, joissa IC-substraateilla voidaan toteuttaa jopa 20–30 μm:n johdinleveydet ja eristevälit sekä erittäin pienet läpiviennit
- Direct imaging -teknologia, jossa kuvio valotetaan suoraan materiaaliin
- Valmistuksen suurempi automaatio
- Uudet pintakäsittelyt
Miten kehitys on vaikuttanut piirilevyteollisuuteen maantieteellisesti?
”Teollisuudenalan ennusteiden mukaan, jotka kylläkin tehtiin ennen koronapandemiaa, globaalien piirilevymarkkinoiden arvo tulee olemaan tänä vuonna 67 miljardia dollaria verrattuna 64 miljardiin dollariin vuonna 2019. Luvun ennustetaan nousevan 70–75 miljardiin dollariin vuonna 2023. Kiinan osuus tästä on vähän yli puolet eli 52–53 prosenttia. Ennusteen mukaan teknologian tason noususta huolimatta alueellinen tuotanto pysyy melko vakaalla tasolla ainakin seuraavat neljä tai viisi vuotta.”
Asiat tapahtuvat Kiinassa aina vain nopeammin
”Muissa Aasian maissa, Euroopassa ja Yhdysvalloissa kehitetyn uuden teknologian siirtyminen Kiinaan tapahtuu entistä nopeammin. Monilla alan suuremmilla tuottajilla on tutkimus- ja kehitysosastot tai pienempi tehdas Euroopassa tai Yhdysvalloissa ja suurempi volyymituotantoon keskittyvä tehdas Kiinassa, ja tämä lähestymistapa nopeuttaa teknologian siirtoa. Uskon, että teknologian kehitys ja tuotekehitys tapahtuvat pian samanaikaisesti, kun markkinoilletuontiaika tulee entistä tärkeämmäksi. Asiat tapahtuvat Kiinassa aina vain nopeammin, ja siellä hallitus keskittyy vahvasti maan teollisuudenalojen kehittämiseen, niin että ne pääsevät entistä lähemmäksi teknologian eturintamaa.”
Korkeamman tason teknologia tulee tehtaille yhä tutummaksi
”Jos Kiinaa verrataan muihin Aasian valmistusmarkkinoihin, sillä on merkittäviä etuja kustannusten kasvusta huolimatta. Kiinalainen piirilevyteollisuus on nyt etulyöntiasemassa, koska sillä ovat kaikki aineosat jo valmiina – kuten tieto, kokemus, infrastruktuuri, raaka-aineet ja laitteet. Se auttaa säilyttämään teknologiaeron Kiinan ja muiden alhaisten kustannusten maiden välillä ja on keskeistä Kiinan lähitulevaisuuden näkymille. Tätä suuntausta vauhdittaa myös se, että korkeamman tason teknologian tullessa tehtaille tutummaksi ne voivat lisätä teknistä tarjontaansa ja kasvattaa tulojaan. Siksi ne voivat varata rahaa tulevia investointeja ja kehitystä varten ja varmistaa, että sykli jatkuu positiiviseen suuntaan. Perässä tulevilla on tiedossa koettelevat ajat, sillä suuret tekniset harppaukset eivät ole pelkästään vaikeita toteuttaa vaan myös kalliita.”
“Kiinalainen piirilevyteollisuus on nyt etulyöntiasemassa, koska sillä ovat kaikki aineosat jo valmiina – kuten tieto, kokemus, infrastruktuuri, raaka-aineet ja laitteet.”
Chris Nuttall
Chief Operating Officer, NCAB Group
Kapealla erikoisalalla toimiville levyvalmistajille on tilaa myös muissa maissa
”Kapealla erikoisalalla toimiville levyvalmistajille on tilaa myös muissa maissa. Etelä-Korean, Taiwanin ja Japanin tehtaat pystyvät tukemaan paikallisia markkinoitaan erinomaisesti, mutta ne voivat myös kilpailla pitkälle edenneellä erikoistumisella, korkeatasoisella tekniikalla ja joissakin tapauksissa lyhyemmillä toimitusajoilla. Samaan aikaan tekniseltä vaatimustasoltaan alhaisemmat levyt voidaan valmistaa kilpailukykyisillä kustannuksilla esimerkiksi Intiassa, Thaimaassa ja Malesiassa.”
”Historia on opettanut meille Kiinan esimerkin perusteella, että siirtyminen alhaisen tason teknologiasta korkean tason teknologiaan voi tapahtua suhteellisen nopeasti, joten muiden maiden tapahtumia ei tule sivuuttaa eikä aliarvioida niiden kykyä kehittää teknologiaansa ja kilpailukykyään. Mutta kuvaamani nopea kehitys, teknisesti entistä vaativammat piirilevyt ja suuremmat asiakasvaatimukset tarkoittavat, että eroa on aina vain vaikeampi kuroa umpeen. Maiden, joiden valmistustaso ei ole yhtä kehittynyttä, ei ole helppoa tehdä nopeasti suuria teknologiamuutoksia teollisuudessaan, joten luulen teknologiaeron jatkuvan vielä jonkin aikaa.”
Kehitystä ajavat päätrendit
- 5G – viidennen sukupolven langaton tiedonsiirto.
- IoT – Internet of Things, esineiden internet. Yhä useammat esineet on varustettu elektroniikalla ja internetyhteydellä, joten ne voivat siirtää tietoja ja niitä voidaan ohjata internetin kautta.
- AI – Artificial Intelligence, tekoäly. Ohjelmat, jotka imitoivat ihmisen käyttäytymistä ja ajattelua ja voivat usein parantaa omia algoritmejaan koneoppimisen avulla.
- Ihmisen augmentointi – ihmisten laajentaminen teknologian avulla fyysisesti (aivoimplanttiin yhdistetyt ulkoiset tukirangat) tai kognitiivisella tasolla (tekoälyn ja ihmisten yhteistyö tiedustelutoiminnan skenaarioiden kehittämiseksi).
- Hyperautomaatio – robottiautomaation seuraava taso, joka hyödyntää tekoälyä kaikkien mahdollisten liiketoimintaprosessien automatisointiin. Tarjoaa joissakin tapauksissa parempaa oppimista, ketteryyttä ja reagointiherkkyyttä.
- Autonomiset esineet – fyysiset laitteet, jotka käyttävät tekoälyä toimintojen ja tehtävien automatisointiin (kuten autot, kodit, tavaroita toimittavat dronet, varastot tai monimutkaiset kokoonpanoprosessit).
Onko koronapandemialla mielestäsi pitkäaikaisia vaikutuksia piirilevytuotantoon?
”En voi sanoa varmasti, että se olisi vaikuttanut teknologiapuoleen – se on voinut hidastaa paikallista teknistä tukea, mutta ei ole missään nimessä pysäyttänyt toimintaa. Toiminta on pikemminkin tehostunut, sillä markkinoilletuontiaika on nyt tärkeämpi tekijä kuin ennen. Tehtailla on takanaan vaihe, jonka aikana niiden toiminnot vähenivät jonkin verran tietyillä alueilla, sektoreilla ja asiakassegmenteillä. Kiinassa ja Taiwanissa 5G:n käyttöönottoon liittyvät suuret investoinnit ovat auttaneet tasaamaan tilannetta.”
Tehtaat, jotka pärjäsivät hyvin ennen kriisiä, ovat pystyneet tekemään enemmän bisnestä olemassa olevien asiakkaidensa kanssa.
”Maailmanlaajuisesti asiakkaat ovat pyrkineet vahvistamaan toimitusketjujaan, joten en usko, että NCAB:n tehtaat ovat kokeneet jyrkkää laskua väliaikaisten sulkemisten takia Kiinassa, Euroopassa ja Yhdysvalloissa. Tehtaat, jotka pärjäsivät hyvin ennen kriisiä, ovat pystyneet tekemään enemmän bisnestä olemassa olevien asiakkaidensa kanssa. Muut, alhaisemman tason tai halvempia piirilevyjä valmistavat pienemmät tehtaat olivat vaikeuksissa, kun toimitusaikoja alettiin lyhentää ja niiden oli pidettävä tehtaat toiminnassa tuotannon alenemisesta huolimatta.”
”Pandemian vaikutus eurooppalaisiin tehtaisiin on näkynyt siinä, että niiden on täytynyt ratkaista turvavälien ja muiden koronaviruksen leviämiseen tähtäävien rajoitusten aiheuttamat haasteet.”
“Sama mistä maailman kolkasta on kyse, yleisesti ottaen voidaan sanoa, että tehtaat, joiden talous oli vakaa ja toiminta tehokasta jo ennen kriisiä, ovat pärjänneet kriisin aikana parhaiten. Kun kriisi on ohi, ne ovat entistä vahvempia.”