INFOCUS:

A topic from NCAB Group about integrated PCB Production

No 3 2020

Zmieniający się świat płytek PCB

Obecnie ogromny wpływ na zastosowania płytek PCB ma kilka dominujących trendów technicznych. Poprosiliśmy Chrisa Nutalla, dyrektora operacyjnego Grupy NCAB, o ocenę tych zmian i ich potencjalnego wpływu na branżę PCB.

Jakie nowe technologie są dziś motorem postępu w świecie PCB?

Nie chodzi o konkretne technologie, przyczyniające się obecnie do rozwoju branży PCB; a raczej o pewne kluczowe trendy, które oddziałują na przemysł elektroniczny i związane z nimi same zastosowania płytek. Po pierwsze, mamy do czynienia z piątą generacją telekomunikacji mobilnej, 5G, która obecnie jest przedmiotem ożywionych dyskusji. Pojawiają się i inne trendy, w pewnym stopniu uzależnione od rozwoju systemów 5G – można je podzielić na te skupiające się „wokół człowieka”, które są związane z wpływem techniki na nas, oraz na „inteligentne przestrzenie”, które obejmują trendy techniczne kształtujące środowisko życia lub pracy.

Chris Nuttall, Chief Operating Officer NCAB Group

“Nie chodzi o konkretne technologie, przyczyniające się obecnie do rozwoju branży PCB; a raczej o pewne kluczowe trendy, które oddziałują na przemysł elektroniczny i związane z nimi same zastosowania płytek.”

Chris Nuttall
Chief Operating Officer, NCAB Group

IoT, AI i 5G, niektóre z trendów technicznych, które widzimy

Wszyscy słyszeliśmy o internecie rzeczy (IoT) i sztucznej inteligencji (AI), które w połączeniu ze zwiększonymi prędkościami transferu danych dostępnymi dzięki 5G mogą otworzyć cały nowy poziom zdolności przyłączeniowych i komunikacji pomiędzy urządzeniami a przedmiotami. Umożliwia to na przykład rozwój inteligentnych produktów, takich jak inteligentna produkcja lub hiperautomatyzacja, zaawansowana robotyka, rozwój funkcji bezpieczeństwa publicznego wspomagających inteligentne miasta, rosnące użytkowanie przedmiotów autonomicznych. Te trendy idą ramię w ramię ze zdolnością transmisji, transferu, zarządzania danymi i przetwarzania masywnych ilości danych w krótkim czasie z niewielkim opóźnieniem – czyli kluczowych cech architektury edge computing.

I wreszcie mamy do czynienia z dążeniem do udoskonalania człowieka poprzez zastępowanie ludzkich zdolności – dotyczy to na przykład protetyki. Zmierza to jednak w kierunku możliwości zmieniania lub rozszerzania ludzkich zdolności. Nie jestem pewien, ile właściwie widzimy z tego teraz, ale w ciągu najbliższych pięciu lat więcej z pewnością zaobserwujemy w tej dziedzinie istotny rozwój.

Niektóre z wyróżnionych trendów stanowią podstawę rozwoju samochodów autonomicznych

To niektóre z trendów w technice, które – moim zdaniem – będą miały największy wpływ na technologię PCB w przewidywalnej przyszłości. Takie trendy na wysokim poziomie będą oczywiście przekładały się na inne trendy techniczne, przyczyniając się do rozwoju zastosowań w różnych branżach. Na przykład w motoryzacji niektóre z przedstawianych trendów stanowią podstawę rozwoju samochodów autonomicznych; w medycynie można zobaczyć ich oddziaływanie na krytyczne funkcje, takie jak przetwarzanie danych i komunikacja w czasie rzeczywistym pomiędzy specjalistami działającymi na poziomie ogólnoświatowym. Podobne trendy widać również bardzo wyraźnie w zastosowaniach wojskowych, które na pewnych rynkach są czynnikami rozwoju.

Jak wspomnieliśmy we wcześniejszym numerze InFocus, 5G wprowadza się teraz na jeszcze większą skalę. Patrząc na same Chiny, przewiduje się, że do 2025 r. liczba użytkowników sięgnie 500 milionów telefonów lub podobnych urządzeń. W Europie i w Stanach Zjednoczonych rozwija się to troszeczkę wolniej niż w Azji, ale niewątpliwie i tutaj ten trend jest zauważalny”.

5G - one of the main technical trends that drives technology.
5G – piąta generacja komunikacji mobilnej.

W jaki sposób te zmieniające się scenariusze wpłynęły na konstrukcję i wytwarzanie płytek PCB?

Mamy do czynienia z kontynuacją już ustalonego trendu. Płytki PCB muszą mieć większą liczbę warstw, zwiększoną gęstość elementów, wspomagane przez węższą ścieżkę i odstępy, i mniejsze otwory. W przeszłości płytka wielowarstwowa i struktura typu 1 HDI były uważane za przełomowe. Dziś dziesięciowarstwowe struktury HDI nie są niczym niezwykłym. Widzimy osiągalne rozwiązania, w których szerokość ścieżek i odstępów na płytkach wynosi zaledwie 30 mikronów. Potrzebowaliśmy dużo czasu, żeby zejść ze 100 mikronów do 75 i jeszcze dalej do 60 mikronów, co obecnie jest w zasięgu niewielu fabryk NCAB. Niektóre z naszych fabryk zamawiają nowe urządzenia i tworzą metody sterowania procesami i budują doświadczenie z myślą o dalszym zwiększeniu gęstości. Jeśli wyjść poza nasze fabryki, to najbardziej zaawansowane technicznie zakłady już produkują płytki drukowane o szerokości ścieżek poniżej 30 mikronów.

“Widzimy osiągalne rozwiązania, w których szerokość ścieżek i odstępów na płytkach wynosi zaledwie 30 mikronów.”

Chris Nuttall
Chief Operating Officer, NCAB Group

Bardziej złożone komponenty

W miarę wzrostu powszechności i złożoności takich elementów jak półprzewodniki, widzimy również coraz większy rozwój podłoży układów scalonych, które spełniają funkcję połączenia. Wyobraźmy sobie mniejsze płytki PCB wysokiej gęstości umiejscowione pomiędzy elementem a płytką drukowaną. Te podłoża mają bardzo wysoką gęstość i obsługują rozdział zasilania i sygnałów, jak również pewien poziom rozpraszania ciepła. Oznacza to bardzo małą szerokość przewodnika i odstępów izolacyjnych, jak również minimalne wielkości otworów. Obecnie podłoża układów scalonych są już stosowane w płytkach wyższej klasy i stają się coraz bardziej powszechne.

Illustration of BGA pads with small conductors.
Powyższa ilustracja przedstawia przewodniki pomiędzy padami BGA (E / F). W nowoczesnych komponentach stosuje się coraz mniejsze i coraz gęściej rozmieszczone pady BGA. To jedna z przyczyn konieczności stosowania przewodników o mniejszej szerokości oraz zmniejszenia odstępów izolacyjnych.

W jakim miejscu – pana zdaniem – obecnie znajdują się fabryki NCAB w odniesieniu do najnowszej techniki?

Stanowi to część naszej strategii współpracy z fabrykami i utrzymywania z nimi na tyle mocnych relacji, aby udzielały nam informacji o swoich przemyśleniach i kierunkach działania na następne pięć lat. Jeżeli spojrzymy na nasze fabryki o wyższych kompetencjach technicznych, one już przyglądają się bardziej złożonym strukturom, niektóre już dostarczają podłoża układów scalonych, a inne zbliżają się do rozwiązań objętościowych, jeśli chodzi o szerokość ścieżki i odstępu rzędu 30 μm. To mniej niż połowa wartości obecnie zatwierdzonej do produkcji w tych fabrykach. Ten poziom zwiększonej gęstości i złożoności może tylko rosnąć.

Wzrośnie zapotrzebowanie na płytki drukowane o większej złożoności

W miarę opracowywania zgodnie z tymi trendami technicznymi kolejnych produktów, będzie również rosło zapotrzebowanie na płytki drukowane o większej złożoności. Oznacza to, że przy tym tempie zmian technika, którą dziś uważamy za nowatorską, jutro stanie się standardem. Dlatego nasze bardziej zaawansowane technicznie fabryki wrzucają wyższy bieg, aby zapewnić sobie pozycję pozwalającą im na wspomaganie doskonalszych struktur o wyższym poziomie złożoności, takich jak rozwiązania Anylayer, mniejsza podziałka i okazjonalnie inne materiały. Będzie się to wiązać ze wzrostem zapotrzebowania na nowe urządzenia, nowe surowce i podniesieniem linii produkcyjnych na wyższy poziom. Przewidujemy na przykład, że punkt równowagi nadal będzie się przesuwać w kierunku zwiększonego zastosowania rozwiązań do bezpośredniego obrazowania, w przeciwieństwie do rozwiązań skupiających się na tradycyjnych procesach obrazowania z użyciem negatywu.

The factories needs to be able to produce more technically advanced PCBs to match the upcoming technical trends.
Jerry Zheng, inżynier jakości produkcji, dział zarządzania fabrykami, podczas wizyty w fabryce. Ważnym obszarem zainteresowania działu zarządzania fabrykami NCAB jest ocena i zatwierdzanie nowych fabryk, z którymi planujemy współpracować. Część procesu oceny obejmuje przyglądanie się planom rozwoju tych fabryk na okres dwóch do pięciu lat.

„Żyjemy w fascynujących czasach. Wystarczy spojrzeć na niektóre z dostępnych obecnie kluczowych urządzeń produkcyjnych. Jeszcze kilka lat temu uważano, że te rzeczy są bardzo daleko na horyzoncie technicznym, a teraz są już rzeczywistością. Prawo Moora, które mówi, że gęstość mikroprocesorów podwaja się co dwa lata, absolutnie działa”.

Jakie inne wyzwania, oprócz technicznych, stoją przed producentami płytek drukowanych?

Ważnym wyzwaniem dla fabryk jest zdobywanie wiedzy o projektowaniu i doświadczenia produkcyjnego w tym samym tempie, w jakim dostępne stają się urządzenia, surowce i nowe rozwiązania. Fabryki będą pod presją rozwijania tej wiedzy przy jednoczesnej konieczności zadbania, żeby proces uczenia się był w równowadze z ich podstawową działalnością – aby generować przychody w połączeniu z dobrymi uzyskami z produkcji tu i teraz. Zespoły badawczo-rozwojowe będą musiały pracować szybciej. Dlatego proces oceny w firmie NCAB obejmuje uważne obserwowanie planów rozwoju fabryk w perspektywie dwóch do pięciu lat.

“Ważnym wyzwaniem dla fabryk jest zdobywanie wiedzy o projektowaniu i doświadczenia produkcyjnego w tym samym tempie, w jakim dostępne stają się urządzenia, surowce i nowe rozwiązania.”

Chris Nuttall
Chief Operating Officer, NCAB Group

Mniejsze i bardziej złożone elementy ze względu na trendy techniczne

Gdy w przemyśle części dla elektroniki zachodzą podobne trendy wymuszające coraz mniejszy rozmiar części i coraz mniejszą podziałkę, dostawcy płytek PCB muszą być w stanie sprostać zmieniającym się wymaganiom. Aby spełniać wymagania klientów, fabryki muszą inwestować w urządzenia, materiały i budować wiedzę. Ma to wpływ na wszystko – transfer wzorów, obrazowanie, maskę lutowniczą, metalizację, obróbkę wstępną, obróbkę powierzchni itd. Posiadanie właściwych urządzeń to jedno, ale potrzebne są również właściwe surowce i procesy połączone z odpowiednią wiedzą, aby to wszystko dobrze działało i aby w końcowym rozrachunku uzyskać niezawodny produkt.

Podejście NCAB jest jasne ‒ nie zamierzamy być pionierami techniki. Technologię będziemy zatwierdzać tylko wtedy, gdy będziemy wiedzieli, że procesy są stabilne i sprawdzone, zapewniające wytworzenie dobrego produktu końcowego spełniającego wymagania naszych klientów. Musimy jednak wiedzieć, w którym miejscu znajduje się horyzont techniki i jak daleko jest do niego naszym fabrykom.

Obecność również na Tajwanie
„Dzięki przejęciu Bare Board Group rozszerzyliśmy zakres naszej działalności, a tym samym naszą ekspozycję na różne obszary geograficzne w zakresie produkcji obwodów drukowanych. Tajwan to obecnie dziewięć procent naszych wydatków na obwody drukowane i chociaż wciąż jesteśmy na wczesnym etapie poznawania fabryk, początkowe oznaki są takie, że niektóre z możliwości, które widzimy w tamtejszych fabrykach, zwiększają poziomy technologiczne, które byliśmy w stanie zaoferować w ramach naszego portfolio produkcji. Pracujemy nad zdefiniowanymi przez nas procesami kwalifikacji i zatwierdzania tych fabryk, które mogą umożliwić NCAB oferowanie naszym klientom rozszerzonych rozwiązań zarówno na poziomie technologii, jak i łańcucha dostaw.

Obszary rozwijane w ramach produkcji PCB

  • Płytki wielowarstwowe o coraz większej liczbie warstw.
  • Płytki elastyczne i sztywno-elastyczne.
  • Coraz bardziej złożone struktury HDI, które wykorzystują podłoża układów scalonych do tworzenia ścieżek i odstępów o szerokości zaledwie 20–30 μm i bardzo małych przelotek.
  • Bezpośrednie obrazowanie, gdzie wzór jest drukowany bezpośrednio na materiale.
  • Wyższy stopień automatyzacji w produkcji.
  • Nowe wykończenia powierzchni.

Jaki wpływ ma ten rozwój na geografię branży płytek drukowanych?

Jeśli spojrzeć na prognozy branżowe, które wprawdzie zostały opracowane przed pandemią COVID-19, szacuje się, że wartość globalnego rynku PCB w tym roku ma wynieść około 67 mld dolarów w porównaniu do 64 mld dolarów w 2019 r. Zgodnie z szacunkami, w 2023 r. wartość ta osiągnie 70–75 mld dolarów. Chiny odpowiadają za nieco ponad połowę tej wartości, 52–53%. Prognozuje się, że kiedy poziom techniki nadal będzie rósł, wielkość produkcji według regionów będzie utrzymywać się na stosunkowo stałym poziomie, na pewno przez następne cztery do pięciu lat.

The value of the global PCB market
“Szacuje się, że wartość globalnego rynku PCB w tym roku ma wynieść około 67 mld dolarów w porównaniu do 64 mld dolarów w 2019 r. Zgodnie z szacunkami, w 2023 r. wartość ta osiągnie 70–75 mld dolarów, ” mówi Chris Nuttall.

W Chinach sprawy postępują coraz szybciej

Widzimy, że czas potrzebny do tego, aby nowa technologia opracowana na innych rynkach Azji, w Europie lub USA dotarła do Chin, ciągle się skraca. Wielu z większych producentów w branży ma ośrodki badawczo-rozwojowe lub mniejsze fabryki w Europie lub w Stanach, jednocześnie mając w Chinach fabrykę o większym wolumenie produkcji. To podejście jest kluczowym czynnikiem przyspieszającym transfer technologii. Myślę, że niebawem będziemy świadkami sytuacji, w której opracowanie technologii lub produktu będzie następować równocześnie, ponieważ coraz większe znaczenie ma czas wprowadzenia produktu na rynek. W Chinach sprawy toczą się coraz szybciej i widzimy, że rząd mocno skupia się na rozwoju przemysłu krajowego, pragnąc zbliżyć się do czołówki w dziedzinie techniki.

Fabryki lepiej zaznajomią się z wyższymi technologiami

W porównaniu z innymi rynkami produkcyjnymi w Azji, Chiny mają znaczną przewagę, pomimo rosnących kosztów. Przewaga chińskiej branży PCB polega na obecności na miejscu wszystkich składników – wiedzy, doświadczenia, infrastruktury, surowców, urządzeń i tak dalej. Pomaga to utrzymać przewagę techniczną Chin nad innymi krajami o niskich kosztach i stanowi kluczowy czynnik w perspektywach dla Chin na najbliższą przyszłość. Innym elementem, który zasila ten trend, jest fakt, że kiedy fabryki lepiej poznają bardziej zaawansowane technologie, są w stanie rozszerzać swoją ofertę techniczną i zwiększać przychody, co z kolei oznacza również możliwość odkładania środków na kolejne inwestycje i rozwój, tym samym utrzymując ruch cyklu w pozytywnym kierunku. Te, które próbują nadążać, czekają trudne czasy, a duże skoki techniczne są nie tylko trudne do osiągnięcia, ale też kosztowne.

“Przewaga chińskiej branży PCB polega na obecności na miejscu wszystkich składników – wiedzy, doświadczenia, infrastruktury, surowców, urządzeń i tak dalej.”

Chris Nuttall
Chief Operating Officer, NCAB Group

Nisza producentów płyt w większej liczbie krajów

Będzie miejsce dla niszowych producentów płytek również w innych krajach. Fabryki w takich krajach jak Korea Południowa, Tajwan i Japonia mogą nie tylko doskonale obsługiwać lokalne rynki, ale też konkurować wysokim stopniem specjalizacji, wysokimi normami technicznymi i w pewnych przypadkach krótszymi czasami dostawy. W tym samym czasie płytki o mniejszym stopniu zaawansowania technicznego mogą być wytwarzane po konkurencyjnych kosztach w takich krajach, jak Indie, Tajlandia i Malezja.

„Na przykładzie Chin widać, że przejście od niskiego do wysokiego poziomu techniki może nastąpić stosunkowo szybko, nie można więc ignorować wydarzeń w innych krajach ani nie doceniać ich zdolności do wzrostu pod względem techniki i konkurencyjności. Ale przy szybkim rozwoju, o którym mówię, przy coraz bardziej złożonych płytkach PCB i wyższych wymaganiach klientów, pokonanie tej luki może okazywać się coraz trudniejsze. Krajom o mniej zaawansowanej produkcji nie jest łatwo szybko wprowadzać poważne zmiany techniczne w przemyśle, więc myślę, że jeszcze przez pewien czas będziemy nadal widzieć tę różnicę w poziomie techniki”.

Główne trendy napędzające rozwój

  • 5G – piąta generacja komunikacji mobilnej.
  • IoT – internet rzeczy, kiedy coraz więcej przedmiotów ma wbudowane układy elektroniczne i połączenie z internetem, dzięki czemu można się z nimi komunikować i sterować nimi przez internet.
  • AI – sztuczna inteligencja, programy, które naśladują ludzkie zachowanie i myślenie, i często mogą poprawiać swoje algorytmy przez uczenie się maszynowe.
  • Udoskonalenie człowieka – wykorzystanie techniki do udoskonalenia ludzi na poziomie fizycznym (egzoszkielety połączone z implantem w mózgu) lub poznawczym (AI pracująca z ludźmi w celu opracowania scenariuszy wywiadowczych).
  • Hiperautomatyzacja – podniesienie automatyzacji robotycznej na następny poziom z wykorzystaniem AI do zautomatyzowania wszystkich możliwych procesów biznesowych, w pewnych przypadkach zapewniając zwiększone uczenie się, zwinność i reakcje.
  • Autonomiczne przedmioty – fizyczne urządzenia, które wykorzystują AI do zautomatyzowania funkcji i czynności (od samochodów po domy, od dronów dostawczych po magazyny lub złożone procesy montażowe).

Czy widać jakieś długofalowe skutki pandemii COVID-19 dla produkcji płytek PCB?

Nie mogę stanowczo stwierdzić, żeby to istotnie wpłynęło na stronę techniczną – mogło ewentualnie spowolnić lokalne wsparcie techniczne, ale z pewnością nie zatrzymało dynamiki zdarzeń. Jeśli w ogóle są jakieś skutki, to nastąpiła intensyfikacja działania ze względu na wzrost znaczenia czasu wprowadzenia produktu na rynek. Jeżeli przyjrzymy się fabrykom, przeszliśmy przez fazę, w której ich działalność nieco zwolniła w pewnych obszarach, sektorach i segmentach klientów. W Chinach i na Tajwanie pomogły to zrównoważyć główne inwestycje związane z wprowadzeniem 5G.

Fabryki, które radziły sobie na długo przed kryzysem, były w stanie robić więcej interesów z obecnymi klientami

Globalnie, obserwujemy, jak klienci starają się konsolidować swoje łańcuchy dostaw, więc nie sądzę, żeby fabryki NCAB doświadczyły jakichś poważnych spadków z powodu tymczasowych zamknięć zakładów w Chinach, Europie i w USA. Fabryki, które dobrze funkcjonowały przed kryzysem, potrafiły zwiększyć zakres współpracy z dotychczasowymi klientami. Inne, mniejsze fabryki produkujące tanie płytki lub płytki gorszej jakości, napotkały pewne trudności, kiedy zaczęto skracać czas realizacji zamówień i pomimo cięć w produkcji musiały utrzymywać działalność swoich fabryk.

„Pandemia postawiła przed fabrykami europejskimi wyzwanie związane z koniecznością spełniania norm dystansowania fizycznego oraz innych zasad i ograniczeń wprowadzanych w celu powstrzymania rozprzestrzeniania się epidemii COVID-19.

Niezależnie od tego, o jakiej części świata mówimy, generalnie można powiedzieć, że najlepiej sobie radzą fabryki, które przed kryzysem miały mocne finanse i sprawną produkcję. One wyjdą z tego mocniejsze“.