Seit ihrer Erfindung um die Jahrhundertwende und ihrer Patentierung durch Paul Eisler im Jahr 1943 haben sich Leiterplatten weit über ihre ursprünglichen Funktionen hinaus entwickelt und verbessert.
Heutige Leiterplatten sind winzige, mehrschichtige, komplexe Systeme, die ihren frühesten Vorläufern kaum noch ähneln. Dank ausgefeilter Designsoftware und Fertigungsprozesse werden sie heute auch viel schneller und effizienter hergestellt als je zuvor. Noch vor zehn Jahren waren Microvias, HDI und FPGAs nur in den teuersten Designs zu finden, stehen aber mittlerweile Designern weltweit problemlos zur Verfügung.
Mit dem Wachstum und der Weiterentwicklung von Technologie und Verbrauchernachfrage müssen sich jedoch auch Leiterplatten (PCBs) weiterentwickeln. Als Grundlage aller elektronischen Geräte stehen PCBs unter enormem Entwicklungs- und Wachstumsdruck. Da Verbraucher schlankere und schnellere Geräte fordern und die Industrie nach verbesserter Funktionalität strebt, muss sich die Leiterplatte auch in Zukunft weiterentwickeln.
Aber wie genau wird die Zukunft von Leiterplatten aussehen?
Zukunft der Leiterplatte
Während moderne Leiterplatten mit erstaunlicher Geschwindigkeit und Komplexität hergestellt werden, gibt es immer noch Raum für Weiterentwicklungen. Ob es nun um die Form der Leiterplatte selbst geht oder um das direkt an die Platine angeschlossene Zubehör – die Verbraucher fordern kontinuierlich neue und unterschiedliche Leiterplatten sowie Leiterplattenfunktionen.
Auch im Herstellungsprozess selbst gibt es noch viel Raum für Wachstum, da die zunehmende Komplexität von Leiterplatten neue Herausforderungen für Fertigungsunternehmen mit sich bringt. Aus diesem Grund konzentrieren sich die meisten Prognosen für die Zukunft der Leiterplatte stark auf die folgenden Bereiche.
1. Leiterplattenkameras
Board-Kameras, auch PCB-Kameras genannt, sind Kameras, die direkt auf eine Leiterplatte montiert werden. Diese PCB-Kameras bestehen aus einer Linse, einer Blende und einem Bildsensor und sind dafür ausgelegt, sowohl digitale Fotos als auch Videos aufzunehmen. Insgesamt sind die Kameras etwa so groß wie eine Münze und können auf Leiterplatten jeder Größe montiert werden. Das bedeutet, dass diese Kameras klein genug sind, um in nahezu jedes elektronische Gerät eingebaut zu werden.
Seit ihrer Einführung haben sich Platinenkameras schnell weiterentwickelt, wobei Foto- und Videoaufnahmen sowie die Haltbarkeit die Hauptverbesserungsbereiche waren. Heute können diese kleinen Kameras problemlos hochauflösende Bilder und Videos aufnehmen. In den nächsten Jahren wird erwartet, dass sich Platinenkameras noch weiterentwickeln und leistungsstarke Lösungen sowohl für die Industrie als auch für die Unterhaltungselektronik bieten.
Aufgrund ihrer Größe finden Platinenkameras in verschiedenen Branchen zahlreiche Anwendungen. Dazu gehören:
•Unterhaltungselektronik: Platinenkameras haben in der Unterhaltungselektronik, insbesondere in tragbaren mobilen Geräten, großen Nutzen gefunden. Heutzutage werden Platinenkameras häufig in Smartphones, Tablets, Laptops und anderen kleinen tragbaren Elektronikgeräten verwendet. Unternehmen der Unterhaltungselektronik streben ständig nach kleineren und leistungsfähigeren Kameras.
•Medizinische InstrumenteInsbesondere haben kleine Platinenkameras eine Nische in der Medizinbranche für nicht-invasive und minimalinvasive Verfahren gefunden. Pillengroße Kameras werden mittlerweile eingesetzt, die von Patienten geschluckt werden können, sodass Ärzte umfassende Videos und Bilder aus dem Inneren des Verdauungstrakts ohne invasive Operationen aufnehmen können. Auch tragbare Kameras gewinnen während Operationen als Lehrmittel an Bedeutung.
•Überwachungstechnologie: Da PCB-Kameras so klein sind, lassen sie sich leicht in Gegenständen verbergen und sind daher eine ausgezeichnete Wahl für Überwachungszwecke. Viele Verbraucher, Sicherheitsfirmen und Organisationen nutzen diese kleinen Kameras, um ihre Häuser und Unternehmen vor Eindringlingen zu überwachen. Mit dem technischen Fortschritt wachsen auch die Einsatzmöglichkeiten zur Überwachung stetig.
Diese Branchen sind nur einige Beispiele dafür, wie Platinenkameras eingesetzt werden können und wie sich die Trends in Zukunft fortsetzen könnten. Derzeit entwickelt sich die Platinenkamera-Branche zunehmend in Richtung anpassbarer Kameras, die sowohl hochwertig als auch langlebig sind. Verbesserte Tag-/Nacht- und Schwachlichtfähigkeiten befinden sich ebenfalls in der Entwicklung, um sowohl medizinische als auch Überwachungsbildgebung weiter zu verbessern.
2. 3D-gedruckte Elektronik
Die 3D-Drucktechnologie ist wahrscheinlich eine der spannendsten technologischen Innovationen der letzten Jahre. Von 3D-gedruckten Organen bis hin zu Schusswaffen und Munition hat der 3D-Druck in verschiedenen Branchen Erstaunliches erreicht. Die Leiterplattenindustrie bildet da keine Ausnahme.
Der 3D-Druck hat sich als integraler Bestandteil einer der großen Innovationen im Bereich Leiterplatten in den letzten Jahren erwiesen: der 3D-PE. 3D-gedruckte Elektronik, oder 3D-PEs, sind darauf ausgelegt, die Art und Weise, wie elektrische Systeme in Zukunft entworfen werden, zu revolutionieren. Diese Systeme erzeugen 3D-Schaltkreise, indem sie ein Substrat Schicht für Schicht drucken und anschließend eine flüssige Tinte mit elektronischen Funktionen darauf auftragen. Oberflächenmontagetechnologien können dann hinzugefügt werden, um das endgültige System zu erstellen. Das Ergebnis ist ein Schaltkreis, der jede erdenkliche Form annehmen kann.
3D-PE kann sowohl für Leiterplattenhersteller als auch für deren Kunden potenziell enorme technische und fertigungstechnische Vorteile bieten – insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen 2D-Leiterplatten. Zu diesen Vorteilen gehören:
•Neuartige Designs: Durch die Möglichkeit, Schaltungen auf eine bestehende Form zu drucken, ermöglichen 3D-PE-Fertigungstechniken, dass Schaltungen neue und beeindruckende Formen annehmen, die mit herkömmlicher Leiterplattenfertigung einfach nicht möglich waren. 3D-PEs können so geformt werden, dass sie auf jeden Schaltungsträger passen, während sie weiterhin elektronische, optische und mechanische Funktionen kombinieren. Dies ermöglicht neue Produkteigenschaften und Optimierungen. 3D-PEs können nicht nur geformt, sondern auch skaliert werden, um auf Komponenten gedruckt zu werden, die größer sind als alles, was mit 2D-Leiterplattenfertigungsmethoden möglich ist.
•Verbesserte EffizienzDa die 3D-PE-Fertigung ein additives Verfahren ist, das digitale Methoden verwendet, ist sie im Materialverbrauch wesentlich sparsamer als die 2D-Leiterplattenfertigung. Das System trägt nur so viel Material auf, wie tatsächlich benötigt wird, und nicht mehr, was zu einer effizienteren Materialnutzung führt. Darüber hinaus erhöht der digitale Aspekt des Produktionsprozesses die Gesamtgenauigkeit, da Fehlerquellen durch menschliches Versagen eliminiert werden. Obwohl Schaltungen auch bei dieser Methode gelegentlich ausfallen können, verringert die erhöhte Automatisierung die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen und verbessert so die Gesamteffizienz.
•UmweltfreundlichDa es bei der 3D-PE-Fertigung keine tatsächliche Einschränkung hinsichtlich des verwendbaren Substratmaterials gibt, können Leiterplattenhersteller jedes beliebige Material auswählen. Dies erleichtert eine umweltfreundliche Produktion erheblich, da sie kostengünstige, recycelbare Materialien wählen können.
Aufgrund dieser Vorteile hat sich die 3D-PE-Produktion schnell weiterentwickelt und bewegt sich in Richtung einer großvolumigen Massenproduktion. Während die Anwendungen von 3D-PE derzeit noch relativ begrenzt sind und sich hauptsächlich auf Messgeräte, Antennen und Sensoren beschränken, wird eine beträchtliche Menge an Forschung betrieben, um die Fertigungsmöglichkeiten von 3D-PEs zu erweitern. Dazu gehört die Entwicklung der Oberflächen, auf die sie gedruckt werden können, der Arten von SMDs, die hinzugefügt werden können, und der Fertigungswerkzeuge, mit denen sie gedruckt werden können.
Viele Branchenführer erwarten, dass die 3D-PE-Industrie schnell wachsen wird, da Fertigungsunternehmen und Verbraucherbranchen neue Methoden und Anwendungen für die 3D-PE-Technologie entdecken.
3. PCB-Autoplatzierer
Die meisten Leiterplatten enthalten heute einen Autorouter in ihrem Design. Diese Leiterplattenkomponente leitet elektronische Funktionen über die gesamte Platine, um die Eigenschaften des Leiterplattenlayouts zu modellieren, wodurch der Automatisierungsprozess erheblich erleichtert wird.
Allerdings sind Autorouter schwierig zu erstellen und einzurichten, was einen großen Zeit- und Arbeitsaufwand erfordert. Aufgrund dieser Schwierigkeit geht die durch Automatisierung eingesparte Zeit im Einrichtungsprozess verloren. Aus diesem Grund suchen viele Hersteller und PCB-Designer nach Autoplacern als Alternative. Autoplacer beschleunigen den Automatisierungsprozess erheblich, indem sie versuchen, mechanische und elektrische CAD-Systeme zu integrieren und so den Herstellungsprozess zu vereinfachen. Bis heute haben automatische Platzierungswerkzeuge in der Leiterplattenfertigungsindustrie noch keine breite Akzeptanz gefunden. Der Grund liegt hauptsächlich im Unterschied zwischen den Einschränkungen von Autoplacer und Autorouter:
•Autorouter: Die Routing-Beschränkungen werden hauptsächlich durch die Eigenschaften der Leiterplatte vorgegeben, die sich leicht in der PCB-Designumgebung modellieren lassen. Zu diesen Eigenschaften gehören die Anzahl der Lagen, der Abstand zwischen den Leiterbahnen, Verbindungsdistanzen und Lagenrichtungen.
•Autoplacers: Die Einschränkungen, die die Platzierung von Komponenten bestimmen, können durch mechanische Überlegungen vorgegeben sein. Dazu gehören die Form des Produktgehäuses, ergonomische Aspekte wie die Positionierung von Tasten, Wärmeableitung und die Optimierung von Bestückungsprozessen.
Die Einschränkungen, die den Betrieb von Autoplacern bestimmen, haben nicht unbedingt etwas mit dem Platinenlayout zu tun, sondern vielmehr mit dem Produktdesign. Dies kann für Designer einen erheblichen Mehraufwand bedeuten, da sie weit mehr als nur das PCB-Design berücksichtigen müssen. Während Autoplacer die Fertigungsprozesse im Vergleich zu Autoroutern erheblich beschleunigen können, hängt dies in erster Linie von der Optimierung des Constraint-Managements der Autoplacer ab. Hier muss neue Technologie zum Einsatz kommen.
Die Leiterplattendesign-Technologie befindet sich derzeit im Aufschwung, ebenso wie das Konzept integrierter CAD-Systeme. Da Autoplatzierer sowohl auf elektrische als auch auf mechanische Designaspekte angewiesen sind, ist ein integriertes elektrisches und mechanisches CAD-System, das in beiden Bereichen Einschränkungen anwendet, notwendig, um Autoplatzierer effizienter zu machen.
Mit dem Übergang zu diesen Design-Software-Optionen werden Autoplacer langsam zur effektiveren Alternative gegenüber Autoroutern. Dieser Wechsel von Autoroutern zu Autoplacern wird voraussichtlich echte Vorteile für den PCB-Designprozess bringen.
4. Hochgeschwindigkeitsfähigkeiten
Die heutige Welt ist unglaublich schnelllebig und verlangt, dass Menschen und Technologie ebenfalls schnell agieren. Im Laufe der Jahre erwarten wir, dass alles noch schneller wird – dazu gehören auch elektronische Geräte. Damit unsere Geräte mit der wachsenden Nachfrage nach Geschwindigkeit Schritt halten können, muss sich die Leiterplattentechnologie entsprechend anpassen.
Hochgeschwindigkeits-PCBs sind für Designer ein besonderes Thema, hauptsächlich weil die Definition einer Hochgeschwindigkeits-PCB relativ vage ist. Die allgemein anerkannte Definition einer Hochgeschwindigkeits-PCB ist eine, bei der die Signalintegrität durch das Schaltungsdesign beeinflusst wird. Das kann Verschiedenes bedeuten:
•Digitalsignal: In digitalen Leiterplattensignalen ist die Information in den digitalen Impulsen enthalten. Daher können sich Beeinträchtigungen der Signalintegrität in verzögerten oder ausgefallenen Digitalsignalen äußern.
•Analogsignal: In einem Hochgeschwindigkeits-Analogschaltkreis liegt die Intelligenz in der Form des Signals. In diesen Fällen treten Signalintegritätsprobleme als veränderte Signalformen auf.
In beiden Fällen kann die Signalintegrität durch verschiedene Faktoren, sowohl auf als auch um die Leiterplatte herum, negativ beeinflusst werden. Dazu gehören das Dielektrikum der Leiterplatte, die Länge der Leiterbahnen, die Nähe zu anderen Signalen und elektromagnetischen Störungen (EMI) sowie weitere Faktoren. Viele High-Speed-Designer wissen, wie sie ihre Designs anpassen können, um diese Probleme zu minimieren, aber es werden ständig neue Methoden sowie neue Softwaretools zur Verwaltung von High-Speed-Designs entwickelt.
Weitere Informationen über aktuelle Hochgeschwindigkeits-PCB-Designtechniken finden Sie auf unserer PCB-Design-Ressourcenseite, wo Sie unsere Artikel überTipps für Hochgeschwindigkeits-Layoutund wie manEMI-Einflüsse in Hochgeschwindigkeitsdesigns reduzieren.
Da die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsfunktionen auch in Zukunft hoch bleibt, werden Innovationen bei Leiterplatten, die sich auf Hochgeschwindigkeitsdesigns konzentrieren, weiterhin gefragt sein. Insider der Leiterplattenindustrie erwarten, dass Hochgeschwindigkeitsinnovationen auch in Zukunft einen großen Teil der Entwicklung von Leiterplatten ausmachen werden.
5. Ein Fokus auf flexible Leiterplatten (PCBs)
Die Leiterplattenindustrie ist bereits eine schnell wachsende Branche, wobei einige Studien schätzen, dass der Markt von 63,5 Milliarden US-Dollar im Jahr 2016 auf 73,8 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 wachsen wird. Das am schnellsten wachsende Segment der Leiterplattenindustrie ist jedochFlexible Leiterplatten – voraussichtlich Wachstum auf 15,2 Milliarden US-Dollar bis 2020 und 27 Milliarden US-Dollar bis 2022.
Zwischen tragbarer Elektronik, flexiblen Displays und medizinischen Anwendungen treibt die flexible Technologie die Branche zunehmend in Richtung flexibler und starr-flexibler Leiterplatten. Die flexible Leiterplattentechnologie übertrifft bereits das Wachstum der Verkaufszahlen von starren Leiterplatten, was auf eine vielversprechende Zukunft hindeutet.
Warum sind flexible Leiterplatten also so beliebt? Aufgrund ihrer Flexibilität können flexible Leiterplatten mehr Belastung und Biegung aushalten als starre Leiterplatten und können sogar gefaltet werden, um in schwierige 3D-Räume zu passen, was sie für Anwendungen nützlich macht, bei denen Biegungen regelmäßig auftreten. Sie sind außerdem in der Regel sehr leicht und dünn, bleiben jedoch relativ einfach in großen Mengen herzustellen.
Mehrere Branchen treiben den Trend zu flexiblen Leiterplatten voran, darunter:
•LED-Beleuchtung: LED-Beleuchtung ist als helle und dennoch energieeffiziente Alternative zu herkömmlichen Glühlampen äußerst beliebt. Bei LED-Streifenbeleuchtung ist Flexibilität entlang des Streifens entscheidend, damit Kunden den Streifen nach ihren Bedürfnissen biegen können. Flexible Leiterplatten ermöglichen diese notwendige Funktionalität.
•Tragbare Technologie: Heute werden tragbare elektronische Geräte immer beliebter, und der weltweite Markt wird bis 2020 voraussichtlich 30,6 Milliarden US-Dollar erreichen. Diese Elektronik wird häufig in Kleidung und flexible Accessoires wie smarte Socken, Gürtel und Armbänder integriert. Sogar einige Sporthelme enthalten mittlerweile Sensoren, die mit Leiterplatten (PCBs) Stöße und Geschwindigkeit überwachen. Flexible Leiterplatten sind für diese Anwendungen notwendig, sowohl wegen der Flexibilität als auch zur Bewältigung von Stößen und Vibrationen.
•Flexible Displays: Flexible Displays stehen seit Jahren im Fokus, sind jedoch immer noch relativ selten zu finden und werden aufgrund der hohen Herstellungskosten noch nicht allgemein verwendet. Sobald diese Produktionskosten jedoch sinken, werden flexible Geräte voraussichtlich der nächste große Trend in der mobilen Technologie sein. Da sie Stöße und Belastungen besser verkraften als herkömmliche starre Designs, werden flexible Displays wahrscheinlich zu flexiblen Smartphones und Tablets führen. Dies wird vermutlich erfordern, dass auch alle anderen Komponenten im Gerät biegsam sind, einschließlich der Leiterplatten (PCBs).
•Medizinische Instrumentierung: Die Innovationen im Bereich der Medizintechnik haben sich bisher hauptsächlich auf zwei Technologietrends konzentriert: Miniaturisierung und Flexibilität. Flexible Leiterplatten ermöglichen es Entwicklern medizinischer Geräte, beides zu erreichen, indem sie kompakte Schaltungen auf einem flexiblen Substrat erlauben. Flexible Leiterplatten werden auch wegen ihrer Zuverlässigkeit und Biokompatibilität bevorzugt, da ihre Verbindungen konsistent sind und ihre Substrate für den Kontakt mit menschlichem Gewebe geeignet sind. Aus diesen Gründen sind flexible Leiterplatten zu einem festen Bestandteil vieler medizinischer Geräte geworden und werden in chirurgischen Instrumenten, implantierbaren medizinischen Geräten, Monitoren und Sensoren eingesetzt.
Aufgrund ihrer buchstäblichen und übertragenen Flexibilität haben flexible Leiterplatten zahlreiche Anwendungen in der Industrie gefunden und sind daher ein sehr gefragtes Produkt. Wenn sich dieser Trend fortsetzt, können Fachleute in der Leiterplattenindustrie damit rechnen, dass in naher Zukunft noch viele weitere flexible Leiterplattendesigns nachgefragt werden.
6. Biologisch abbaubare Leiterplatten (PCBs)
Elektronischer Abfall, auch bekannt als E-Schrott, ist eines der größten Umweltprobleme der modernen Zeit. Diese Art von Abfall umfasst elektronische Geräte wie Computer, Laptops, Fernseher, Smartphones und Haushaltsgeräte, von denen viele Teile enthalten, die weder biologisch abbaubar noch umweltfreundlich sind. Obwohl das Recycling von Elektronik in den letzten Jahren an Beliebtheit gewonnen hat, bleibt E-Schrott weiterhin ein Problem, da die Menschen nach Möglichkeiten suchen, alte Elektronik loszuwerden.
Leiterplatten (PCBs) sind ein großer Teil dieses Problems. Einige PCB-Materialien zersetzen sich nur sehr schlecht und landen häufig auf Deponien, wo sie den umliegenden Boden verschmutzen. Dieses Problem wird dadurch verschärft, dass die während des PCB-Herstellungsprozesses verwendeten Chemikalien oft schädlich für die Umwelt sind, wenn sie nicht ordnungsgemäß entsorgt werden.
Angesichts der Anzahl an Elektronikgeräten, die ein durchschnittlicher Verbraucher im Laufe eines Jahrzehnts nutzt, sowie des Branchentrends zu kurzlebigen Elektroprodukten, bedeutet dies, dass viele entsorgte Leiterplatten der Umwelt schaden können.
Es gibt viele vorgeschlagene Lösungen für dieses Problem, von massenhafter Entsorgung bis hin zu organisierten Sammeldiensten für Elektroschrott. Einige Akteure unterstützen sogar die Idee, Edelmetalle wie Palladium, Silber, Gold, Gallium und Tantal aus Elektroschrott zu gewinnen, um sie durch Schmelzen und Raffinieren wiederzuverwenden. Dies würde wiederum den Druck auf Bergbauunternehmen verringern, große Mengen an Metallen für die Elektronikindustrie zu produzieren.
Wenn es speziell um Leiterplatten (PCBs) geht, schlagen einige Wissenschaftler vor, das Verschmutzungsproblem anzugehen, indem die Herstellungsprozesse für PCBs verändert werden. Dies würde bedeuten, herkömmliche Substrate durch umweltfreundlichere Alternativen zu ersetzen. Biologisch abbaubare Substrate werden derzeit genau untersucht, ebenso wie Alternativen, die keine schädlichen Ätzchemikalien für den Abschluss des Montageprozesses erfordern.
Beides würde dazu beitragen, die Umweltbelastung der Elektronikindustrie insgesamt zu verringern und könnte potenziell dazu beitragen, die Montage- und Herstellungskosten zu senken.
Weitere zukünftige Entwicklungen in der Leiterplattenindustrie
Die oben aufgeführten Verbesserungen und Innovationen in der Leiterplattenindustrie stehen nicht für sich allein. Viele weitere potenzielle Innovationen liegen nur knapp jenseits des technologischen Horizonts.
Eine dieser Entwicklungen ist die Idee, Leiterplatten (PCBs) als aktive Systemkomponenten zu nutzen. Derzeit werden Leiterplatten als Verbindungskomponenten in der Elektronik verwendet, die Nachrichten zwischen aktiven Komponenten weiterleiten, damit das Gerät als Ganzes funktionieren kann. Ingenieure arbeiten derzeit daran, die Leiterplatten selbst zu aktiven Systemen zu machen, wodurch die Anzahl der Komponenten auf der Leiterplatte reduziert wird, während die Funktionalität erhalten bleibt.
Weitere Fortschritte betreffen die Interaktion zwischen diesen Innovationen. Zum Beispiel erweitert die 3D-PE-Fertigung die Arten von Materialien, die für Schaltungen verwendet werden können. Dadurch wird der Einsatz flexibler und biologisch abbaubarer Substratmaterialien praktikabler. Durch die Kombination dieser innovativen Ideen können PCB-Designer beeindruckende neue Designs realisieren, die die Leiterplattenindustrie weiter voranbringen.
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