Technische Herausforderungen im Elektronikmarkt

Das Ziel ist eindeutig: mehr Funktionen auf kleinerem Raum. Dies stellt eine Herausforderung dar, die die Technologie stetig an ihre Grenzen bringt. Was ist entscheidend, um diese Grenzen zu überwinden?

Technische Herausforderungen

Mit jeder neuen Generation müssen elektronische Geräte mehr Funktionen auf kleinerem Raum unterbringen. Die Entwicklungsziele bestehen darin, das Gewicht und die Größe von Geräten zu reduzieren, die Zuverlässigkeit zu erhöhen und den neuen gesetzlichen Vorschriften zu entsprechen.

Zur Überwindung technischer Designgrenzen ist nicht nur eine stetige und ganzheitliche Optimierung von Materialien und deren Zusammenspiel erforderlich, vielmehr müssen auch Prozesse und Verfahren angepasst werden. Gelingt dies nur teilweise, entstehen neue Herausforderungen und Engpässe an anderer Stelle. Um diese zu verhindern, muss schon viel früher im Prozess angesetzt werden. Es erfordert fachübergreifende Teamarbeit, eine bessere Integration von Materialien und Systemen sowie eine stärkere Zusammenarbeit zwischen Kunden und Lieferanten.

Elektronische Bauteile bestehen aus vielen Materialien: Substraten, Konnektoren, aktiven und passiven Komponenten, Loten, Klebstoffen, Bonddrähten, Isolations- und Abformmaterialien sowie Gehäusen. Einzeln ist jedes Material leicht zu handhaben und zu kontrollieren. Doch in Kombination entstehen Wechselwirkungen, die die Komplexität erhöhen.

Die größte Herausforderung stellen die Übergänge zwischen den Materialien dar – insbesondere wenn Materialien von verschiedenen Lieferanten verwendet werden. Ist ein Problem mit Lieferant A gelöst, führt dies häufig zu neuen Herausforderungen mit Material von Lieferant B. Am Ende steht oft ein Kompromiss anstelle einer optimierten Komplettlösung aus einer Hand.

Viele technische Herausforderungen können durch perfekt aufeinander abgestimmte Materialien von einem Lieferanten gelöst werden.

Thermomanagement

Thermomanagement

Mehr Funktionalität auf kleinerem Raum führt zu erhöhter Leistungsdichte. Die Wärme, die durch Energieverluste erzeugt wird, muss abgeleitet werden. Um Auswirkungen auf die Lebensdauer des Endgeräts oder eine Beschädigung zu verhindern, ist effizientes Temperaturmanagement von großer Bedeutung. Dabei ist die Wärmeleitfähigkeit einzelner Materialien bekannt, während der thermische Widerstand zwischen den verschiedenen Materialien anwendungsspezifisch und prozesstechnisch variiert.

Hier haben aufeinander abgestimmte Materialsysteme von einem einzigen Lieferanten große Vorteile. Zum einen kann das Entwicklungsteam mit den Spezifikationen des Gesamtsystems arbeiten. Zum anderen ist das System leistungsfähiger, da der Lieferant sowohl die Einzelmaterialien als auch das Materialsystem optimiert. Die dadurch gewonnene Zeit kann der Kunde für andere wichtige Entwicklungstätigkeiten nutzen.

Miniaturisierung und Gewichtsreduktion

Miniaturisierung

Kleinere Komponenten benötigen weniger Material. Das spart Kosten, insbesondere im Bereich Edelmetall. Dies ist jedoch nur einer von vielen Treibern für Miniaturisierung.

Ein Beispiel für aktuelle Technologien, die eine höhere Integrationsdichte erlauben, ist die Dickfilmtechnik. Diese ermöglicht feinste Leiterstrukturen auf robuster Keramik, Metallsubstraten oder organischen Schichten.

In anderen Fällen kann die Veränderung von Herstellungsverfahren der Schlüssel für mehr Funktionalität auf kleinerem Raum sein. Ein Beispiel hierfür wäre der Umstieg vom Drahtbonden auf die Flip-Chip-Technologie.

Natürlich sind kleinere Geräte in den meisten Fällen auch leichter. Doch beim Gesamtgewicht spielt auch die Materialauswahl eine Rolle.

Ständige Innovationen sind deshalb gefragt. Doch um neue Materialien und Kombinationen zu entwickeln, sind ausreichend diversifizierte Material- und Prozesserfahrungen notwendig.

Gesetzliche Vorschriften und die Forderung nach Zuverlässigkeit

Zuverlässigkeit

Elektronische Geräte und damit auch deren Komponenten müssen langlebig sein. Das bedeutet in manchen Branchen bis zu 50 Jahre Einsatzdauer. Natürlich ist es nicht leicht, solche langen Zeiträume in der Entwicklung zu simulieren, insbesondere unter realistischen Betriebsbedingungen. Alterungs- und Degradationsmechanismen müssen bereits bei der Konstruktion einer Komponente berücksichtigt werden, um sie gegenüber thermo-mechanischer Beanspruchung und widrigen Umgebungsbedingungen möglichst unempfindlich zu machen. Schlüsselelemente für ein derart robustes Design sind die Minimierung der Scherkräfte zwischen verschiedenen Materialien eines Systems sowie dessen Beständigkeit gegenüber chemischen Einflüssen.

Gleichzeitig gelten immer mehr gesetzliche Vorschriften, die zu Umweltschutz und Nachhaltigkeit beitragen sollen. Strenge Regelungen wie beispielsweise RoHS, ELV und REACH haben zunehmend Einfluss auf die Konstruktion von technischen Lösungen.

Man möchte dringend Materialien ersetzen, die gesetzliche Anforderungen nicht erfüllen. Alternativen bieten jedoch oft nicht die gleiche Leistung. Die Entwicklung vergleichbarer Lösungen, die gut zu verarbeiten sind und den gesetzlichen Vorschriften entsprechen, erfordern ein breites Spektrum an Material und System Know-how, sowie Erfahrung im Herstellungsprozess und mit Testverfahren.

Das Design von Materialsystemen an die Experten von Heraeus auszulagern, bringt damit einen doppelten Vorteil: eine bessere, kleinere, zuverlässigere, umweltfreundlichere und leichter zu verarbeitende Elektronikkomponente verbunden mit der Freiheit, sich zeitgleich auf andere Entwicklungsaufgaben konzentrieren zu können.

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