Beschaffungsprobleme vermeiden: Obsolescence Managment by Design

Beschaffungsprobleme vermeiden: Obsolescence Managment by Design

Foto: COG, Deutschland, Quartalsmeeting März 2019
COG Deutschland, Quartalsmeeting März 2019

Welche Maßnahmen können in der Design- und Entwicklungsphase helfen, um die zunehmenden Schwierigkeiten bei der Beschaffung elektronischer Bauteile zu reduzieren?

Auf dem ersten Quartalsmeeting des COG Deutschland e.V. am 12. März 2019 in Kassel hat GED-Geschäftsführer Hanno Platz zu dieser Frage einen Vortrag gehalten. Der Industrieverband Component Obsolescence Group Deutschland e. V. (COGD e.V.) bietet Gleichgesinnten eine Plattform zum Thema Obsolescence Management. Ziel ist es, die Folgen der Nichtverfügbarkeit von Komponenten in Produkten zu minimieren oder diesen Fall zu verhindern.

In der Elektronikbranche verschärft sich aktuell die Problematik von längeren Lieferzeiten, von knappen Verfügbarkeiten oder auch der kurzfristigen Abkündigung von Bauteilen. Dabei gibt eine ganze Reihe von neuen Technologien, die das Thema Bauteile-Obsoleszenz in den nächsten Jahren noch deutlich verschärfen. Neue Megatrends in der Elektronik benötigen erheblich mehr Bauteile durch höhere Stückzahlen, steigende Funktionalität und kürzere Lebenszyklen. Dies sind Trends wie:

  • Autonomes Fahren
  • E-Mobilität
  • Neue Energien, Smart Home
  • Robotik, Drohnen
  • Internet of Things (IoT), Industrie 4.0
  • Big Data, Künstliche Intelligenz
  • Smart-Watch, Smart-Speaker, VR-Brillen
  • Wearables
  • Smartphones
  • 5G-Mobilfunk.

Stichwort höhere Stückzahlen: Allein bei der Sprachbox Alexa wird in diesem Jahr eine Steigerung der Produktion von 100 auf 250 Millionen Stück erwartet. Auch die Elektromobilität startet jetzt mit 5,6 Millionen E-Fahrzeugen (= 64 % plus, 50 % davon China) spürbar durch, wobei die komplette Infrastruktur wie Ladestationen zu einer großen Zusatznachfrage führt. Der Bedarf an diskreten Bauteilen in den E-Autos ist erheblich. So sind im Schnitt in jedem dieser Fahrzeuge rund 3.000 MLLC-Kondensatoren verbaut, im Tesla sind es sogar 18.000 Kondensatoren pro Wagen. Auch die Mengen an diskreten Bauteilen in Handys steigen enorm. Im aktuellen iPhone 10 wurden 30-40 % mehr Bauteile eingesetzt. So sind sage und schreibe in jedem Handy etwa 1.000 MLLc und 1.200 Widerstände verbaut.

Kleine statt große Bauformen

Für Deutschland und Europa ergibt sich daraus jedoch noch eine weitere Problematik. Rund 90 % des weltweiten Bedarfs an elektronischen Bauteilen wird in Asien verarbeitet! Auf Europa entfallen nur 7-8 %. Es liegt also auf der Hand, wer den größeren Einfluss auf Verfügbarkeit und Lieferzeiten von Bauteilen hat. Das führte bereits 2018 zu Engpässen, selbst bei Widerständen und Kondensatoren. Die großen Supplier von Rs und Cs gehen vermehrt dazu über, größere Bauformen komplett aus dem Programm zu nehmen. So sind Bauteile mit Bauform 1206 und 0805 bei Murata Co. abgekündigt, selbst die Bauform 0603 wird nur in geringeren Mengen produziert. Durch den enormen Bauteilebedarf bei den Smartphones sind dort inzwischen Bauform 0201 und 01005 das, was strategisch in größter Stückzahl produziert wird. Übrigens werden auch für Standard-Industrieanwendungen die kleinen Bauformen immer unumgänglicher. Gerade bei hochpoligen FPGAs oder Microcontrollern sind viele Abblockkondensatoren möglichst nahe am jeweiligen Bauteilepin zu platzieren. Das gelingt dann nur mit Bauform 0201 oder besser noch kleiner.

Beschaffung mit Weitsicht

Das bedeutet, in der Entwicklungs- und Designphase ist es zukünftig wichtiger denn je, besondere Vorkehrungen im Hinblick auf Obsoleszenz und lange Lieferzeiten zu treffen. Natürlich wäre die erste Forderung stets, eine Second Source zu bestimmen. Das ist leider nicht immer möglich. Dagegen sind generelle Festlegungen, wie nur ein Fabrikat für Keramikkondensatoren festzuschreiben, sehr eingrenzend und gefährlich. Der Einsatz von speziellen Modulen, z. B. Powermodule, ist in der Regel auch damit verbunden, dass nur Bauteile von einem Hersteller verwendet werden können.

Aber womit fängt die Lösung des Problems dann an? Bei der Bauteile-Auswahl steht der Entwickler vor einer großen Anzahl an Optionen. Ein Beispiel: Bei einem MLLC mit 100 nF und Bauform 0402 bietet ein bekannter Distributor derzeit schon einmal 374 Möglichkeiten an. Lässt man hier dem Entwickler in der Entscheidung freie Hand, entstehen schnell unnötige Einschränkungen. Deshalb empfiehlt sich bei der Beschaffung und Festlegung neuer Bauteile eine klare strategische Vorgabe oder eine Prüfung durch entsprechende Abstimmung und Zusammenarbeit mit der Einkaufsabteilung. Bei der ausgelagerten Fertigung über EMS-Dienstleister ist es wichtig, deren Lager zu berücksichtigen und/oder zu kennzeichnen, welche Bauteile nicht auf einen Typen oder Hersteller festgelegt sind. Ausgewählte Bauteile sollten eindeutig identifizierbar sein. Neben der Festlegung des elektrischen Werts und der Bauform des Bauteils sind auch Angaben über die Spannungs- und Toleranzklasse relevant.

 

Obsolescence by design: Maßnahmen im Leiterplattendesign – große Bauteile
Maßnahmen im Leiterplattendesign – große Bauteile

 

 

Welche Vorgehensweise ist sinnvoll und welche Angaben sollte die Stückliste/BOM enthalten?

A. Gezielte Auswahl neuer Bauteile:

  • Analyse zur Produktdefinition in der Vorprüfung (PDR), Critical Design Review (CDR) etc.
  • Klassifizierung der eindeutigen, zweideutigen und fehlerhaften Teileidentifikationen/-beschreibungen
  • Identifizierung der Ursachen für unzureichende Bauteilebeschreibungen
  • Alternative Bauteile, Second Source

B. Minimal Angaben für eine exakte Bauteile-Identifikation:

  • Name und/oder Beschreibung
  • Teilenummer(n) aus dem OEM(s)/OCM(s)
  • Namen der OEM(s)/OCM(s)
  • Hersteller-Code (CAGE = Commercial-and-Government-Entity-Code)
  • NSN-/NATO-Nummer (National Stock Number oder NATO Stock Number)
  • Anzahl der benötigten Teile pro Baugruppe

C. Darüber hinaus sollte man folgende Punkte generell berücksichtigen:

  • Verfügbarkeit der ausgewählten Bauteile prüfen, insbesondere bei neuen Typen
  • Abkündigungen und „End of Life“ (EOL) und „Part Change Notification“ (PCN) prüfen
  • Immer A-Bauteile wie Controller, Speicher, Stecker, Display usw. auf Lieferzeiten prüfen
  • Auch C-Bauteile frühzeitig auf Lieferfähigkeit prüfen
  • Frühe Abstimmung mit dem Baugruppenfertiger, BOM-Analyse
  • Materialbeschaffung für Serienstart früher planen und Material früher bestellen
  • Regelmäßige Überwachung der Materialien

Obsolescence by design: Möglichkeiten im Entwurfsprozess – zur Not Piggyback Board
Möglichkeiten im Entwurfsprozess – zur Not Piggyback Board, mit Ersatzschaltung

 

Kurz gesagt, es empfiehlt sich, weitsichtig zu denken und zu planen:

  1. Ersatztypen festlegen, Second Source in die BOM aufnehmen.
  2. Bei kritischen Bauteilen alternative Gehäuseformen im Layout vorsehen.
  3. Frühzeitige Serienplanung und Materialbeschaffung, ggf. Lagermenge anlegen.
  4. Vorsicht bei Bauteilen wie Displays, MEMS Mikro, Powermodule usw., Material optional selbst bevorraten.
  5. Ggf. „alternative shapes“ für kritische Bauteile vorsehen.
  6. Je größer die Serie, desto wichtiger ist eine frühzeitige Planung.
  7. Bei Ersatzbeschaffung über Broker oder Refurbished-Anbietern ist Vorsicht geboten.

GED verfügt aus mehr als 30 Jahren Erfahrung in Entwicklung und Design über Designstrategien, die bestimmte Risiken deutlich minimieren können. Beispiele werden in einer der nächsten Ausgaben des Newsletters gezeigt.

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Herausforderung 3D-Leiterplatten mit Embedded Components

Herausforderung 3D-Leiterplatten mit Embedded Components

Zahllose Anwendungen erfordern eine hohe Integration und Packungsdichte auf der Leiterplatte. Die Bauteilehersteller haben darauf mit immer kleineren Bauteilbauformen und kleineren Pitchmaßen der Anschlüsse reagiert. Aber gerade in der Sensorik reicht auch das oft nicht mehr aus, die Bauteile auf beiden äußeren Lagen zu bestücken. Die Lösung heißt „3D-Embedded Components“. Mit dieser neuen Technologie gibt es die Möglichkeit, sowohl passive als auch aktive Bauteile direkt in die Leiterplatte hinein zu integrieren.

Einsatzgebiete, Vorteile und Herausforderungen

3D-Embedded-Components-Leiterplatten spielen bei hochintegrierten Bauteilen und Modulen sowie bei der funktionalen Integration eine große Rolle: Diese Leiterplatten werden in den verschiedensten Bereichen eingesetzt, wie µC-Module, Sensorik, Powermodule (MOSFET, IGBT) und LED-Anwendungen. Die 3D-Embedded-Components-Leiterplatten bieten dafür eine ganze Reihe von Vorteilen:

  • höhere Packungsdichte, reduzierte Leiterplattengröße,
  • verkürzte Signalwege,
  • Isolation für Hochspannungen (Luft- und Kriechstrecken),
  • Schutz der Bauteile vor Umwelteinflüssen,
  • Bessere Entwärmung, z. B. bei Leistungsbauteilen (MOSFET),
  • integrierte Schirmung, EMV-Schirmung,
  • Integration von Spulen, Antennen etc.
  • Plagiatsschutz.

So entstand auf Basis der Embedded-Components-Technologie in den letzten Jahren eine Vielzahl von miniaturisierten Bauteilen, u.a. auch für Massenanwendungen wie MEMS-Mikrofone oder Leiterplatten in Smartphones.

Freilich gilt auch: Beim Design sind einige Anforderungen und Regeln zu beachten, wenn eine zuverlässige und kostenoptimale Lösung erreicht werden soll. Auch die Frage, welche CAD-Systeme welche Technologievarianten unterstützen, ist vorher zu klären. Nur mit der richtigen Designstrategie und einiger Erfahrung lassen sich sehr interessante, passgenaue Lösungen realisieren!

Unterschiedliche Aufbau-Technologien

Grundsätzlich werden drei verschiedene Verfahren verwendet, um Innenlagen für Bauteile zu nutzen:

1) 3D-Embedded Flip-Chip-Technologie:

Die Anschlusspads benötigen eine Goldschicht und werden mit einem Leitkleber auf einen strukturierten Leiterplattenkern geklebt. Der bestückte Kern wird anschließend zu einem Multilayer verpresst und es folgen die weiteren Leiterplattenprozesse. Verwendet werden nahezu ausschließlich ungehäuste ICs (bare die). Die Beschaffung der Bauteile, insbesondere in geringen Stückzahlen, muss frühzeitig geklärt werden.

 

 

 

 

 

 

2) 3D-Embedded µVia-Technologie:

Die Bauteile werden bei diesem Verfahren bestückt und anschließend zu einem Multilayer verpresst. Die Verbindung zum Bauteil erfolgt über Sacklochbohrungen in Form von µVias, die direkt auf dem Bauteilpad durch galvanische Ankontaktierung hergestellt werden. Voraussetzung dafür ist, dass die Oberflächen der Bauteileanschlüsse eine Kupferterminierung aufweisen. Die

Beschaffung von geeigneten Bauteilen ist eingeschränkt bzw. schwierig.

 

 

 

 

 

 

3) 3D-Embedded-Solder-Technologie:

Auf einen strukturierten Leiterplattenkern werden Standard-SMD-Bauteile im Reflow-Verfahren (bleifrei) aufgelötet. Dieser Kern wird dann zu einem Multilayer verpresst. Da Standard-SMD-Bauteile verwendet werden, ist die Auswahl an geeigneten Bauteilen entsprechend hoch.

Dennoch bestehen folgende Einschränkungen:

  • Die Bauteile müssen zusätzlich die thermische Belastung der Leiterplattenfertigung aushalten (erhöhter Temperaturbereich empfohlen).
  • Die maximale Bauteilhöhe ist abhängig vom Lagenaufbau.
  • keine Bauteile mit Flüssigkeiten (Elektrolyte), z. B. Elkos
  • keine Bauteile mit Luft im Bauteil, z. B. Quarze
  • keine Bauteile, die von außen zugänglich sein müssen, z. B. Steckverbinder, Schalter, Taster u. a.
  • keine Bauteile, die einen Zugang zur Umwelt benötigen, z. B. Sensoren

Funktionstest erforderlich

Bild 4: Bauteile in der Innenlage (teilbestückt)
Bild 4: Bauteile in der Innenlage (teilbestückt)

Weil ein Zugriff auf die „vergrabenen“ Bauteile nicht mehr möglich ist, sollte die Schaltung auf jeden Fall ausreichend getestet sein. Es besteht keine Reparaturmöglichkeit für die innenliegenden Komponenten, weshalb entsprechende Testkonzepte entwickelt werden müssen. Dazu stehen unterschiedliche Testverfahren zur Verfügung, die zum Teil aber von der Schaltungstechnik selbst abhängig sind.

Zum Lagenaufbau

Grundsätzlich wird der Lagenaufbau – wie bei einer konventionellen Leiterplatte – bestimmt von der Komplexität der Schaltung, der Auswahl der Bauteile (Finepitch, BGA) und den Anforderungen bezüglich EMV und Signalintegrität.

Beim Einbetten von Bauteilen kommt das Kriterium der maximalen Bauteilhöhe hinzu. Die größte Höhe der einzubettenden Bauteile wird durch die Höhe der isolierenden Kavität in der Leiterplatte festgelegt. Daher ist hier eine sehr genaue Abstimmung mit dem Leiterplattenhersteller und der Baugruppenfertigung unumgänglich.

Bild 5: Zuordnen der Bauteilebene
Bild 5: Zuordnen der Bauteilebene
Bild 6: Lagenaufbau im CAD-System Altium Designer
Bild 6: Lagenaufbau im CAD-System Altium Designer

Das Fazit

Das Einbetten von Bauteilen ist eine ausgezeichnete Möglichkeit zur Miniaturisierung von Baugruppen und zum Schutz vor Plagiaten. Bei der Solder-Technologie werden mit der SMD-Bestückung und dem bleifreien Reflow-Löten zwei etablierte Verfahren für das Bestücken der Innenlage verwendet. Für die Auswahl der geeigneten Technologie sind entsprechende Erfahrungen und Marktkenntnisse erforderlich. Hinzu kommen eine vorausschauende Planung und eine enge Abklärung mit der Produktion, weil die Realisierung der anvisierten Leiterplatte eben auch von den Möglichkeiten beim Leiterplattenhersteller abhängig ist.

 

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Bild 2: Reduzierung LP-Fläche/Verkürzung der Signalwege
Bild 2: Reduzierung LP-Fläche/Verkürzung der Signalwege

 

 

Bild 3: Neue HF-Lösungen wie die Phased array antenna
Bild 3: Neue HF-Lösungen wie die Phased array antenna