Obwody drukowane dla elektroniki

Rosnące wymagania odnośnie do gęstości mocy, ciągły rozwój systemów mobilnych i postępujące upowszechnienie różnych sposobów komunikacji to tylko niektóre z czynników wpływających na zmianę trendów i wymagań dla rynku płytek PCB. Branża projektowania i produkcji obwodów drukowanych podlega nieustannej zmianie i ewolucji w reakcji na rosnące oczekiwania użytkowników PCB. Zmiany te w znacznej części kształtowane są przez opracowywanie nowych technologii produkcji, jak również czynniki rynkowe, jak np. ograniczenia w wydobyciu i dostawach surowców.

Urządzenia elektryczne oraz elektroniczne znajdują zastosowanie w coraz nowych dziedzinach, co przekłada się na stawianie płytkom PCB dodatkowych wymagań, dotyczących m.in. ich rozmiaru, niezawodności, wytrzymałości czy efektywności termicznej. Wysoka dynamika i szybki rozwój branży utrudniają przewidywanie przyszłych trendów w elektronice oraz dziedzinach jej pokrewnych, z dużym prawdopodobieństwem wytypować można jednak kilka tendencji mających duży wpływ na przyszły kształt procesu projektowania i produkcji obwodów drukowanych.

Najważniejsze cechy oferty brane pod uwagę przy wyborze dostawcy PCB

 

Dzisiaj w obwodach drukowanych liczy się jakość i niezawodność, a w minimalnie mniejszym stopniu termin wykonania. Cena jest dopiero na trzecim miejscu w rankingu kryteriów selekcji ofert i jest to w branży PCB spora zmiana. We wszystkich naszych poprzednich badaniach wykonywanych mniej więcej co trzy lata cena zawsze była na pierwszej pozycji i jej przewaga była wyraźnie zarysowana. Wynika to zapewne z tego, że dysproporcje cen między ofertą rynku krajowego a produktami importowanymi się wyrównały, mamy na rynku trudności z zaopatrzeniem w podzespoły elektroniczne, przez co wiele projektów czeka w kolejce na moment, kiedy się je uda kupić. Planowanie działań produkcyjnych jest trudniejsze, serie produkcyjne są mniejsze, rośnie też liczba zadań nazywanych potocznie projektami, a więc takich, gdzie urządzenie tworzy się na zamówienie pod określoną specyfikację. W efekcie wiele firm kupuje płytki na bieżąco, a nie na zapas i znaczenie terminu wykonania się uwypukla.

PCB DUŻEJ MOCY

Od pewnego czasu zaobserwować można rosnące zapotrzebowanie na obwody drukowane zawierające urządzenia oraz sygnały dużej mocy, o napięciach rzędu kilkudziesięciu czy kilkaset woltów. Częściowo jest to związane z rozwojem rynku pojazdów autonomicznych oraz odnawialnych źródeł energii. Nominalne napięcie na zaciskach zespołu akumulatorów autonomicznego samochodu wynosi typowo od 400 do 800 V – wyższe napięcie pozwala na transfer tej samej ilości energii przy mniejszych stratach przesyłu (ten sam fakt wykorzystuje się w liniach transmisyjnych sieci energetycznej). Kolejnym z powodów zwiększania możliwości mocowych płytek PCB jest chęć rozmieszczenia na nich większej liczby komponentów.

Zwiększanie mocy znacząco utrudniane jest przez inny powszechny trend, czyli miniaturyzację obwodów drukowanych, wymuszaną często przez oczekiwania użytkowników lub specyfikę urządzenia. Obwody dużej mocy wytwarzają zaś wielkie ilości ciepła, które musi zostać w bezpieczny sposób odprowadzone z układu. To z kolei wymusza staranną optymalizację obwodu pod względem termicznym, bardzo często wymagającą korzystania z zaawansowanych narzędzi symulacyjnych oraz stosowania dodatkowych systemów chłodzenia.

Główne problemy rynku PCB

 

W rankingu największych problemów trapiących rynek obwodów drukowanych w Polsce dwie kategorie wyraźnie wybiły się ponad całą resztę – płytki importowane z Chin które stanowią silną konkurencję cenową i technologiczną oraz rosnące koszty produkcji, w tym ceny materiałów. Nie są to żadne nowe wiadomości, bo te problemy to znak ostatniej dekady. W ostatnich latach zdrożał znacząco laminat, a dodatkowo jego import nie wiadomo czemu jest obłożony 5-procentowym cłem, co niestety podrożyło produkcję i podniosło ceny. Z pewnością jest to spory problem dla krajowych producentów i wykres trafnie oddaje sytuację na rynku. Na trzeciej pozycji odnotowano fakt, że branża PCB obejmuje w Polsce relatywnie dużo firm, co tworzy silną konkurencję, niemniej słupek jest dwukrotnie mniejszy, co można odczytywać tak, że z konkurencją krajową daje się żyć.

PCB DLA IOT

Niemal każda gałąź przemysłu w jakiś sposób adaptuje się do wymagań i możliwości dostarczanych przez koncepcję Internetu Rzeczy (IoT, Internet of Things), przy czym produkcja obwodów drukowanych nie jest tutaj wyjątkiem.

Urządzenia IoT charakteryzują się dużą funkcjonalnością przy jednoczesnych niewielkich rozmiarach. Silnie wpływa to na sposób projektowania przeznaczonych dla nich płytek PCB, gdyż nierzadko konieczne jest operowanie na granicy oferowanych przez producentów możliwości technologicznych. Dotyczy to m.in. zagadnień związanych z komunikacją (w tym techniką antenową), przetwarzaniem sygnałów wysokiej częstotliwości, bezpieczeństwem, to wszystko zaś próbuje się rozwiązać w sposób możliwie najbardziej energooszczędny. Bezpieczeństwo oznacza przy tym zarówno komfort użytkownika (szczególnie w przypadku elektroniki noszonej), ale też poufność transmitowanych danych.

Obwody drukowane dla systemów IoT muszą też zazwyczaj spełniać określone standardy i zalecenia definiowane przez instytucje certyfikujące tego typu produkty. Dotyczą one m.in. wymagań odnośnie do kompatybilności elektromagnetycznej oraz wspomnianego bezpieczeństwa.

WZROST POPULARNOŚCI ELASTYCZNYCH PCB

Od pewnego czasu zaobserwować można postępujący wzrost popularności zarówno elastycznych (flex), jak i sztywno-elastycznych (rigid-flex) obwodów drukowanych. Choć nie jest to całkowicie nowa technologia (jej początki datuje się na lata 60. XX wieku, w związku z programem lotów kosmicznych), przez wiele lat nie udało się jej uzyskać znaczącej popularności.

Obecny wzrost zainteresowania zawdzięcza m.in. postępującej miniaturyzacji oraz dynamicznemu rozwojowi rynku urządzeń mobilnych i IoT. Rozwiązania elastyczne pozwalają znacząco ułatwić konstruowanie niewielkich oraz lekkich urządzeń o często nietypowych kształtach. Elastyczne obwody drukowane są ponadto bardziej odporne na wysokie temperatury, wstrząsy oraz wibracje od ich klasycznych odpowiedników.

Oczekiwania klientów w zakresie technologii

 

W zestawieniu najważniejszych oczekiwań klientów w zakresie obwodów drukowanych na pierwszym miejscu znalazło się 100-procentowe testowanie połączeń, a więc usługa kontrolna dająca pewność, że płytka będzie miała wszystkie połączenia poprawne. Jest to bardzo ważny element zapewnienia jakości, tak samo jak zlokalizowana na trzeciej pozycji wysoka powtarzalność obwodów. Z kolei szybkie prototypowanie zawsze było w czołówce takich zestawień, bo elektronikom stale się spieszy, a prototyp to kamień milowy prac konstrukcyjnych. Wysoka pozycja na wykresie płytek wielowarstwowych, na laminatach MPCB, HDI i sztywno-giętkich to doskonała wiadomość, bo jest to pośredni dowód na to, że krajowa elektronika idzie w kierunku zaawansowania technicznego.

Płytki sztywno-elastyczne stanowią połączenie tradycyjnych sztywnych płytek oraz obwodów umieszczonych na podłożu elastycznym. Tego typu rozwiązanie stosuje się zazwyczaj jako alternatywę pozwalającą wyeliminować złącza i przewody łączące poszczególne płytki oraz zwiększyć gęstość upakowania modułów w obudowie urządzenia, co przekłada się na jego mniejsze rozmiary oraz masę. Na podłożu elastycznym, oprócz prowadzenia ścieżek, dopuszczalne jest również rozmieszczanie komponentów, choć wymaga to dużej ostrożności w wyborze lokalizacji.

Obie z wymienionych technologii znaleźć można w ofercie coraz większej grupy krajowych wytwórni płytek, maleje również koszt takich rozwiązań – przykładowo, dla większych serii rozwiązania sztywno-elastyczne mogą być czasami nawet bardziej opłacalne od tradycyjnych płytek, łączonych za pomocą przewodów oraz złączy, głównie z powodu uproszczenia etapu montażu oraz skrócenia łańcucha dostaw. Konstrukcje te wciąż pozostają jednak produktami znacznie bardziej złożonymi od klasycznych PCB, ich prawidłowe wykonanie wymaga zatem ścisłej współpracy pomiędzy projektantem a zakładem produkcyjnym.

ŚCISŁA KONTROLA ŁAŃCUCHA DOSTAW

Cyberbezpieczeństwo jest obecnie bardzo popularnym terminem, wielokrotnie powtarzanym w przekazach medialnych oraz oficjalnych wystąpieniach. Stanowi ono jednak wyzwanie nie tylko dla producentów oprogramowania, ale również projektantów i konstruktorów sprzętu. Jednym z wciąż narastających problemów jest możliwość przeprowadzania ataków na systemy i elementy infrastruktury o krytycznym znaczeniu poprzez odpowiednio zmodyfikowane podzespoły elektroniczne. Rewolucja cyfrowa wprowadza urządzenia elektroniczne do coraz to nowych obszarów życia społecznego i gospodarczego, wszystkie z nich wymagają zaś obwodów drukowanych wraz z umieszczonymi na nich komponentami.

Dalszy rozwój tej sytuacji nie jest możliwy do zatrzymania, zaś wraz z nim pojawiać się będzie coraz więcej możliwości wykonywania ataków wymierzonych w bezpieczeństwo sieci, urządzeń oraz ich użytkowników. Rynek producentów elektroniki będzie zmuszony do ściślejszej kontroli łańcucha dostaw, ze szczególnym wzmocnieniem nadzoru nad zewnętrznymi dostawcami komponentów. Na pewno konieczne będzie opracowanie rozwiązań oraz procedur pozwalających na testowanie nowych urządzeń pod kątem obecności podrobionych lub niebezpiecznych podzespołów.

MONTAŻ, PCB I PODZESPOŁY

Bliskie relacje kupujących płytki drukowane z dostawcami obwodów drukowanych pogłębia coraz szerszy zakres usług, a więc głównie montaż pakietów. Możliwość zamówienia w jednej firmie całego urządzenia w ramach kompleksowej usługi produkcyjnej z roku na rok jest coraz bardziej oczekiwana na rynku i popularna. Powodów jest wiele: wygoda, niższe koszty, jeden dostawca, który odpowiada za całość produkcji oraz wiele innych problemów kadrowych, organizacyjnych, kłopoty z zaopatrzeniem, a także często skala działania na tyle niewielka, aby inwestycje w park maszynowy były uzasadnione. W efekcie takich procesów firmy zajmujące się montażem zapewniają klientom obwody drukowane, a wielu producentów płytek rozszerza ofertę o montaż. Wszyscy razem dają możliwość zajęcia się kupnem elementów elektronicznych.

Usługi kompleksowe w zakresie produkcji pakietów elektronicznych (czyli płytek z elementami) są już dostępne u wielu producentów obwodów drukowanych. Można też wskazać przypadki, gdzie montaż okazał się na tyle atrakcyjny, że produkcja płytek została zakończona, jak również takie, gdzie producenci nie chcą rozwijać działalności montażowej z uwagi na to, aby nie stać się konkurencją dla swoich klientów, a więc przecież także firm EMS. Procesy te są za każdym razem oddzielnym studium przypadku i nie ma uniwersalnej reguły, która by je opisywała.

Płytki drukowane z Azji a rynek krajowy

 

Ponieważ płytki importowane z Azji są dyżurnym tematem w krajowej branży PCB, za każdym razem przy okazji omawiania tego sektora prosimy specjalistów o ocenę ich potencjału i wpływu na rynek. Jak widać z wykresu, nie zanosi się w najbliższym czasie, aby proces ekspansji obwodów importowanych wyhamowywał. Blisko 80% pytanych uważa, że importowane płytki cały czas rozpychają się na rynku krajowym. W analogicznym badaniu, wykonanym trzy lata temu, wartości procentowe wyniosły odpowiednio 66% i 31%, co oznacza, że mimo istnienia wielu przesłanek, na razie nie widać stabilizacji.

WIĘCEJ KOMPETENCJI TO BARDZIEJ ZŁOŻONE PCB

Dla rynku PCB montaż podzespołów z pewnością wydaje się najbliższy tematycznie rozwojowi, ale wzrostu kompetencji można poszukiwać także w drugim kierunku, a więc w stronę usług projektowania elektroniki. Ten sposób rozwoju jest jeszcze stosunkowo słabo zarysowany, mało popularne jest też wspólne działanie przedsiębiorstw z różnych obszarów aktywności w formie klastra. W zasadzie można wymienić tylko jeden przykład, który tym samym staje się w kraju wyjątkiem.

Popyt na usługi projektowania i wsparcie inżynierskie produkcji elektroniki będzie coraz większy, bo elektronika szybko się komplikuje. Dzisiaj płytki wielowarstwowe nie są już wyjątkiem i fanaberią projektanta, któremu nie chce się męczyć z prowadzeniem ścieżek po dwóch stronach. Ich ceny też przestały być zaporowe. Przyjmując 100% jako punkt odniesienia dla obwodu dwustronnego, płytka 4-warstwowa kosztuje ok. 170%, a 6-warstwowa 280%. Oznacza to, że koszt realizacji układu na płytkach 4-warstwowych nie odbiega wiele od wersji 2-warstwowej, bo taka płytka może być mniejsza. Podobnie będzie niedługo z obwodami na materiałach elastycznych i wersjami sztywno-giętkimi.

Specjaliści sygnalizowali nam w ankietach, że wzrasta liczba realizowanych w kraju projektów o wysokim stopniu skomplikowania i na nietypowych laminatach (Isola, Rogers), co pewnie jest jakimś pokłosiem wzrostu liczby firm z branży kosmicznej. 2018 rok przyniósł też zwiększający się popyt w Polsce na obwody HDI i na materiały elastyczne.

Ten popyt na pewno jest symptomatyczny. Wskazuje to, że Polska zbliża się do światowych trendów w produkcji elektroniki, oferując ten sam lub wyższy poziom obsługi produkcji elektroniki wraz z bardzo docenianym wysokim poziomem zarządzania przez kadrę kierowniczą.

Wzrost skomplikowania obwodów wymusi również zapotrzebowanie na usługi przedprodukcyjne np. projektowanie obwodów drukowanych wraz z dostawą prototypów. Zapytania o warunki technologiczne, realizowalność, parametry brzegowe technologii na pewno będą kierowane do dostawców płytek i te potrzeby mogą stać się przyczyną tego, aby poszerzyć obszar działania. W ten sposób część produkcji może być realizowana na miejscu, część za pomocą importu. Taki model mieszany widać już gdzieniegdzie w naszym zestawieniu tabelarycznym.

RYNEK PCB DAJE WIELE MOŻLIWOŚCI ZAOPATRZENIA

Płytki drukowane potrzebne są praktycznie do każdego urządzenia elektronicznego, dla firm EMS, producentów oświetlenia, wytwórców urządzeń przemysłowych czy startupów zajmujących się IoT. Rynek obwodów rośnie wraz z całą branżą elektroniczną. Wspólnym celem dla tych przedsiębiorstw staje się zapewnienie sobie dobrych i niedrogich płytek, obojętnie, czy krajowej produkcji, czy importowanych. Największe wyzwanie to zapewnienie wysokiej jakości przy krótkich terminach dostaw.

Pomijając chwilowo obwody wytwarzane przez producentów krajowych, można wyróżnić następujące sposoby zaopatrywania się w importowane PCB. Pierwszy to specjalizowani pośrednicy mający w kraju biuro i współpracujący z wieloma fabrykami w Azji. Zapewniają obsługę lokalną i rozliczenia, nie opierają biznesu na współpracy z jedną fabryką, tylko z wieloma oraz działają w dużej międzynarodowej skali. Doskonałym przykładem takiego podejścia do biznesu jest firma NCAB.

Inni próbują działać podobnie do nich, ale w ich przypadku lokalne przedstawicielstwo to niekoniecznie biuro ze sporą obsadą, tylko jeden pracownik, często na tzw. homeoffice, czyli pracujący w domu, zapewniający kontakt dla przedsiębiorców w języku polskim i rozliczenia z fakturą w złotych. Jeszcze inni pośrednicy działają z zagranicy i nie tworzą nawet lokalnego punktu kontaktowego, ale faktem jest, że często mają w swoich zasobach osoby mówiące po polsku. Na rynku polskim aktywni są również zagraniczni producenci PCB z Europy Zachodniej i Dalekiego Wschodu (np. Eurocircuits), ale nie wiadomo, jakie mają rezultaty.

Firmy EMS i więksi producenci elektroniki próbują obwody importować samodzielnie. To samo dotyczy wybranych firm dystrybucyjnych, które potrafią znajdować takie kontakty w Azji i mają kadrę do ich obsługi. W przypadku firm kontraktowych import bezpośredni od producenta sprawdza się przede wszystkim w przypadku obsługi większych i planowanych serii produkcyjnych. Dlatego firmy te z reguły mają elastyczne podejście do zaopatrzenia i współpracują z lokalnymi producentami, importerami i bezpośrednio z producentami i wybierają najkorzystniejsze oferty dla produkcji, prototypowania lub zleceń specjalnych.

Na koniec warto wspomnieć, że producenci dalekowschodni coraz częściej mają rozbudowane platformy sprzedaży usług B2B i B2C z kalkulatorami online i rozbudowanymi narzędziami informatycznymi pozwalającymi na samoobsługę. Pozwalają one na przesłanie plików i złożenie zlecenia bezpośrednio u producenta. Z takich możliwości korzystają głównie osoby prywatne, a więc świat hobbystów i makerów, bo dla firm płatności przez Paypal są barierą, tak samo jak księgowanie takich transakcji, a poza tym, z tego, co można wyczytać na forach dyskusyjnych, zamówienia firmowe wymagają umiejętności radzenia sobie z odprawą celną.