Marktanalyse – Elektronik. Evolution der Technologien und Verfahren

Entwicklung und Evolution der Elektronikindustrie: Quantensprünge in den vergangenen Jahrzehnten

Die Elektronikindustrie hat sich in den vergangenen Jahrzehnten mit ungeheurer Geschwindigkeit entwickelt. Und einige der Produkte und Technologien, die wir heute ganz selbstverständlich im täglichen Gebrauch haben, sind noch gar nicht so alt, wie man vielleicht annehmen möchte. Um neue Ideen zu verwirklichen, braucht es viel Vorstellungs- und Innovationskraft – sowohl auf Seite der Entwickler, die ihre Ideen reifen lassen, als auch auf Seite derer, die diese Ideen in die technische Realität umsetzen, also beispielsweise der Elektronikindustrie. Einer der Technologieführer der Branche wird in diesem Jahr 25, die Rehm Thermal Systems aus Blaubeuren bei Ulm. Grund genug, sich die Entwicklung des Marktes einmal anzuschauen.

In der Geschwindigkeit des technischen Fortschritts gilt das 20. Jahrhundert als das schnellste bisher. Die Zahl der Neuerungen und ihrer Weiterentwicklungen war schwindelerregend hoch – angefangen mit dem Auto über die Fliegerei bis hin zu Fernsehern und Telefonen. Alles Dinge, die heute ganz selbstverständlich zum Alltag gehören. Hätte man vor 30 Jahren behauptet, dass heute beinahe jeder von uns mit einem drahtlosen Telefon überall erreichbar wäre, einem Gerät, das in Sekundenschnelle Daten und Nachrichten aus der ganzen Welt anzeigen kann – man wäre kopfschüttelnd für einen Fantasten gehalten worden.

Aber es brauchte Menschen mit Visionen, die sich solche Dinge vorstellen konnten, an ihre Umsetzbarkeit glaubten und sie schließlich in die Tat umsetzten. Der Elektronikindustrie kommt in diesem schnellen Prozess die Rolle einer Schlüsselbranche zu, der ein großer Teil des realisierten Fortschritts zu verdanken ist. Ohne die Entwicklungen der Elektronikindustrie wäre so manche Innovation auf dem Markt nicht möglich gewesen. Und die Elektronikindustrie ist ein relativ junger Mitspieler bei der Industrialisierung.

Der Übergang von der vorwiegend mechanischen Industrie hin zum Einsatz von Elektrotechnik und Elektronik begann so richtig erst in der Mitte des vergangenen Jahrhunderts, also erst vor ca. 60 Jahren. Moderne Technik ist ohne Elektronik gar nicht mehr vorstellbar. Das gilt natürlich für Computer, Handys und den Elektromaschinenbau, aber auch für einfache Haushaltsgeräte. Heute bewegt sich der jährliche Umsatz der Elektronikindustrie allein in Deutschland deutlich über 100 Milliarden Euro. Wobei der größte Anteil daran, 26%, im Sektor Automation und Elektromaschinenbau generiert wird. 2010 war die Elektronikindustrie die zweitgrößte Industriebranche Deutschlands – mit 816.000 Beschäftigten.

Allein die deutsche Elektronikindustrie generiert über ein Viertel des Gesamtumsatzes der 27 EU-Staaten. In der Produktivitätssteigerung liegt die deutsche Elektronikindustrie mit einem Jahresdurchschnitt von ca. 6% beinahe 50% vor Großbritannien mit 4% und Frankreich mit knapp 4,5%. In der Wertschöpfung der Elektronikindustrie in der Europäischen Union erwirtschaftete die deutsche Elektronikindustrie 2010 gar einen Anteil von 38%. Man kann die Elektronikindustrie mit Fug und Recht als einen Wachstumsmotor der deutschen Wirtschaft bezeichnen.

Ein Bauteil und die begleitenden Technologien im Elektromaschinenbau seien hier herausgepickt, die in ihrer Entwicklung den Fortschritt der Elektronikindustrie maßgeblich begleitet hat: die Leiterplatte, bzw. die gedruckte Schaltung. Erst Anfang der 1950er Jahre wurden Leiterplatten erstmals industriell eingesetzt. Es waren einseitig bedruckte Platinen. Die Bauteile wurden von der unbedruckten Seite her durchgesteckt und auf den kupfernen Leiterbahnen auf der anderen Seite verlötet – alles manuelle Prozesse, von einer Automation war man noch weit entfernt.

Bis dahin waren elektronische Bauteile frei verdrahtet worden. Das heißt, sie hingen an Drähten frei in den Gehäusen und waren nur an den Enden verlötet. Klar, dass solche Produkte nur von Hand hergestellt werden konnten. Durch die Entwicklung von Leiterplatten bekamen die Produktentwickler ganz neue Möglichkeiten zur Hand, ihre Produkte zu gestalten. Und mit wachsendem Kenntnisstand zog die Spirale an. Die Hersteller von Leiterplatten und Baugruppen boten neue Technologien an und die Entwickler forderten für neue Produkte neue Fähigkeiten in der Produktion.

Anfangs war die Herstellung von Leiterplatten noch ein komplexer und zeitaufwendiger Prozess, die Automatisierung war noch in den Kinderschuhen und die Bestückung einer Leiterplatte nur von Hand möglich. Erste Bestückungsautomaten kamen Mitte der 1970er Jahre auf den Markt. Eine Reaktion auf immer kleiner werdende Bauteile, teilweise kleiner als 1 mm², sogenannte ‚pick & place‘-Automaten konnten damit umgehen. Nur waren die Lötprozesse, um die Bauteile auf den Leiterplatten zu fixieren, für solch feine Strukturen noch relativ unzuverlässig – und schnell waren sie auch nicht.

Neue Anforderungen benötigen angepasste Prozesse. Die geforderten Schaltungen sollten in akzeptabler Zeit, in ausreichender Stückzahl und in zuverlässiger Qualität produziert werden. Ohne Automatisierung schlichtweg unmöglich. Erkenntnisse der Forschung brachten weitere Entwicklungen hervor. In diesem Umfeld begann man 1990 in Blaubeuren bei der jungen Rehm Thermal Systems Lötanlagen zur Automatisierung und Optimierung der thermischen Prozesse in der elektronischen Baugruppenproduktion. Mit einem neuartigen Reflow-Lötprozess unter Schutzgasatmosphäre schafften sie dann einen innovativen Technologiefortschritt und brachten die industrielle Fertigung von Baugruppen ein gutes Stück voran.

Aber Stillstand bedeutet Rückschritt. Mit Markteinführung der Labtops oder neuer Speichertechnologien in den 1990er Jahren war ein weiterer Schritt in Richtung Miniaturisierung getan und Multilayer-Platinen mit zahlreichen Vias in den einzelnen Lagen kamen auf. Die SMDs wurden noch kleiner und anspruchsvoller wie zum Beispiel Ball Grid Arrays. Schlagworte wie HDI, CSP, QFN in den 2000er Jahren für Produkte wie MP3-Playern, Handys oder Flachbildschirmen, machten die Entwicklung noch effektiverer Lötverfahren nötig.

Nicht zu vergessen ist auch der Trend des bleifreien Lötens (RoHS Gesetzgebung) welcher dieses Jahrzehnt mitprägte. Es führte dazu, dass es kleinere Arbeitsfenster beim Löten gab. Wurde bisher bei Mainstream-Loten ab 183 Grad bei bleihaltigen Loten gearbeitet, musste nun mit 217 Grad bei bleifreien Loten umgegangen werden. Daher war es notwendig neue Systeme zu entwickeln, die eine noch bessere Wärmeübertragung und differenzielleres Wärmemanagement (Temperaturprofilierung) ermöglichen.

Aktuell setzen anspruchsvolle Bauteile, Smartphone, LED Lights neue Trends. Komplexe Bauteile, Package On Package (PoP), Embedded Components und Frequenzen > 8GHz fordern immer neue Innovationen bei den Lötverfahren. Zum Beispiel benötigt die regenerative Energiebranche Wechselrichter mit hohen Leistungen. Mit der Vakuum Reflowtechnik können heute die Anwendungen poren-/voidfrei auf den Baugruppen verlötet werden. Hier ist die Entwicklung noch nicht am Ende.

Auch bei den aktuellen Anforderungen des 2010er Jahrzehnts müssen Produktentwickler und die Entwickler der modernen Löttechnik Hand in Hand gehen und gemeinsame tragfähige Konzepte entwerfen, die den Anforderungen der modernen industriellen Fertigung gerecht werden können. Zum Beispiel auf die Herausforderungen bei Klimaschutz und Umwelteinflüsse wird bei Rehm Thermal Systems mit der neuen Protecto Anlage eingegangen, die sich um den Schutz von hochbeanspruchter Elektronik kümmert. Mit einem Schutzlackprozess werden die Anwendungsmöglichkeiten und die Lebensdauer bei Endprodukten verbessert. Derzeit wird beim Blaubeurener Unternehmen mit Industriepartnern auch an thermischen (Warm-, Kalt-) Testequipment gearbeitet, dass vor allem die Automobilindustrie braucht und die Elektronik robuster und langlebiger macht – neue Technik verlangt Fortschritt. Oder verlangt Fortschritt neue Technik?

Einige Technologieführer, so auch die Entwickler bei Rehm haben strategische visionäre Technology Roadmaps und einige Innovation schon vorgelebt und vorgedacht.  Jüngste Entwicklungen wie ein Trockner für die Lithium-Ionen Batterieherstellung im Zukunftsthema E-Mobilität und Umwelt werden so einen Beitrag für den großen Gesellschaftstrend leisten.

Sicher ist, solange wir gesamtgesellschaftliche Treiber haben wie Industrie 4.0 haben und die Branche es schafft technologisch vorne mitzuspielen, wird Platz für weiteres Wachstum der Hersteller in Deutschland sein.

Zusammenfassend kann daher gesagt sein, die Entwicklung ist noch lang nicht zu Ende. Ob die Geschwindigkeit der gesamten Elektronikevolution weiterhin so rasant weiter gehen wird wie bisher, sei dahingestellt. Aber die Industrie wird uns auch in Zukunft mit neuen Produkten, in denen innovative Technologien eingesetzt werden, ins Staunen versetzten.