Einbettung elektronischer Funktionen: IDTechEx fragt, ob es sich lohnt

Dr Matthew Dyson
Einbettung elektronischer Funktionen: IDTechEx fragt, ob es sich lohnt
Die Integration mehrerer Funktionen in ein einziges Gerät verspricht einfachere, effizientere Geräte, ohne dass die Leistungsfähigkeit darunter leidet. Smartphones sind ein großartiges Beispiel: Karten, Tagebücher, Telefone, Kameras, Spielkonsolen und vieles mehr sind in einem einzigen, kompakten Gerät integriert. Das Smartphone selbst ist jedoch ein Meisterwerk der Verpackung, das viele verschiedene Komponenten von unterschiedlichen Anbietern enthält, die in einem Gehäuse untergebracht sind.
 
Wie wäre es, wenn die Funktionalität in das Objekt selbst integriert würde, anstatt zahlreiche Nebenkomponenten zusammenzubauen und für die elektrische Verbindung zu sorgen? Dies ist das Versprechen der "3D-Elektronik", bei der die Grenzen zwischen mechanischem und elektrischem Design verschwinden und die elektronische Funktionalität in die Komponenten eingebettet wird. Dieser Ansatz kann auf viele Längenskalen angewandt werden, wobei die elektronische Funktionalität in Form von leitfähigen Tinten und Komponenten auf die Oberfläche von 3D-Objekten aufgebracht wird, was als "teiladditiv" bezeichnet wird, oder in das Innere integriert wird (was als "volladditiv" bezeichnet wird und dem 3D-Druck mit integrierter Elektronik ähnelt).
 
Voll- und teiladditive Elektronik ist für viele Anwendungen geeignet und deckt ein breites Spektrum an Längenskalen ab. Quelle: IDTechEx
 
In-Mold-Elektronik (IME) ist ein dritter Ansatz zur Herstellung eingebetteter Elektronik, im Allgemeinen in Form von intelligenten Oberflächen mit integrierter Beleuchtung und kapazitiven Berührungssensoren. Bei IME werden leitfähige Tinten gedruckt und Komponenten optional auf eine flache Oberfläche montiert, die anschließend thermogeformt und im Spritzgussverfahren umschlossen wird.
 
Vorteile und Herausforderungen
 
Die Einbettung elektronischer Funktionen in ein geschlossenes Teil durch vollständig additive Elektronik oder IME bietet ein überzeugendes Wertversprechen: weniger Teile, weniger Verbindungen, einfachere Lieferketten, minimale Montage, geringeres Gewicht und verbesserte Nachhaltigkeit. Die Möglichkeit, diese Vorteile mit etablierten Fertigungsverfahren wie Siebdruck, Thermoformung und Spritzguss zu nutzen, hat dazu geführt, dass IME bei OEMs aus verschiedenen Branchen und bei Materiallieferanten auf großes Interesse gestoßen ist. Aber gibt es einen Nachteil bei der Einbettung von elektronischen Funktionen? Immerhin hat das funktionale Folienkleben, ein konkurrierender Ansatz zur IME mit weniger Integration, der auch hintergrundbeleuchtete berührungsempfindliche Schnittstellen ermöglicht, beträchtliche kommerzielle Zugkraft erlangt und wird heute in mehreren Fahrzeugen eingesetzt.
 
Die größte Herausforderung für Methoden der eingebetteten Elektronik wie IME besteht wohl darin, dass das Produkt der einzelnen Ausbeuten die Gesamtausbeute der Produktion bestimmt. Daher muss die Ausbeute jedes einzelnen Prozesses, auch der rein dekorativen, extrem hoch sein - wenn es bei einem Prozessschritt ein Problem gibt, muss das gesamte Teil verworfen werden. IDTechEx hat erfahren, dass die größten Ertragsprobleme bei funktionalen Oberflächen eher mit der Herstellung eines glänzenden schwarzen dekorativen Äußeren verbunden sind als mit der Elektronik selbst.
Die zweite Herausforderung im Zusammenhang mit der Integration elektronischer Funktionen ist die Neukonfiguration der Lieferketten. Wenn die einzelnen Komponenten zusammengebaut werden, kann jedes Teil und damit auch der Lieferant unabhängig gewechselt werden. Werden dagegen alle Komponenten mittels IME oder vollständig additiver Elektronik in ein einziges Teil integriert, muss die gegenseitige Kompatibilität sichergestellt werden, was den Lieferantenwechsel erschwert und die Komponentenpreise potenziell erhöht.
 
Wann lohnt sich die Integration von Funktionen?
 
Um festzustellen, wann die von der IME gebotene Funktionsintegration am überzeugendsten ist, müssen zwei Parameter berücksichtigt werden: der Grad der Integration und das Produktionsvolumen. Die Erzielung der erforderlichen hohen Ausbeute und die Neukonfiguration der Lieferkette sind mit hohen Anfangskosten verbunden, können aber die variablen Kosten senken, da weniger Material verwendet wird und weniger Montagearbeiten erforderlich sind. Darüber hinaus lassen sich die Material- und Montagekosten durch eine stärkere Integration, z. B. durch die Einbettung integrierter Schaltkreise (ICs) in IME-Teile, um die Verarbeitungsfähigkeit zu erhöhen, weiter senken.
 
Vorteile einer größeren Funktionsintegration für In-Mold-Elektronik (IME). Quelle: IDTechEx
 
IDTechEx geht daher davon aus, dass eingebettete Elektronik, entweder IME oder vollständig additiv hergestellt, einen höheren Wertbeitrag haben wird, wenn sowohl das Produktionsvolumen als auch der Umfang der Funktionsintegration zunehmen.
 
Zusätzliche Informationen
 
Die IDTechEx-Berichte "3D Elektronik/Additive Elektronik 2022-2032" und "In-Mold-Elektronik 2023-2033" bieten einen umfassenden Einblick in diese aufkommenden Fertigungsmethoden. Auf der Grundlage von Interviews mit Unternehmen und Konferenzbesuchen bewerten beide Berichte die konkurrierenden technischen Prozesse, Materialanforderungen und Anwendungen. Jeder Bericht enthält 10-Jahres-Marktprognosen, aufgeschlüsselt nach Technologie und Anwendungssektor, ausgedrückt sowohl als Umsatz als auch als Fläche/Volumen.