PCB-Entwicklungstrends: Wie IoT die Zukunft der Leiterplatten prägt

IoT als Treiber neuer PCB-Entwicklungsansätze

Das Zeitalter des Internet of Things (IoT) hat begonnen und durchdringtvirtuell jeden digitalen Bereich. Experten bezeichnen IoT als „vierte industrielle Revolution“ und „größten Durchbruch seit dem Dotcom-Boom“. Laut Gartner werden bis 2020 mindestens 20 Milliarden internetfähige Geräte existieren – alle auf PCB-Entwicklung basierend.

Entwickler schaffen intelligent vernetzte Plattformen für Wearables, Home Automation, medizinische Überwachung, vernetzte Fahrzeuge und Smart Cities. IoT verbindet physische und digitale Komponenten auf völlig neue Weise. Dieser Artikel beleuchtet die Entwicklung und Zukunft von IoT im Detail.

Flex- und HDI-Leiterplatten: Enabler für IoT-Geräte

Ein Top-Trend in der PCB-Entwicklung ist der vermehrte Einsatz von Flex- und High-Density Interconnect (HDI)-Leiterplatten. Herkömmliche Routing-Methoden reichen dafür nicht aus. Da die meisten IoT-Geräte in Bewegung genutzt werden, vereinfachen Flex-PCBs die Verdrahtung und bieten zusätzliche Robustheit gegenüber rauen Bedingungen.

Mit sinkender Platinenfläche und steigender Routing-Dichte greifen Entwickler auf starre PCBs mit Mehrlagentechnik, einseitiger Ausführung, Metallkern, HDI-Techniken wie Blind- und Buried Vias zurück, um wertvollen Platz zu sparen. HDI-Designs senken zudem den Stromverbrauch und steigern die Performance – ideal für IoT.

Die Kombination aus Flex- und HDI-Ansätzen ermöglicht winzige mobile Geräte, die weniger unter thermischem Stress und Signalverlust leiden, ohne Performance-Einbußen. IoT-Geräte werden so kleiner, leichter und schneller als je zuvor.

Besonderheiten bei der Fertigung von IoT-Leiterplatten

IoT erfordert keine komplette Neuerfindung der PCB-Entwicklung, bringt aber neue Design-Aspekte mit sich. Durch unterschiedliche Designansätze unterscheiden sich Layout, Fertigung und Bestückung von IoT-PCBs signifikant von traditionellen Boards.

IoT-PCBs bestehen typischerweise aus Rigid-Flex- oder Flex-Schaltungen, im Gegensatz zu den größeren, flachen Standardplatinen. Die Fertigung mit Flex-Baugruppen erfordert hochpräzise Berechnungen: Biegeverhältnisse, Lebenszyklen, Leiterbahnstärke, Schichtenaufbau (starr/flex), Kupfergewicht, Steifverstärker-Platzierung, Wärmemanagement.

Zudem müssen Designer robuste Haftung zwischen den Lagen auf beiden Seiten (starr/flex) sicherstellen und winzige Bauteile wie 0201- und 00105-Gehäuse beherrschen.

Spezialwerkzeuge und Vorrichtungen sind für den Druck von IoT-PCBs essenziell. Bei Rigid-Flex-Boards benötigt der Entwickler ein spezielles Zubehör, um die Platine während des Drucks über die unterschiedlichen Dicken der starren und flexiblen Bereiche absolut flach zu halten.

Daher kooperieren viele IoT-Startups und neue Designer mit spezialisierten EMS-Dienstleistern (Electronic Manufacturing Services) für ihre PCB-Entwicklung, um erfolgreiche und termingerechte Produktstarts zu gewährleisten.

IoT und die Zukunft des PCB-Designs

IoT bietet der PCB-Industrie vielfältige Zukunftsperspektiven. Obwohl bereits gute Fortschritte erzielt wurden, steht noch viel mehr bevor. Hier sind zehn Wege, wie IoT die PCB-Entwicklung aktuell und künftig prägt:

1. Schrumpfende Layouts

Fortschrittliche IoT-Geräte beenden die Ära großzügiger Platzverhältnisse für Leiterbahnen, Bauteile und Vias. IoT-Trends verlangen maximale Funktionalität in minimalen Gehäusen – tragbar, taschenfähig, sogar verschluckbar.

Beispiel Smartwatches: Trotz Uhrengröße beherbergen Samsung Gear S3 und Apple Watch LED-Displays, internen Speicher, SoC-Controller, Bluetooth-Chips und zahlreiche Sensoren. Kunden erwarten immer mehr von kompakten Alltagsgeräten. Zukünftige PCB-Designer werden mit noch winzigeren Geräten arbeiten müssen. Herkömmliche Leiterplatten werden in wenigen Jahren kaum noch akzeptabel sein – Rigid-Flex und HDI setzen sich durch.

2. Fortschrittliche Gehäusetechnologien

Through-Hole- und Surface-Mount-Bestückung waren jahrelang praxistauglich. Doch mit schrumpfenden Geräten erkunden Entwickler neue Technologien:

• Multi-Chip Modules (MCM): Verbinden mehrerer ICs auf einem Die – schlanke Bauformen.
• System-in-Package (SiP): Integriert digitale, analoge und HF-Systeme in einen multifunktionalen Chip.
• 3D-Integrated Circuits (3D-ICs): Stapeln mehrerer Silizium-Dies für kleineren Footprint und geringeren Stromverbrauch.

Die Verbreitung dieser Verpackungstechnologien wird die Komplexität von Leiterplatten massiv erhöhen und potenziell eine neue Generation von PCBs – sogenannte Integrated Component Boards (ICBs) – hervorbringen, die Herstellern ein deutlich höheres Preis-Flächenverhältnis bieten.

3. Ganzheitliche Designansätze (Encompassing Designs)

Traditionell entwarfen PCB-Entwickler die Platine und reichten sie an das Mechanik-Team zur Passungsprüfung und an die Bestückungsabteilung weiter. In der IoT-Welt erfordern kleinere Formfaktoren und empfindlichere Bauteile, dass alle Beteiligten vom Designbeginn an eng zusammenarbeiten.

PCB-Fertigung und Passungsberechnungen müssen simultan erfolgen, um Funktion, Form und Business-Anforderungen in Einklang zu bringen.

Mit dem rasanten IoT-Wachstum müssen PCB-Designer vermehrt virtuelles Prototyping einsetzen, um Parameter wie Platinengröße, Gesamtgewicht und Passform im Gehäuse zu evaluieren, bevor sie in die Schaltungsdetails einsteigen. PCB-Hersteller werden nicht mehr nur temporäre Helfer im Entwicklungszyklus sein, sondern Experten, die alle Aspekte des Designprozesses abdecken.

4. Standardisierung

Obwohl Standards für traditionelle PCBs existieren, treibt IoT die Branche zu noch größerer Einheitlichkeit. IoT-PCBs müssen höchste Effizienz und Zuverlässigkeit bieten. Designer werden statt Neuentwicklungen lieber auf bereits simulierte, im Feld bewährte Blöcke zurückgreifen.

Speichern und Wiederverwenden wird zur Norm; Moduldesign ersetzt klassische Schaltplanprozesse.

5. Zusammenarbeit mit Mechanik-Designern

Neben virtuellem Prototyping und Produktplanung erfordert IoT-PCB-Entwicklung festere Kooperation zwischen Leiterplatten- und Maschinenbauingenieuren.

Zukünftige Produktdesignprozesse werden das klassische Fließbandmodell zugunsten eines Ansatzes aufgeben, bei dem mechanische und elektrische Änderungen in Echtzeit erfolgen.

Designer müssen keine Dateien mehr zwischen Softwareformaten konvertieren, um Platinenumrisse und Bauteilmodelle für Interferenzprüfungen auszutauschen. Stattdessen nutzen mechanische und elektronische Ingenieure ECAD- und MCAD-Tools, die ihre Daten für nahtlose Echtzeit-Zusammenarbeit zusammenführen. Dies stellt die ECAD-Industrie vor Herausforderungen, da viele Tools nicht einmal untereinander, geschweige denn mit MCAD-Software gut zusammenarbeiten. Die besten Tools für zukünftiges IoT-Design bringen Ingenieure und Designer auf eine gemeinsame Seite.

6. Neue Materialien

In der IoT-Welt müssen Schaltungen klein, flexibel und mobil sein. Der Einsatz von FR4 für quadratische PCBs weicht zunehmend neuen Materialien wie Flex-Rigid-Kupfer, Kunststoffen und sogar Mesh-Strukturen.

Künftig müssen FR4-Designer mit Spezialisten zusammenarbeiten, die alternative Materialien beherrschen. Forschungsinstitute wie das Holst Centre und Wearable Technologies sind derzeit Top-Anlaufstellen für IoT-Entwickler, die Beratung und Testservices für drahtlose autonome Sensoren und flexible Schaltungen suchen.

7. Stärkerer Fokus auf drahtlose Konnektivität

Funkmodule und HF-Schaltungen geben IoT-Produkten die entscheidende Fähigkeit, mit ihrer Umgebung zu kommunizieren, Daten zu sammeln und an Server zu senden.

Der Markt bietet bereits IoT-taugliche Module und HF-Bauteile mit minimalem Footprint und maximaler Funktionalität. Mit wachsenden Konnektivitätsanforderungen wird Funktechnik in immer mehr Geräten Einzug halten – PCB-Designer müssen robustere, zuverlässigere Module in winzigere Platinen integrieren. Protokolle für Reichweite, Datengeschwindigkeit, Sicherheit müssen überarbeitet werden. Durch voranschreitende Standardisierung könnte künftig ein einziges primäres Funkprotokoll die IoT-Welt dominieren.

8. Schärferer Fokus auf Stromverbrauch

Zukünftige IoT-Produkte werden physische Stromanschlüsse zugunsten von Batterien und Energy Harvesting aufgeben, um Portabilität und KI-Integration zu fördern. Der Markt verlangt smarte Geräte, die kontinuierlich und nahezu ohne menschliches Eingreifen arbeiten. PCB-Designer müssen daher Energieeffizienz priorisieren.

Ein vielversprechender Ansatz: Power Budgeting für einzelne Funktionsblöcke auf der PCB statt Betrachtung des Gesamtprodukts. So gewinnen Designer die nötige Flexibilität, um stromhungrige Komponenten gezielt zu identifizieren und zu optimieren.

9. PCBs für den menschlichen Körper

Der Markt für Health- und Fitness-Elektronik wächst stetig, da IoT-Entwickler neue Wege zur Lebensverbesserung finden. Der menschliche Körper stellt PCB-Designer jedoch vor einzigartige Herausforderungen:

• Hohe Signalverluste (lossy nature) – Wearables brauchen starke Signale, um Körperrauschen zu überwinden.
• Feuchtigkeit und Elektronik vertragen sich nicht – Schweiß und Wasser erfordern sorgfältigen Schutz sensibler Komponenten.

Maschinenbauingenieure entwickeln feuchtigkeitsresistente Gehäuse. Doch mit neuen IoT-Anwendungsfällen müssen PCB-Designer noch mehr leisten, um empfindliche Bauteile zuverlässig zu schützen.

10. Kompromisslose Zuverlässigkeit

Miniaturisierte IoT-Geräte erfordern höchste Fertigungspräzision. Während Designer bei traditionellen Boards defekte Through-Hole-Bauteile tauschen können, toleriert der IoT-Markt keine Ausfälle. Sensible Geräte wie Smartwatches und Hörgeräte müssen permanent funktionieren.

Mit steigender Nachfrage müssen PCB-Designer sicherstellen, dass ihre Boards „out of the box“ perfekt arbeiten. Das bedeutet: umfangreiche Simulationen (z. B. PSpice), sorgfältige Prototypenoptimierung für beste Performance – vor der physischen Fertigung.

Fazit: PCB-Entwicklung im IoT-Zeitalter

Elektronisches Design durchläuft tiefgreifende Veränderungen, um mit IoT Schritt zu halten. Neue Ansätze rücken in den Mittelpunkt; PCB-Hersteller nehmen zunehmend die ganzheitliche Produktentwicklung in den Fokus – nicht nur das Leiterplattendesign.

Mit wachsender Nachfrage nach leistungsstarken, winzigen, leichten Schaltungen werden Designer und Fertiger, die die Vorstellungskraft und Expertise besitzen, die neuen Chancen zu nutzen, überproportional profitieren.

Sind Sie im IoT-Spiel? Möchten Sie mit einem Partner zusammenarbeiten, der die Feinheiten der PCB-Entwicklung für das Internet of Things kennt? Kontaktieren Sie WELLPCB Limited und starten Sie richtig durch.