Sähkö- ja elektroniikkateollisuusliitto SET ry ELEN Elektroniikka- ja sähköalan ennakointi Euroopan sosiaalirahasto Tavoite 4 ohjelma Tämä julkaisu on toteutettu Euroopan sosiaalirahaston (ESR) tuella.
ELEN Elektroniikka- ja sähköalan ennakointi Raportti 31.3.1999 Versio 7
Esipuhe Sähkö- ja elektroniikkateollisuusliitto SET ry teki vuoden 1996 syksyllä taustaselvitystä yritysten henkilöstötarpeista Koulutuspoliittisen linjauksensa 1997 tueksi. Yrityslähtöisen henkilöstön osaamisen ennakointiprojektin tarve nousi vahvasti esille tässä yhteydessä kahdesta syystä. Pk-sektorin yrityksissä ei henkilöstösuunnittelun ja henkilöstön kehittämisen nähty olevan kytköksissä yrityksen muuhun kehittämiseen. Suurissa yrityksissä henkilöstön osaamiskartoitukset ja kehittämissuunnitelmat olivat yleisiä, mutta saattoivat kohdistua vain osaan henkilöstöstä. Elektroniikka- ja sähköalan ennakointi projekti ELEN käynnistettiin vuoden 1997 alkupuolella Euroopan sosiaalirahaston tuella. Projekti oli kaksivaiheinen. Ensimmäisessä vaiheessa tehtiin pk-sektorin yritysten kanssa tiivis kehittämistyö, jossa luotiin visiolähtöisen henkilöstön osaamistarpeen ennakoinnin malli. Toisessa vaiheessa ennakointia laajennettiin koko toimialaa koskevaksi. Yrityslähtöistä mallia ei tällöin voitu toteuttaa yrityskohtaisena. Sitä on kuitenkin mahdollisuuksien mukaan sovellettu koko toimialan kehitykseen. Ensimmäisessä vaiheessa saatuja kokemuksia ja menetelmiä on käytetty soveltuvin osin hyväksi. Väliraportti julkistettiin vuoden 1997 lopulla. Projekti päättyi keväällä 1999. Projektin tavoitteena oli yritysten henkilöstön kehittämisen tukemisen lisäksi tuoda erityisesti laadullisia viestejä osaamistarpeista koulutuksen toteuttajille yrityksissä ja koulutuslaitoksissa. Määrällinen annakointi on ollut välttämätön edellytys laadullisen ennakoinnin kohdentamiseksi. Suurimmat henkilöstömuutokset tapahtuvat tutkimus- ja tuotekehitys- sekä tuotantotoiminnoissa. Uuden henkilöstön korkea koulutustaso kertoo karkealla tasolla osaamistarpeista. Raportin laadullinen osuus jakautuu kolmeen osaan. Ensimmäinen osa kertoo elektroniikan valmistuksen kehityksestä sekä mikroelektroniikan ja ohjelmisto-osaamisen tuomista uusista haasteista toimialalla. Toinen osa keskittyy tuotannossa ja tuotantohenkilöstön osaamisessa tapahtuviin muutoksiin. Kolmannessa osassa keskitytään tutkimus- ja tuotekehityshenkilöstön osaamiseen. Elektroniikka- ja sähköalan ennakointiprojektin johtoryhmään ovat kuuluneet Marketta Henriksson Enstoyhtiöistä, Heikki Rossi Teknoware Oy:stä, Markku Virolainen Sondi Oy:stä, Pertti Törmälä Espoon-Vantaan teknillisestä ammattikorkeakoulusta ja Anneli Manninen Sähkö- ja elektroniikkateollisuusliitosta. Projektin toteutukseen ovat lisäksi osallistuneet Ari Nokelainen, Staffan Björkstam ja Pekka Talja Käpylän ammattioppilaitoksesta, Ahti Leinvuo ja Markku Karhu Espoon-Vantaan teknillisestä ammattikorkeakoulusta, Sami Franssila ja Jorma Kivilahti Teknillisestä korkeakoulusta sekä Heikki P. S. Leivo AEL:sta. Toivomme projektin yhteenvedon ja linjausten herättävän keskustelua ja auttavan käytännön opetussuunnitelmatyössä. Kiitämme projektiin osallistuneita heidän aktiivisesta panoksestaan koulutuksen ja henkilöstön kehittämisessä. Helsingissä 31.3.1999 SÄHKÖ- JA ELEKTRONIIKKATEOLLISUUSLIITTO SET ry Tapio Forsgrén Toimitusjohtaja 2
Sisältö Yhteenveto ja linjaukset...4 1 Yleistä...5 1.1 Elektroniikka- ja sähköala...5 1.2 Ennakoinnin viitekehys...6 1.3 Henkilöstön määrällinen ennakointi...8 1.4 Laadullisen ennakoinnin taustaa...9 2 Toimialan kehitys...11 2.1 Elektroniikan valmistuksen haasteista...11 2.2 Mikroelektroniikan trendit...18 2.3 Ohjelmisto-osaaminen...20 3 Case1: Tuotantohenkilöstö...21 3.1 Johdanto...21 3.2 Tuotantoprosessissa tapahtuvat muutokset...21 3.3 Osaamisprofiili...21 3.4 Koulutus ja työssäoppiminen...25 3.5 Yhteenveto...26 4 Case 2: Tuotekehityshenkilöstö...26 4.1 Johdanto...26 4.2 Alan tilanne ja yritysten visiot...27 4.3 Tuotekehityshenkilöstöltä vaadittavat ominaisuudet...28 4.4 Osaamisprofiili...29 4.5 Koulutusodotukset...32 4.6 Koulutus ja yhteistyö...33 4.7 Tuotekehityspanostus ja sen vaikuttavuus...35 4.8 Yhteenveto...36 5 Johtopäätökset...37 5.1 Ennakointiprosessi ja keskeiset tulokset...37 5.2 Teollisuuden laadullisen ennakoinnin kehittäminen...38 Liitteet...38 3
Yhteenveto ja linjaukset Suomalaisten elektroniikka- ja sähköalan yritysten toiminta perustuu tulevaisuudessakin moniteknisten tuotteiden ja järjestelmien kehittämisen vahvaan osaamiseen. Komponenttituotannossa vahvuutena nähdään sovellusalaan ja käyttötarkoitukseen liittyvien fysikaalisten ilmiöiden erityisosaaminen. Alan tuotanto on viiden vuoden kuluttua pitkälle automatisoitua. Laadunvarmistus, vianetsintä ja mittaaminen käyttävät yhä vaativampia tietokonepohjaisia järjestelmiä. Tuotekehityssyklit nopeutuvat edelleen. Innovatiivisuus saa myös uusia muotoja. Kehitystyössä ei ole kysymys enää puhtaasti teknisistä uusista asioista, vaan toimimisesta markkinoiden ja teknologian rajapinnassa. Syntyy uusia sovellusmahdollisuuksia, joissa voidaan hyödyntää uusia teknologioita. Ohjelmistojen osuus tuotteen kustannuksista lisääntyy edelleen. Kilpailukyvyn säilyttäminen ja parantaminen on keskeistä lähes kaikille alan yrityksille. Merkittävin tuotannon työntekijöiden osaamisvaatimusten kehitystrendi on teoriaosaamisen voimakas korostuminen suhteessa käytännön osaamiseen. Työntekijöiltä edellytetään nykyistä laajempien kokonaisuuksien ymmärtämistä. Prosessinhallintaan ja tuotantotekniikkaan liittyvä teoriaosaaminen nousee entistä tärkeämmäksi. Myös elektroniikassa ja tietotekniikassa tarvitaan syvällistä ja laaja-alaista osaamista. Osaamisprofiilissa korostuvat erityisesti henkilökohtaiset ominaisuudet kielitaito mukaan lukien. Kehityshenkilöstön tärkeimmät ominaisuudet ovat oman erikoisalan osaamisen lisäksi ryhmätyötaidot sekä taito löytää oikeaa tietoa. Osaamisprofiilissa painottuvat matematiikan ja fysiikan perustaidot sekä yleisosaaminen. Moniosaajien tarve on osaamisprofiileista voimakkaimmin painottunut. Moniosaamisella tarkoitetaan teknologioiden ja kehitysmenetelmien tuntemista kytkettynä elektroniikka-, ohjelmisto- ja mekaniikkasuunnittelun poikkiteknisiin taitoihin. Myös yritysten eri tehtäväalueita hallitsevia yleisosaajia sekä oman alansa erikoisosaajia tarvitaan kuitenkin edelleen. Tärkeimmiksi kehittämisalueiksi nähtiin laajaalaisuuden lisääminen, erilaisiin työtehtäviin sopeutuminen sekä ohjelmistokehitys. Elektroniikka- ja sähköalan yritysten tuotteet hyödyntävät usein poikkitieteellistä osaamista ja vahvaa teorian soveltamista käytäntöön. Tästä syystä osaamisessa painottuu kaikilla tasoilla teorian syvällinen ja laajaalainen hallinta. Henkilökohtaiset ominaisuudet saavat yhä enemmän painoarvoa. Ryhmätyötaidot, kielitaito sekä taito löytää tietoa korostuvat. Elektroniikka- ja sähköalan koulutusta suunniteltaessa ja kehitettäessä tulee korostaa seuraavia näkökulmia: 1. Matematiikan ja fysiikan perustaidot on omaksuttava laajasti koulutuksen kaikilla asteilla. 2. Vahva teoriaosaaminen on perusta sekä tuotannon että tutkimus- ja kehittämistoiminnan kilpailukyvylle. 3. Osaamisen laaja-alaisuus korostuu tulevaisuuden tuotantotekniikan hallinnassa. Tuotekehityksessä kaivataan myös tuotannon ja markkinoinnin rajapintojen osaamista. 4. Asiakaslähtöisyys edellyttää sekä tuotannon että tuotekehityksen henkilöstöltä hyviä henkilökohtaisia ominaisuuksia, kommunikointi- ja tiimityöskentelykykyä sekä kielitaitoa. 5. Oikean tiedon löytäminen ja hallinta sekä uusiin tilanteisiin ja työtehtäviin sopeutuminen korostuvat tuotekehityssyklien ja kehityksen nopeutuessa. 4
1 Yleistä 1.1 Elektroniikka- ja sähköala Elektroniikka- ja sähköala on ollut koko 90-luvun teollisuuden nopeimmin kasvava ja eniten rekrytoiva teollinen toimiala. Vuonna 1998 kasvuvauhti oli Tilastokeskuksen volyymi-indeksin mukaan 38 prosenttia ja tuotannon arvo oli 95 miljardia markkaa. Kasvuvauhtia kuvaa ehkä parhaiten se, että vuodesta 1990 tuotannon arvo on lähes viisinkertaistunut. Vienti nousi arvoltaan noin 62 miljardiin markkaan vuonna 1998. Alan osuus teollisuuden kokonaisviennistä olikin 27 prosenttia. Tietoliikennelaitteiden osuus viennistä on yli puolet. Muita suuria tuoteryhmiä ovat sähkölaitteet ja muuntajat sekä tietokoneet ja toimistoelektroniikka. Myös komponenttien valmistus on kasvussa. Elektroniikkatuotteiden osuus alan kokonaisviennistä onkin yhteensä jo lähes kolme neljäsosaa. Viiden viime vuoden aikana elektroniikka- ja sähköteollisuus on kansantalouden tilinpidon mukaan lisännyt henkilöstöään noin 25 000 henkilöllä. Lisäys on suuruudeltaan yli 70 prosenttia. Sekä työntekijöiden että toimihenkilöiden määrät ovat kasvaneet, toimihenkilöstön kuitenkin voimakkaammin eli yli 90 prosentilla. Vuonna 1997 sekä työntekijöiden että toimihenkilöiden osuushenkilöstöstä oli 50 prosenttia, kuten kuvasta 1.1. ilmenee. Henkilöstö 1992-1997 henkilöä 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 1992 1993 1994 1995 1996 1997 Työntekijät Toimihenkilöt Kuva 1.1 Elektroniikka- ja sähköalan henkilöstö 1992-1997. Lähde: Tilastokeskus, Kansantalouden tilinpito 5
Henkilöstön koulutusjakauma vuonna 1997 on esitetty kuvassa 1.2. Koulutusjakauma 1997 Ei koulutusta 23 % DI&FK 12 % Insinööri 12 % Teknikko 7% AOL 46 % Kuva 1.2 Elektroniikka- ja sähköalan henkilöstön koulutusjakauma 1997. Lähde: MET, Tilastokeskus. Vuonna 1997 oli toimihenkilöistä jo 44 prosentilla korkea-asteen tekniikan tai luonnontieteellisen alan tutkinto. Tiedekorkeakoulututkinnon suorittaneiden toimihenkilöiden osuus on vuodesta 1994 i noussut viidellä prosentiyksiköllä. Kaikkien muiden koulutustaustojen osuus on hivenen laskenut. Liitteessä 1 on esitetty elektroniikka- ja sähköteollisuuden toimihenkilöiden ja työntekijöiden koulutusjakauma vuonna 1997. 1.2 Ennakoinnin viitekehys Elektroniikka- ja sähköalan henkilöstön osaamistarpeen ennakointiprojekti on toteutettu vuosina 1997-1999. Ensimmäisessä vaiheessa keskityttiin ennakoinnin menetelmälliseen puoleen neljän pk-sektorin yrityksen näkökulmasta ii. Toisessa vaiheessa ennakointiin koko sektorin määrällistä ja laadullista kehitystä. Tässä vaiheessa hyödynnettiin ensimmäisen vaiheen tuloksia ottaen huomioon yrityskoon vaikutukset menetelmien hyödynnettävyyteen. Visiolähtöisessä henkilöstön osaamistarpeen ennakoinnissa toteutetaan kaaviossa 1. esitettyjä vaiheita. 6
Kaavio 1. Visiolähtöisen osaamistarpeen ennakoinnin vaiheet. Visio Henkilöstövisio Osaamiskartoitus Muutokset toimintaympäristössä Toimintatavat Investoinnit Markkinat Teknologia Muutosten vaikutus henkilöstöön Henkilöstömäärä Toimintojen muutokset Henkilöstöryhmät Yleisen osaamistason arviointi Koulutuspohja Oma arviointi osaamisesta Tehtäväkohtainen osaamisen arviointi Koko toimialan visiota on lähestytty toimialan keskeisten muutosten ja haasteiden kautta. Tämän raportin 2. luvun tarkoituksena on tuoda esiin asiantuntijoiden näkemyksiä toimialan kehityksestä. Aiheet keskittyvät elektroniikan valmistukseen ja tuoteluotettavuuteen, mikroelektroniikkaan sekä ohjelmisto-osaamiseen. Henkilöstövisio ja ennakointiprosessin toisen vaiheen toteutus käsiteltiin kokonaisuutena suurten yritysten edustajista koostuvassa työryhmässä. Ryhmä määritteli henkilöstövision kannalta keskeiset tehtäväalueet. Vision yhteydessä haluttiin myös tarkastella työntekijä- ja toimihenkilöryhmiä koulutustaustan mukaan, koska koulutustaustan katsotaan määrittelevän yleistä osaamistasoa. Päätyövälineenä pidettiin tehtäväalueiden osaamisen ennakointia haastattelujen avulla. Rekrytoinnin näkökulmasta erityisen tärkeänä nähtiin osaamisen laaja-alaisuuden hahmottaminen. Tämä hahmotus tapahtui tutkimus- ja tuotekehityshenkilöstön osaamisprofiilia arvioitaessa yleisosaaja-, moniosaaja- ja erikoisosaajamäärittelyn avulla. Yksilötason osaamisen arviointia ei koko toimialan osalta ole lähdetty toteuttamaan edes otosluontoisesti. Keskeisten tehtäväalueiden osaamistarpeet on arvioitu johdon ja esimiesten haastattelujen avulla. Haastatteluissa on käytetty avoimia kysymyksiä, koska haastateltavien näkemyksiä ei ole haluttu sitoa valmiisiin malleihin. Haastatteluihin pohjaava laadullinen selvitys rajattiin henkilöstövision tulosten perusteella. Selvityksen osaaluiksi valittiin kaksi eniten henkilöstöään lisäävää tehtäväaluetta, tutkimus- ja tuotekehitys sekä tuotanto. Näillä tehtäväalueilla on sekä asiantuntijoiden näkemysten että henkilöstövision perusteella henkilöstön ja toimintojen muutos voimakasta. 7
1.3 Henkilöstön määrällinen ennakointi Henkilöstön kehitystä arvioitiin viiden vuoden aikajänteellä eli vuoden 1997 lopusta vuoden 2002 loppuun. Henkilöstövisio laadittiin sekä tehtäväalueittain että koulutustaustan perusteella. Kyselylomake lähetettiin Sähkö- ja elektroniikkateollisuusliiton jäsenyrityksiin. Vastausprosentti oli 42 %. Vastanneet yritykset edustavat 79,5 prosenttia jäsenyritysten henkilöstöstä. Vastanneiden yritysten henkilöstön osuus koko toimialan henkilöstöstä on 56,2 prosenttia, mitä voidaan pitää riittävän kattavana otoksena toimialan ennakoinnin näkökulmasta. Kyselylomake on esitetty liitteessä 2. Henkilöstön kokonaislisäyksen arvioidaan viisivuotiskaudella olevan yli 50 prosenttia. Toimihenkilöiden osuus kasvusta on lähes 90 prosenttia. Tuloksia analysoitaessa tehtäväalueita on yhdistetty toiminnoiksi, koska eräiden tehtäväalueiden henkilöstö jäi hyvin pieneksi. Myös myynnin ja markkinoinnin erottaminen ei kaikissa yrityksissä ollut mahdollista. Osto ja logistiikka on yhdistetty tuotantoon ja tuotannon kehittäminen tuotekehitykseen. Toiminnoittain nykyinen henkilöstö jakautuu kuva 1.3 mukaisesti. Henkilöstö toiminnoittain 1997 1% 1% Tuotanto 30 % Markkinointi Johto ja taloushallinto 54 % Tuotekehitys 7% 7% Laatu Avustava henkilöstö Kuva 1.3 Elektroniikka- ja sähköalan henkilöstö 1997. Kuvassa 1.4 on puolestaan esitetty henkilöstö toiminnoittain vuonna 2002. Suurimmat muutokset tapahtuvat tutkimuksen ja tuotekehityksen sekä tuotannon alueilla. T&K -tehtävissä toimivien henkilöiden osuus nousee yrityksissä 30 prosentista 38 prosenttiin. Samaan aikaan tuotantotehtävissä toimivien henkilöiden osuus laskee 54 prosentista 45 prosenttiin. 8
Henkilöstö toiminnoittain 2002 1% 1% Tuotanto Markkinointi 38 % 45 % Johto ja taloushallinto Tuotekehitys Laatu 8% 7% Avustava henkilöstö Kuva 1.4 Elektroniikka- ja sähköalan henkilöstö 2002 Vahvimmin kasvavat toiminnot ovat tutkimus- ja tuotekehitys sekä tuotanto. Kuvassa 1.5 on esitetty arvio henkilöstön lisäyksestä toiminnoittain vuoteen 2002 mennessä. Merkille pantavaa on, että vaikka tuotantohenkilöstön osuus koko henkilöstöstä laskee kymmenen prosenttia, on tuotantohenkilöstön nettotarve viisivuotiskaudella yli 8000 uutta henkilöä. Henkilöstön lisäys toiminnoittain 1997-2002 Avustava henkilöstö Laatu Tuotekehitys Johto ja taloushallinto Markkinointi Tuotanto 0 5000 10000 15000 20000 Kuva 1.5 Henkilöstön muutos toiminnoittain 1997-2002. 1.4 Laadullisen ennakoinnin taustaa Liitteessä 3 on esitetty yhteenveto vastanneiden yritysten henkilöstövisiosta. Perinteisen työntekijä- ja toimihenkilöjaon murtuminen näkyy selkeimmin tarvittavan henkilöstön koulutustaustassa. Yhteenvedosta voidaan havaita, että toimihenkilöpuolelle rekrytoidaan toisen asteen tutkinnon suorittaneita, ja vastaavasti työntekijäpuolelle korkea-asteen tutkinnon suorittaneita. Koko toimialan ennakoidut henkilöstömuutokset on arvioitu vastanneiden yritysten ja koko toimialan henkilöstömäärien suhteessa. Tähän liittyy virhemahdollisuuksia, koska yritysten tehtäväalueiden painottuminen on tuotevalikoimasta riippuvaista. Kuvassa 1.6 esitetään arvio toimihenkilöiden muutoksesta koulutus- 9
taustan perusteella vuoteen 2002 mennessä koko toimialalla. Teknillisen alan korkeakoulututkinnon suorittaneiden tarve on noin 4000 henkilöä vuodessa. 10
Toimihenkilöt muutos 1997-2002 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 DI Insinööri AOL Muu Kuva 1.6 Toimihenkilöstön muutos koulutustaustan mukaan 1997-2002. Koko henkilöstön koulutustason nousu näkyy selkeimmin siinä, että kouluttamattomien työntekijöiden osuus laskee vuoteen 2002 mennessä. Kuvassa 1.7 on muun koulutuksen saaneiden henkilöiden muutos pienempi kuin toimihenkilöiden kohdalla kuvassa 1.6, koska muun eli lähinnä yleissivistävän koulutuksen varassa olevien työntekijöiden määrä vähenee. Henkilöstön muutos 1997-2002 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 DI Insinööri AOL Muu Kuva 1.7 Koko henkilöstön muutos koulutustaustan mukaan 1997-2002. 11
2 Toimialan kehitysnäkymiä 2.1 Elektroniikan valmistuksen haasteista Jorma Kivilahti, Elektroniikan valmistustekniikka Elektroniikkalaitteista halutaan yhä pienempiä, kevyempiä, tiheämmin pakattuja, halvempia, tehokkaampia ja luotettavampia. Tällöin liitos- ja kokoonpanoteknologioista tulee yksi tärkeimmistä elektroniikan komponenttien ja laitteiden suorituskyvyn kasvua ja luotettavuutta rajoittavista tekijöistä. Integroitujen piirien suorituskyvyn kasvu, signaalien suuremmat siirtonopeudet, pienemmät käyttöjännitteet ja CMOS-piirien pienenevät viivanleydet (taulukko 1) asettavat kasvavia vaatimuksia kontaktissa olevien materiaalien fysikaaliselle ja kemialliselle yhteensopivuudelle ja valmistusteknologioille. Valmistustekniikan haasteista saa käsityksen tarkastelemalla kuvan 1 esittämää johdinleveyksien mittakaavaeroa, jota sovitetaan yhteen erilaisilla integroitujen piirien koteloratkaisuilla. Kun erikoistiheiden piirilevyjen johdinleveydet pienenevät, tavanomaisen piirilevytekniikan rajat tulevat pian vastaan. Vuonna 2000 tiheydet vastaavat jo 1960-luvun MSI-tekniikan integroitujen piirien johdinleveyksiä. Siksi elektroniikan kokoonpanossa otetaan käyttöön litografiaan ja ohutkalvorakenteiden kasvattamiseen perustuvia tekniikoita (taulukko 1). Taulukko I Mikroelektroniikan valmistuksen kehityksestä Vuosi 1995 1998 2000 2004 Jännite (V) 3.3 2.5 2.0 1.5 Teho (W/chip) 80 100 120 140 Sirutaajuus (MHz) 400 600 800 1250 Kotelotaajuus (MHz) 150 200 250 300 Kontaktien lkm 900 1350 2000 2600 Hinta per kontakti 1.4-8 1.2-6 1.1-1.5 1-1.4 Kotelokustannukset ($) 13-72 16-78 22 102 26-108 Lähde: Ron C.Bracken, SRC (Packaging Science), USA. Uudetkotelointi-jakontaktointitekniikat Kilpailu pakottaa kehittämään uusia kontaktointi- ja kokoonpanoratkaisuja, joilla komponentti- ja kontaktitiheyksiä voidaan kasvattaa luotettavasti ja taloudellisesti. Perinteisten pintaliitoskomponenttien rinnalle on tullut kotelon koko pinta-alan hyödyntäviä ratkaisuja, joissa perinteiset reunanastat on korvattu kotelon alla olevilla, pinta-alaryhmityillä juotenystyillä. Näin kotelon koko on pienentynyt suhteessa integroidun piirin pinta-alaan, jolloin ns. piitehokkuus on kasvanut (kuva 2.1). 12
ÿþþýüûúùùøø ýü ú ûþ øúýýüüýú ùúùúú ú ý ú ÿ ýú ÿ øú þ Kuva 2.1 Piitehokkuuden kasvu elektroniikan kokoonpanossa. BGA-kotelossa integroitu piiri liitetään koteloalustaan useimmiten lankaliitoksilla. Alustan (interposer) alle valmistetaan jakovälillä 1.0, 1.27, tai 1.5 mm juotenystyt, useimmiten tina/lyijyjuotteesta. BGA-koteloissa on yleensä 200 1000 juotenystyä. Ne valmistetaan muovialustalle (PBGA), jolloin piirilevynä voi olla perinteinen FR4-materiaali. BGA-kotelo et sallii suuren nystymäärän suhteellisen karkealla jakovälillä. Sähköja lämpö-ominaisuudet ovat hyvät, ja koteloa voidaan käyttää perinteiseen pintaliitostekniikkaan perustuvassa kokoonpanossa. Merkittävä ero: reunanastallisiin pintaliitoskoteloihin verrattaessa on se, että liitosnystyt jäävät piiloon komponentin ja piirilevyn väliin. Liitoksia ei voida tarkastaa visuaalisesti kokoonpanon jälkeen, vaan on käytettävä fokusoitua röntgensuihkua tai akustisia menetelmiä. Myös komponenttien vaihtaminen on myös työläämpää, ja siinä tarvitaan erillisiä korjausasemia. Mikro-BGA ( µ-bga) eli Chip Scale Package (CSP) on tiheämpi ja pienempi versio BGA-kotelosta. JEDECstandardi määrittelee, että kotelon ulkoreunan pituus on korkeintaan 20 % suurempi kuin sirun särmän pituus. CSP-kotelojen kontaktinystyjen jakoväli on yleensä 0,5 1,0 mm. CSP-koteloita on kymmeniä tyyppejä, ja ne jaetaan alustan mukaan neljään ryhmään: jäykät alustat, joustavat alustat, kiekkotason kotelot ja lead-frame -kotelot. Niitä käytetään pääasiassa muistipiirien kotelointiin joustavalle tai lead-frame -typpiselle alustalle. CSP-komponentit ovat kalliita, mutta hinta halpenee käytön lisääntyessä. Niitä voidaan käyttää muiden pintaliitoskomponenttien kanssa, joskin prosessointi (pastanpaino, kohdistus, uunitus) on vaativampaa. Koska pieniin kontaktinystyihin kohdistuu termisessä syklaavassa kuormituksessa huomattavia rasituksia, käytetään usein alustäytettä. CSP-komponentit tarkastetaan ja testataan samoin kuin BGAkomponentit, mutta pienet liitokset vaativat suurempaa tarkkuutta. Flip Chip -tekniikassa (FC) eli kääntösirutekniikassa paljaat, koteloimattomat puolijohdepalat liitetään suoraan alustalle. Tässäkin tekniikassa kontaktinystyt ovat komponentin alla. Piiri on kuitenkin koteloimaton ja nystyjen jakoväli on pienempi yleensä alle 250 µm. Nystyjen pienuuden vuoksi ladontakoneen kohdistustarkkuuden on sulien nystyjen itsekohdistuvuudesta huolimatta oltava suuri. Kun piirilevymateriaalina on 13
FR4 tai vastaava, piirit suojataan aina alustäytteellä, joka pienentää jännityshuippuja sekä suojaa kosteudelta ja kontaminaatioilta. Suojaus lisää prosessivaiheita ja kustannuksia. Alustäyte levitetään erillisellä laitteella ja kovetetaan uunissa. Piirit on testattava ja korjattava ennen suojausta, koska alustäytteen kovetuttua niitä ei voi enää poistaa piirilevyltä. Flip Chip -kokoonpanoissa on käytettävä korkealaatuisia piirilevyjä. 1 þùú ýþ ýüù þþùù "tiheä" ü 10-1 10-2 ÿþ ý þþýú ý ü ù þ þù ù BGA "erikoistiheä" CSP þ û þ þ þ þ øúýüýþ øø 10-3 10-4 10-5 ÿ ý þ ú ø ø þ 10-6 þ þ ý þ þ ý ü ù ú ú þ ý 10 3 100 úû þ ü ü þùúùú Kuva 2.2 Juottamiseen perustuvan kontaktoinnin kehitys johdintiheyden kasvaessa. Kilpailu pakottaa kehittämään uusia kontaktointi- ja kokoonpanoratkaisuja, joilla komponentti- ja kontaktitiheyksiä voidaan kasvattaa luotettavasti ja taloudellisesti. Perinteisten pintaliitoskomponenttien rinnalle on tullut kotelon koko pinta-alan hyödyntäviä ratkaisuja, joissa perinteiset reunanastat on korvattu kotelon alle olevilla, pinta-alaryhmityillä juotenystyillä. Näin kotelon koko on pienentynyt suhteessa integroidun piirin pinta-alaan, jolloin ns. piitehokkuus on kasvanut (kuva 2.2). Uusien tekniikoiden luotettavuudesta Kun komponenttien ja piirilevyjen sähköiset kontaktit pienenevät, kontaktissa olevien puolijohteiden, johteiden ja eristeiden on sovittava fysikaalisesti ja kemiallisesti hyvin yhteen. Liitosten pienentymisen tuomien ongelmien ratkaisu edellyttää teknis-tieteellistä ongelmanratkaisutapaa yrityksen ja erehdyksen menetelmän käyttö on aivan liian työlästä ja kallista. Esimerkiksi IC-tason suuremmat tiheydet ja kapeammat johdinleveydet edellyttävät ohuempia metallointeja, jolloin suuremmat virrantiheydet ja ohuiden materiaalikerrosten väliset vaikeasti hallittavat kemialliset reaktiot lisäävät vaurioriskiä. BGA-, CSP- ja Flip Chip - kokoonpanoissa juotetilavuudet pienenevät radikaalisti (kuva 2.3). Hauraiden metalliyhdisteiden osuus juoteliitoksissa kasvaa, ja luotettavuus huononee. 14
Kun liitostiheydet kasvavat, puolijohdepalat joutuvat yhä lähemmäksi piirilevyä. Tämä kasvattaa liitosten leikkausmyötymiä ja lisää pintaliitostekniikalla kokoonpannun komponenttilevyn vaurioriskiä (kuva 2.4). Ongelmia tuo myös pienten liitosten heikko metallurginen stabiilius sekä piin ja piirilevyn (FR4) lämpölaajenemiskertoimien suuri ero (noin 500 %). Alustäytteestä huolimatta liitokset voivat murtua testauksessa useimmiten väsymällä. Komponentin vikaosuus, [vaurioita per 10 9 komponenttituntia] 10 4 10 3 10 2 10 1 Tyypilliset elektroniikan komponentit "Infant mortality" SMTkomp. a Vakautunut vaihe a Tyypillinen pintaliitoskokoonpano "Kuluminen" Jalallinen 1 5 40 vuotta 0.1 1 10 100 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 Käyttöaika [tuntia] Kuva 2.3 Kokoonpanon vikaosuus käyttöiän funktiona. Luotettavuus korostuu kannettavissa laitteissa ja autosovelluksissa, joissa kohdataan suuria lämpötilan muutoksia sekä epäpuhtauksia. Kun tuotteet on saatava markkinoille yhä nopeammin, luotettavuusriskit kasvat, koska tehostuneista tutkimuksen ja tuotekehityksen nopeutumisesta huolimatta uudet materiaalija valmistustekniikat vaativat tuotteiden kunnollista evaluointia. Luotettavuudesta tulee tärkeä kilpailukeino kulutuselektroniikan markkinoilla, ja se korostuu tuotteiden suunnittelussa (design for reliability) ja valmistuksessa (built-in reliability). Luotettavuuden lisääminen vaatii robusteja suunnittelu- ja valmistusprosesseja. Teknillisessä korkeakoulussa niitä kehitetään mallintamalla ja testaamalla elektroniikkatuotteen valmistuksen keskeisiä osaprosesseja ja komponenttilevyn käyttäytymistä käyttöolosuhteita simuloivissa luotettavuustesteissä. Koska kokoonpanon luotettavuus riippuu myös lämpötilan vaihtelusta sekä kosteuden ja epäpuhtauksien vaikutuksesta syntyvistä käyttörasituksista, on tärkeää, että kokoonpanon uunitus- eli reflow-prosessi mallinnetaan ja todennetaan kokeellisesti yhdessä komponenttilevyn luotettavuuden mallintamisen kanssa. Koska lämpötilavaikutukset kohdistuvat eri materiaalien liityntäkohtiin esimerkiksi piirilevyissä, juotoksissa tai liimaliitoksissa komponenttilevyjen luotettavuuden mallintaminen kannattaa kytkeä osaksi elektroniikkalaitteen suunnittelua ja valmistuksen mallintamista esimerkiksi kuvan 2.5 osoittamalla tavalla. Liitosrakenteiden luotettavuuden mallintamisella pyritään ennustamaan kokoonpanon todennäköisin vaurioton toiminta-aika termomekaanisessa tai nopeassa mekaanisessa kuormituksessa. 15
þ ýøù ü þ ø ÿþýüýûúùüüø öõôýüùü þþû ý ùü ýúþ üý þ þù þý õþþýüüø ü þ ü üù þ ü ûù ùü þ þ ü ÿþþ þ ü ü þ ýø úùúú ú ýúýüøýø ù ýø ù öõø üõþ ý ü ú üù þ ü ú úú þú û ù þ ü ø þú þ Kuva 2.4 Elektroniikkatuotteen valmistuksen mallintaminen osana luotettavuuden mallintamista. Kokoonpanon luotettavuuden mallintaminen on vaativa poikkitieteellinen tehtävä. Vaikka tilastolliset menetelmät ovat tärkeitä prosessi- ja ominaisuusvaihteluja sekä epävarmuustekijöitä määritettäessä, mallintamisen on perustuttava fysikaalis-kemiallisiin menetelmiin. Näin saadaan kestävä perusta kokoonpanon luotettavuuteen vaikuttavien tärkeimpien vikamekanismien tunnistamiselle ja korjaamiselle. Fysikaalisiin ilmiöihin perustuva mallintaminen auttaa myös ymmärtämään valmistuksen ja tuotteen ominaisuuksien välistä yhteyttä sekä kehittämään ja tuotannollistamaan valmistusteknologioita ja materiaaliratkaisuja, joilla voidaan valmistaa kilpailukykyisesti riittävän luotettavia uusia tuotteita. Kokoonpanon tarkastus ja testaus ovat osa valmistuksen mallintamista. Tuotantoparametrit ja niiden vaihtelut pitää voida kytkeä tuotteen vaurioprosesseihin. Näin voidaan kehittää luotettavuutta sekä tuotantoprosessin hallittavuutta. Valmistuksen ja kokoonpanon testauksen mallintamisella ja kokeellisella tutkimuksella saadaan arvokasta tietoa myös yleisimmin käytettyjen luotettavuustestien merkitsevyydestä tuotteiden testauksessa. 16
Piirilevyt ja valmistuksen integraatio Merkittävä este CSP- ja Flip Chip -tekniikoiden käyttöönotolle on tiheiden ja halpojen piirilevyjen huono saatavuus. Piirilevyjen ns. additiiviset valmistustekniikat ovat lupaavia mutta vielä kalliita. Ne parantavat mikroliitosten luotettavuutta ja helpottavat passiivi- ja aktiivikomponenttien hautaamista. Integroitujen piirien viivanleveydet pienenevät vuoteen 2010 mennessä luokkaan 0.07 mikrometriä (kuva 1). Kontaktialueiden koko sirun pinnalla pienenee alle 10 mikrometrin, jolloin mikroliitosten lukumäärä lisääntyy ja liitoskoko pienenee voimakkaasti. Alle millin sadasosan luokkaa olevien kontaktialueiden valmistaminen piirilevylle tuo suuria haasteita valmistustekniikan kehittämiselle. Kun sähköisten kontaktien tilavuudet pienenevät, komponentit asettuvat yhä lähemmäksi piirilevyä. Tällöin liitoksiin kohdistuu suurempia termomekaanisia rasituksia, mikä vaikuttaa luotettavuuteen. Valmistustekniikoiden integroinnin tavoitteena on parantaa samanaikaisesti luotettavuutta, suorituskykyä ja valmistuksen taloudellisuutta. Passiivikomponenttien pieneneminen ja lukumäärän kasvu piirilevyllä ajavat erityisesti kulutuselektroniikan valmistajia integroimaan komponentteja osaksi liitosalustaa. Näin piirilevylle jää enemmän tilaa aktiivikomponenteille. Piin ja piirilevyn pinta-alasuhde kasvaa ja kokoonpanoprosessi yksinkertaistuu. (a) (b) (c) Kuva 2.5 (a) Neljän IC:n testimoduli, jossa on kasvatustekniikalla kytketty 1504 kontaktinystyä (50?m), (b) osasuurennus päältä ja (c) poikkileikkauskuva kasvatetuista Cu Ni-kontakteista. 17
Myös aktiivikomponenetteja voidaan haudata piirilevyjen tai rakennealustojen sisään. Yksi esimerkki elektroniikan valmistuksen integroinnista, jota tutkitaan Elektroniikan valmistustekniikan laboratoriossa Suomen Akatemian, TEKESin ja teollisuuden rahoittamissa hankkeissa, on additiivinen kasvatus, jolla paljaat, koteloimattomat integroidut piirit liitetään suoraan alustaan ja kontaktoidaan valokuvioitavia resistejä ja kemiallista saostusta käyttäen. Kuvan 2.6 sovelluksessa neljä paljasta testipiiriä on kontaktoitu litografisesti kemiallista kuparia käyttäen. Kontaktointi tapahtuu huoneenlämpötilassa. Additiivinen kasvatus yhdistää tavallaan yhdeksi prosessiksi kolme nykyistä erillistä valmistusprosessia: alustan valmistuksen, koteloinnin ja kontaktoinnin. Samalla voidaan luopua lankaliittämisestä ja juottamisesta, jotka tulevat liitoskoon pienentyessä yhä vaikeammin hallittaviksi ja epäluotettavammiksi. Integroidut piirit ovat mekaanisesti ja sähköisesti hyvin suojattuja, sähköinen suorituskyky on erinomainen ja erittäin ohuiden sirujen 2D- tai 3Dkokoonpanojen edellyttämät kontaktoinnit suoritetaan kemiallisesti siruja ulkoisesti kuormittamatta. Elektroniikan valmistuksen ympäristövaikutuksia Uudet ympäristömääräykset ja kasvava ympäristömyönteisyys ohjaavat elektroniikan valmistusta mahdollisimman vähän luontoa kuormittaviin ratkaisuihin, jolloin uudet materiaalit ja valmistustekniikat vaikuttavat elektroniikkatuotteiden luotettavuuteen. Ihmiselle ja ympäristölle haitallisen lyijyn käyttö on kielletty tai sitä on rajoitettu monissa kohteissa. Elektroniikkateollisuus käyttää lyijyä juotteissa sekä komponenttien ja piirilevyjen johtimien suojapinnoitteissa. Sen korvaamista muilla metalleilla tai liittämismenetelmillä on tutkittu intensiivisesti 90-luvulla Euroopassa ja Yhdysvalloissa. Euroopan Unionin sähkö- ja elektronisten laitteiden kierrätystä koskevassa direktiiviehdotuksessa esitetään, että lyijyn ja eräiden muiden myrkyllisten aineiden käyttö kiellettäisiin kokonaan elektroniikan valmistuksessa vuoteen 2004 mennessä. Tällä hetkellä ei ole käytössä varsinaisesti eutektista tina/lyijy-juotetta korvaavaa seosta, mutta lupaavia vaihtoehtoja on useita. Mekaanisilta ominaisuuksiltaan parhaimmat lyijyttömät juotteet ovat tinavaltaisia seoksia, joissa on pieniä määriä useita seosaineita. Niiden sulamispisteet ovat 30 50 C korkeampia kuin yleisimmillä tina/lyijyseoksilla, mikä tuo komponenttien kokoonpanoon merkittäviä muutoksia. Muutoksia tulee myös uusien lyijyttömien piirilevyjen suojapinnoitteiden käyttöönotosta. Muutosten vaikutuksia itse reflow-prosessiin ja kokoonpanon luotettavuuteen on tutkittu varsin vähän. Paljon huomiota kiinnitetään myös juottamisprosessissa käytettyjen juoksutteiden (eli fluksien) ja muiden kemikaalien ympäristövaikutuksiin. Niin sanottuun pesuttomaan juottamiseen perustuva pintaliitostekniikka on juoksutejäänteiden pois pesua lukuun ottamatta paljolti samanlainen kuin tavanomainen pintaliitoskokoonpano. Pesuttomalla prosessilla pyritään myös matalampiin tuotantokustannuksiin; puhdistusvaiheen pois jättäminen vähentää laite-, kemikaali-, työvoima- ja jätekustannuksia. Koska pesuton kokoonpano ei poista piirilevyillä ja komponenteissa olevia epäpuhtauksia, kaikki osat on esipuhdistettava. Kokoonpanon suorituskyky riippuu pesuttomalle kokoonpanolle ominaisista vikatyypeistä, kuten oikosulkuja aiheuttavien juotepallojen ja siltojen muodostumisesta, juoksutejäänteiden aiheuttamista mekaanisesti heikoista liitoksista, korroosion vaurioittamista liitoksista ja polymeeripinnoitteiden heikosta tarttuvuudesta. Pesuttomien pastojen käyttö edellyttää tavanomaista tarkempaa reflow-uunin lämpötilaprofiilin kontrollointia, sillä juotettavuus tulee juoksutteen aktiivisuuden vähentyessä herkästi lämpötilasta riippuvaiseksi. Pesuttoman kokoonpanon suurimmat haasteet liittyvät tihentyvien kokoonpanojen luotettavuuteen, joihin pitäisi päästä matala-aktiivisemmilla juoksutteilla ilma- tai typpiatmosfäärissä tapahtuvassa, taloudellisesti edullisessa reflow-prosessissa. 18
Yksi tiheän ja pesuttoman kokoonpanon ongelma on erikoistiheästi kokoonpantavan elektroniikan tarvitsemat hienojakoiset (fine-line) juotepastat, joissa juotepartikkelien koon pienentyminen kasvattaa juotteen oksidin määrää. Tällöin juoksutteen tulisi olla hyvän juotettavuuden ja luotettavuuden takaamiseksi aktiivisempi, mikä on ristiriidassa pesuttomuuden vaatimusten kanssa. Opetuksen haasteista Integroituvassa elektroniikan valmistuksessa puolijohdetekniikka, piirilevytekniikka ja komponenttitekniikka yhdistyvät yhdeksi laajemmaksi tuotantoteknologiaksi. Näin valmistuksen opetus ja tutkimus ovat varsin poikkitieteellisiä. Elektroniikan valmistus ja luotettavuus edellyttävät, että elektroniikkasuunnittelu otetaan osaksi tuotteen suunnitteluprosessia. Niin sähköisen systeemi- ja piirilevytason suunnittelun kuin myös termisen ja termomekaanisen luotettavuussuunnittelun sekä valmistusprosessien mallintamisen ja simuloinnin on oltava osa elektroniikkatuotteen valmistuksen opetusta. 2.2 Mikroelektroniikan trendit Sami Franssila, TKK Mikroelektroniikkakeskus Mikroelektroniikka kasvaa kaksi kertaa nopeammin kuin muu elektroniikka-ala. Sen käyttö laajenee niin tietotekniikassa, tietoliikenteessä, kulutuselektroniikassa, autoelektroniikassa kuin teollisuuden prosessien mittauksessa ja säädössä. Se parantaa laatua, tehostaa pääoman käyttöä sekä säästää työtä ja energiaa. Mikroelektroniikan kehittyessä sen hinta laskee. Mooren lain mukaan komponenttien kapasiteetti kaksinkertaistuu 18 kuukauden välein; esimerkiksi muistien koko nelinkertaistuu kolmen vuoden välein. Koska mikroelektroniikka ei ole raaka-ainerajoitteista, sen kehitystä rajoittaa vain ideoiden ja tekijöiden puute. Mikroelektroniikan kehittäminen on ratkaisevassa asemassa uusia tuotteita luotaessa ja olemassa olevia edelleen kehitettäessä. Jo pelkän teknologiakehityksen seuranta ja ennakointi edellyttää laaja-alaista tutkimusta ja ajanmukaista koulutusta. Mikroelektroniikan rinnalle syntyy myös uusia aloja, kuten mikrosysteemiteknologia MST (tunnetaan myös nimillä mikromekaniikka ja mikroelektromekaaniset systeemit MEMS), optoelektroniikka (käytetään myös nimeä fotoniikka) sekä nanotekniikka. Näille kaikille on yhteistä mikroelektroniikasta lainattu mikrolitografia, joka mahdollistaa mikrometrimittakaavan tuotannollisen toiminnan. Elektroniikkaa voidaan nyt integroida suoraan mikromekaanisiin komponentteihin. Näin on tehty esimerkiksi autojen turvatyynyjen laukaisuantureissa sekä puolijohdemagneettikenttädetektoreissa. Osia voidaan myös liittää hybriditekniikalla, kuten on tehty VTT:n miniatyyri-infrapuna-analysaattorissa: ensimmäisellä piisirulla on infrapunalähde ja detektori, toisella mikromekaaninen kaistanpäästösuodatin ja kolmannella ohjauselektroniikka. Mikroelektroniikan pakkaustekniikan miniatyrisointi pienentää elektroniikkalaitteiden kokoa ja tuo niihin aivan uusia toimintoja. Mikrofluidistiikka, jossa mikro- ja nanolitranestemääriä käsitellään piikiekon pinnalle rakennettujen kanavien avulla, avaa kokonaan uusia näköaloja kemian ja biotekniikan laboratorioautomaatiossa. Piikiekoille voidaan myös kasvattaa mikrolitografialla DNA-fragmentteja, jolloin yhdellä DNA-sirulla voidaan tehdä samanaikaisesti jopa 100.000 analyysiä. Mikrolitra- ja nanolitranäytteitä voidaan myös kuljettaa piikiekoille rakennetuissa kanavistoissa erilaisten separointi-, konsentrointi-, pesu- ja detektioelementtien ohi. Koska mikroelektroniikassa samaa rakennetta voidaan monistaa halvalla satoja tai tuhansia kertoja, pystytään rakentamaan analysaattoreita, jotka analysoivat nopeasti hyvin suuria näytemääriä. Mikrometrimittakaavan etuna on myös se, että muun muassa diffuusioilmiöt tapahtuvat kymmeniä kertoja nopeammin kuin makrotason laitteissa. 19