Présentation détaillée – Les dernières tendances et technologies en matière de services de fabrication électronique (EMS)

Introduction

Les entreprises qui conçoivent, construisent, testent, livrent ou fournissent une assistance après-vente pour les composants et assemblages électroniques destinés aux équipementiers (OEM) entrent dans la catégorie des Services de fabrication électronique (EMS). L’industrie EMS est vaste et couvre de nombreux secteurs tels que ceux des consommateurs (smartphones, ordinateurs, etc.), des composants électroniques (connecteurs, semi-conducteurs, etc.), des produits industriels (automatisation et robotique), de la santé (dispositifs médicaux) et des gouvernements (automatisation et robotique). Les entreprises EMS utilisent l’intelligence artificielle (IA) et l’Internet des objets (IoT) pour créer des solutions intelligentes et affiner les processus à partir de données en temps réel. Elles s’intéressent aussi de plus en plus au développement durable et à l’importance de la mise en place d’une chaîne d’approvisionnement flexible.

Les EMS sont un secteur dynamique en pleine expansion, qui évolue rapidement et qui offre de nombreuses perspectives aux entreprises et aux investisseurs. Nous allons maintenant passer en revue les futures tendances qui se dessinent dans le domaine des EMS afin de découvrir comment ils permettront à un large éventail d’entreprises de fournir des solutions complètes, de proposer des produits de qualité supérieure et de répondre aux exigences en constante évolution des clients sur les marchés de l’électronique actuels.

Industrie 4.0 – usines intelligentes : la transformation numérique, processus au cours duquel les usines conventionnelles laissent place à l’Industrie 4.0 (quatrième révolution industrielle), commence par la collecte de données. L’on appelle « usine intelligente » une installation industrielle qui utilise l’IA, l’IoT et l’analytique du Big Data. Au sein d’une usine intelligente, les processus de fabrication sont optimisés au maximum et les erreurs humaines sont limitées grâce à une prise de décision basée sur les données en temps réel. Par exemple, les entreprises de fabrication électronique utilisent désormais des machines de soudage laser et des systèmes de détection de défauts améliorés par l’IA. Grâce à des capteurs avancés tels que des capteurs de température et des caméras infrarouges, ces machines de soudage laser surveillent en permanence le processus de soudage en temps réel. L’atelier, quant à lui, peut être surveillé à distance grâce à une fonction de stockage vidéo et un logiciel informatique dédié. Le système de détection des défauts basé sur l’IA/AA utilise des réseaux neuronaux profonds pour détecter les défauts que les systèmes de vision standard ou l’œil humain ne permettent pas de repérer. Cette technologie accélère les procédures d’inspection et augmente respectivement le rendement et les performances des produits de 97% et 30%. Tout écart par rapport à la norme peut entraîner des alertes ou des modifications automatiques. Le système de détection réduit les rebuts en détectant les problèmes avant qu’une pièce n’atteigne l’étape suivante du processus de fabrication. La figure 1 montre comment l’Industrie 4.0 coordonne les différentes activités d’une usine intelligente. Pour en savoir plus sur l’Industrie 4.0 – usines intelligentes, cliquez ici et ici.

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Figure 1 : Industrie 4.0

Fabrication durable et technologies vertes : la fabrication durable consiste à fabriquer des produits en employant des processus économiquement sains ayant un impact environnemental minimal tout en préservant les ressources naturelles et l’énergie. Par exemple, le passage à des techniques d’impression 3D de circuits imprimés permet de réduire la consommation d’eau jusqu’à 95% et ainsi de réaliser des économies d’eau annuelles pouvant atteindre des centaines de millions de litres. De même, les transistors à effet de champ à nanotubes de carbone (CNT-FET), les transistors en couches minces à nanofils, à effet tunnel et « nanocore-shell » peuvent fonctionner à une température de 300K dans des salles blanches avec un minimum de déchets générés par la nanotechnologie. Des améliorations significatives dans le secteur de l’électronique ont permis de remplacer le silicium conventionnel par du nitrure de gallium et du carbure de silicium dans les semi-conducteurs. Cette technologie « à large bande interdite » permet d’améliorer les performances des matériaux, les rendements des appareils, et de réduire les coûts de production. Le chargement de batteries sans fil et l’éclairage LED sont d’autres exemples de technologies vertes. Les entreprises adoptent de plus en plus de pratiques de fabrication écologiques visant à limiter les intrants polluants connus, augmenter le recours à des ressources renouvelables et développer le recyclage. Le chargement de batteries sans fil et l’éclairage LED sont d’autres exemples des technologies vertes, car ils réduisent la consommation d’énergie.

En outre, les circuits imprimés flexibles exigent une refonte des processus standard, comme le remplacement des substrats ininflammables classiques par du plastique ou du papier. L’adoption de nouvelles technologies est l’occasion de procéder à des ajustements supplémentaires, tels que le recours à de nouveaux matériaux et à des techniques d’impression 3D. Les circuits imprimés fabriqués en plastique comme le polytéréphtalate d’éthylène (PET), qui ont des tolérances thermiques relativement faibles, peuvent également nécessiter une fabrication à basse température.

Les circuits intégrés ULSI, qui fonctionnent à basse tension, affichent une faible consommation. Les nanodispositifs à couches minces ou monocouche atomique présentent des effets de confinement qui entraînent une diminution du courant de conduction. Les principaux nœuds technologiques sont des transistors à effet de champ à ailettes qui exploitent les canaux d’inversion surélevés, multipliant ainsi les capacités des MOSFET.

Les technologies vertes incluent les panneaux solaires, les éoliennes, les puits géothermiques et autres technologies capables de convertir des ressources renouvelables en énergie pratique et adaptée. La recharge sans fil n’est qu’une des nombreuses avancées en constante évolution dans le secteur des véhicules électriques. Avec des émissions nulles et une consommation optimisée, les véhicules électriques sont plus avantageux que les véhicules à essence dans un grand nombre d’applications.

La figure 2 contient plusieurs exemples de technologies électroniques vertes.

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Figure 2 : Matériaux biodégradables et processus écologiques

L’IIoT et l’IA au service de la fabrication intelligente : la fabrication intelligente est une approche automatisée qui réunit l’Internet industriel des objets (IIoT) et l’intelligence artificielle (IA) pour assurer le suivi des processus de fabrication dans les usines conventionnelles. Les processus intelligents améliorent la productivité, la durabilité et les performances économiques à partir d’informations numériques. Par exemple, un fabricant de circuits imprimés installe des capteurs dans les machines de l’usine pour surveiller l’ensemble de son processus de production. Les capteurs collectent des données sur l’état des machines, et des outils d’analyse de données avancés alimentés par l’IA traitent ces données en temps réel et alertent les employés en cas de ralentissement potentiel de la production. Ce type d’approche permet de prévoir les temps d’arrêt des équipements et de planifier les opérations de maintenance bien avant qu’une panne ne se produise.

Les capteurs de proximité sont conçus pour des applications industrielles et de fabrication en raison de leur capacité à détecter des objets sans contact physique. Sur les lignes d’assemblage de circuits imprimés automatisées, les capteurs de proximité assurent la détection, le positionnement, l’inspection et le comptage des composants. Les capteurs de proximité ultrasoniques sont destinés à des applications dans le domaine de la fabrication, car ils permettent de détecter des objets sur une longue distance. Ces capteurs détectent les objets à l’aide d’ondes sonores comprises entre 25 et 50kHz, non perceptibles par l’oreille humaine. Ainsi, la capacité du capteur à détecter un objet n’est pas affectée par la couleur ou la transparence de l’objet.

Le système de réseau intelligent est un autre exemple d’utilisation de l’IA et de l’IIoT dans le domaine des EMS. À la fois simples et constants, les API s’emploient idéalement sur les convoyeurs à bande contrôlée utilisés dans la plupart des installations de fabrication de haut-parleurs pour salles de concert et de cinéma. Un API peut utiliser un variateur de fréquence (VF), des amortisseurs et des vannes pour commander un système CVC afin de maintenir un débit d’air prédéfini. Il est également capable de réguler les températures dans une zone donnée. Des capacités qui s’avèrent particulièrement utiles dans l’industrie électronique audio, qui nécessite un débit d’air et une température précis afin d’assurer une précision audio maximale pour les tests électriques, les mesures et l’étalonnage.

La figure 3 décrit les caractéristiques de l’IIoT pour le secteur de la fabrication électronique.

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Figure 3 : Caractéristiques polyvalentes de l’IIoT pour le domaine de la fabrication

Utilisation de robots industriels - COBOTS : les robots collaboratifs (COBOTS) sont de petits robots industriels équipés de capteurs affichant une charge utile relativement faible et conçus pour travailler en étroite collaboration avec les humains. Les cobots font preuve de constance et de précision. Leurs capteurs intégrés les rendent aptes à diverses applications. Les robots installés dans les usines intelligentes sont dotés de caméras haute résolution qui leur permettent de voir et de contrôler les caractéristiques physiques des composants tout en effectuant des tâches de transfert.

Par exemple, le robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm, ou Bras robotisé d’assemblage à conformité sélective) se révèle particulièrement efficace dans les petits assemblages de composants électroniques, les opérations de transfert, la gravure laser, l’impression 3D et le soudage. Les capteurs de force montés sur les bras robotisés assurent l’application d’une pression appropriée pendant la manipulation et l’assemblage des différents éléments du circuit imprimé. Les bras flexibles de ces robots leur permettent d’effectuer la plupart des tâches physiques plus efficacement et plus rapidement qu’un être humain (voir la figure 5). Cela inclut des inspections optiques automatisées (AOI), des inspections radiographiques automatisées (AXI), etc. Les cobots sont capables de contrôler visuellement les assemblages électroniques afin de vérifier que les soudures, l’alignement des composants ainsi que toute autre propriété physique sont conformes (voir la figure 5). Les robots mobiles autonomes (AMR) sont un autre type de cobots.

Capables de localiser, de suivre et de déplacer des produits dans l’atelier, ils peuvent également procéder à des transferts. Ces AMR se déplacent seuls au sein de l’installation, aux côtés des employés, tout en apprenant et en partageant automatiquement les itinéraires les plus pertinents. Ces applications de robots autonomes contribuent à la réduction des délais de commande jusqu’à 50% et à doubler le gain de productivité de prélèvement.

Les cobots constituent un élément essentiel de toute usine intelligente, car ils renforcent la flexibilité des processus et la productivité sans nuire à la qualité et à la sécurité. Ils sont donc d’une rentabilité exceptionnelle dans les services de fabrication électronique modernes (comme le montre la figure 4).

Figure 4 : Avantages des robots collaboratifs

Figure 5 : Robot inspectant un circuit imprimé

Figure 6 : Bras robotique installant un processeur

L’impression 3D au service de la fabrication adaptative : les données en temps réel et les technologies avancées utilisées dans la fabrication adaptative permettent aux responsables d’usines de rationaliser leurs opérations et de réagir rapidement aux évolutions des préférences des consommateurs et aux différentes variantes de produits. L’impression 3D, avec ses fonctionnalités et avantages uniques, a révolutionné la fabrication de pièces complexes et spécialisées. Là où les méthodes de production conventionnelles ne le permettaient pas, il est désormais possible d’imprimer des circuits multicouches (y compris des circuits RF) en 3D sur des surfaces non plates et flexibles (voir la figure 8). Cela permet aux ingénieurs d’utiliser l’impression 3D pour créer des structures complexes constituées de composants électroniques intégrés, de capteurs encapsulés et d’antennes. Une imprimante 3D multicouche et multi-matériaux de pointe peut produire des circuits entiers en une seule étape (substrats, traces conductrices et composants passifs compris). Cette machine est également conçue pour le développement de produits et le prototypage rapide.

L’impression 3D permet aux entreprises d’itérer et de tester rapidement différentes conceptions de produits avant de lancer la production à grande échelle. Elle permet également la production de pièces et de produits complexes et spécialisés qui seraient difficiles, voire impossibles, à fabriquer à l’aide de processus conventionnels. La figure 7 montre un exemple de haut-parleur en forme d’œuf développé à l’aide d’une imprimante 3D. L’impression 3D est compatible avec une grande variété de matériaux, y compris les plastiques, les métaux, les céramiques et même les matériaux biocompatibles. Une flexibilité qui s’avère particulièrement avantageuse pour la fabrication adaptative, car elle permet aux entreprises de créer de nombreux produits pour divers secteurs et applications.

Les imprimantes 3D permettent de personnaliser les appareils électroniques grand public. L’impression 3D facilite la production de claviers, de clés USB et de boîtiers électroniques personnalisés. Pour en savoir plus sur l’impression 3D avancée et les imprimantes 3D, cliquez ici.

Figure 7 : Haut-parleur ovoïde imprimé en 3D

Figure 8 : Prototype imprimé en 3D d’une carte de circuit imprimé

Figure 9 : Antenne imprimée en 3D

Miniaturisation et emballage intelligent : les préférences des consommateurs en constante évolution et les progrès technologiques continus ont donné lieu à deux tendances transformatrices dans le secteur des services de fabrication électronique (EMS) : la miniaturisation et l’emballage intelligent.

Miniaturisation : l’attrait des technologies portables, des appareils IoT et de l’électronique grand public de plus en plus compacts et légers favorise la miniaturisation. Les composants électroniques compacts offrent de meilleures performances, car plus les pièces sont petites, plus la distance de déplacement des signaux est réduite, plus la génération de chaleur est limitée et plus le rendement énergétique est accru. La miniaturisation permet également d’intégrer davantage de composants en un même boîtier (figure 10). Quels en sont les avantages ? Des économies, une plus grande fiabilité et une consommation d’énergie limitée. Les équipements technologiques étant très variés, l’on retrouve des circuits intégrés et des substrats de toutes tailles et de toutes formes d’un produit à l’autre. Le capteur à nanonets et le transistor à fourche sont deux développements récents dans le domaine des composants électroniques miniaturisés.

Emballage intelligent : les consommateurs qui optent pour un emballage intelligent peuvent recevoir des informations en temps réel sur les produits, telles que les dates d’expiration, les instructions d’utilisation, ou encore l’authenticité des produits. La technologie CoB (Chip-on-Board, ou puce embarquée) emploie un processus spécialisé qui consiste à fixer les puces de circuit intégré à n’importe quel substrat ou carte. Cette technologie améliore à la fois l’expérience utilisateur et la sécurité du produit. L’emballage intelligent permet également aux entreprises de surveiller l’état de leurs produits tout au long de la chaîne d’approvisionnement afin de limiter les pertes dues au vol ou au dépassement de la date d’expiration. Dans des secteurs tels que l’industrie pharmaceutique et les denrées périssables, la gestion des dates d’expiration est souvent cruciale.

Figure 10 : Emballage intelligent

Électronique organique et gestion de l’énergie : destinés à des applications techniques, les matériaux organiques permettent de fabriquer des dispositifs écologiques, économiques, ultra-légers et flexibles dotés de diverses fonctionnalités électroniques ou optoélectroniques. L’électronique portable, la technologie de détection flexible et l’emballage nouvelle génération sont des exemples d’électronique organique. Pour les dispositifs médicaux avancés, tels que les glucomètres destinés aux diabétiques, les cardiofréquencemètres et autres instruments biométriques, l’électronique biocompatible est devenue une évidence.

À la différence des semi-conducteurs inorganiques tels que le silicium, les matériaux électroniques organiques requièrent une faible tension de fonctionnement, réduisant ainsi les températures de traitement, et donc la quantité d’énergie nécessaire à la production. Par exemple, les diodes électroluminescentes organiques (OLED) sont plus économes en énergie dans les applications d’affichage, car elles génèrent de la lumière à des tensions inférieures à celles des LED classiques. En outre, les matériaux électroniques organiques affichent souvent des courants de fuite plus faibles, permettant ainsi de consommer encore moins d’énergie, pour des économies encore plus conséquentes.

La finesse des transistors électrochimiques organiques (OECT) en fait les composants idéaux pour le développement de matériel neuromorphique et de bioélectronique intelligente portable ou implantable. Grâce à leurs remarquables capacités de détection et de mémoire analogique, ils sont capables de détecter différents stimuli ainsi que des signaux, la lumière et la température. Les OECT peuvent adopter et conserver des états analogiques de 10bits.

Les concepteurs peuvent intégrer des matériaux électroniques organiques dans des appareils de récupération d’énergie tels que des systèmes photovoltaïques organiques (OPV) pour transformer la lumière ambiante ou générer de l’électricité. Cette électricité permet d’exécuter des applications à distance, à faible consommation ou à énergie limitée.

Certains matériaux organiques utilisés dans le secteur de l’électronique sont biodégradables ou recyclables, permettant ainsi de limiter l’impact sur l’environnement et la consommation d’énergie associés à la mise au rebut des déchets électroniques.

Développement durable : afin de se conformer aux tendances mondiales et de respecter les objectifs en matière de développement durable, l’industrie électronique s’efforce d’améliorer le rendement énergétique de ses produits tout en réduisant sa consommation d’énergie.

Figure 11 : Analyse du cycle de vie et optimisation de l’empreinte carbone

Une stratégie durable de gestion des déchets électroniques relève de la responsabilité élargie du producteur (EPR), également appelée gestion responsable des produits. Par exemple, les nouveaux types de matériaux et d’emballages soumis aux programmes EPR peuvent être pris en charge par l’infrastructure d’IA dans les jours ou semaines suivant la première observation du nouveau type d’objet. Dès que l’IA détecte l’objet, elle communique avec les autres installations afin qu’elles puissent toutes apprendre les unes des autres et accroître leur impact. Ces informations peuvent constituer la base des audits permanents basés sur l’EPR, avec une visibilité pour toutes les parties prenantes telles que les entreprises de recyclage, les producteurs, les organisations à but non lucratif ou les organismes gouvernementaux.

L’association de systèmes robotiques à des installations de récupération de matériaux peut améliorer le tri des articles recyclables. Pour ce faire, des robots sont installés sur le convoyeur et les systèmes de tri existants. Les taux de recyclage et de récupération peuvent être améliorés à l’aide de robots alimentés par l’IA, qui s’adaptent aux différentes méthodes d’emballage et de récupération.

Figure 12 : Schéma fonctionnel de l’EPR

Conclusion

L’industrie EMS évolue sans cesse sous l’impulsion de la demande dynamique des marchés et des avancées technologiques. Ces progrès transforment les processus de conception et de production des produits électroniques, qui deviennent ainsi toujours plus efficaces et innovants. L’IA et l’AA s’intègrent de plus en plus aux processus EMS dans le but d’améliorer l’efficacité et le contrôle qualité. Ces technologies permettent la détection des défauts, la maintenance prédictive et l’optimisation des processus. À l’avenir, les EMS sont voués à entraîner une réduction des coûts de production, une efficacité accrue et une progression constante vers des systèmes électroniques plus complexes et en réseau, si les professionnels du secteur adoptent ces tendances.