目前，3D打印正迅速成為推進(jìn)電子制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，它主要用于通過快速原型開發(fā)來加速產(chǎn)品開發(fā)。但是，越來越多的人看到技術(shù)轉(zhuǎn)移到功能性電子元件的生產(chǎn)過程中。預(yù)計 到2029年，3D打印電子產(chǎn)品的總市場價值將超過20億美元。在今天的文章中，我們一起探討一下未來發(fā)展趨勢 是什么推動3D打印在電子行業(yè)中的應(yīng)用？ 當(dāng)前電子產(chǎn)品的生命周期正在縮短，這意味著電子制造商不得不找到加速產(chǎn)品開發(fā)和制造的方法。此外，最小訂貨量通常大于制造商的需求量，迫使他們購買的原型數(shù)量超過測試和驗證所需的數(shù)量?？紤]到這些問題，制造商正在尋找使原型設(shè)計更接近其設(shè)計團(tuán)隊的想法。對于國外客戶來說， 實現(xiàn)此目標(biāo)的一種方法是使用本地合同制造商。但是，這帶來了另一個可能侵犯知識產(chǎn)權(quán)的問題。理想情況下，制造商需要有一種在內(nèi)部進(jìn)行原型制作的解決方案，這就是 電子3D打印應(yīng)運而生的地方。
專為電子應(yīng)用開發(fā)的3D打印機之所以受到青睞，是因為它們允許電子公司在內(nèi)部進(jìn)行原型制作。這樣的系統(tǒng)通常以緊湊的桌面式出現(xiàn)，這使得它們很容易放在產(chǎn)品開發(fā)部門中。 重要的是，3D打印機可以在幾個小時內(nèi)創(chuàng)建電子組件的原型，例如印刷電路板（PCB），天線，電容器和傳感器。結(jié)果，設(shè)計驗證變得更快，從而可以進(jìn)行更頻繁的重新設(shè)計。此外，內(nèi)部保留用于電子產(chǎn)品的3D打印系統(tǒng)還可以降低IP盜用的風(fēng)險。
推動電子3D打印的另一個因素是電子組件的不斷發(fā)展和小型化，以及對高級功能的需求不斷增加。對非標(biāo)準(zhǔn)，靈活的電子產(chǎn)品的需求呈指數(shù)增長，但由于使用傳統(tǒng)技術(shù)制造此類組件可能會面臨挑戰(zhàn)，因此3D打印技術(shù)已開始提供滿足需求的方法。
打印電子產(chǎn)品不是一個新概念。幾年來，諸如噴墨和絲網(wǎng)印刷的2D打印技術(shù)已用于制造電子組件。所有這些過程仍然運行良好，但是有局限性：大多數(shù)2D工藝被開發(fā)為可以二維打印，這意味著它們只能用于在平面上制造電子組件。例如，在傳統(tǒng)的PCB制造中，工程師以2D設(shè)計，并以2D制造不同的PCB層。然后，他們必須完成各種附加的處理步驟，例如鉆孔，壓制和電鍍，以便開始將許多單獨的層連接到多層三維電路板上。
3D打印擴展了設(shè)計選項，使工程師可以在非平面表面上打印整個電路，該技術(shù)目前主要用于原型制作。但是，經(jīng)過改進(jìn)的新的系統(tǒng)開始進(jìn)入市場，這標(biāo)志著不久的將來，我們可能會看到3D打印的電子產(chǎn)品用于功能齊全的量產(chǎn)產(chǎn)品。
3D打印電子產(chǎn)品的關(guān)鍵應(yīng)用 3D打印天線
天線是所有商用和軍用飛機以及衛(wèi)星，無人機和地面終端中永遠(yuǎn)存在的組成部分。 3D打印的出現(xiàn)加快了新型天線設(shè)計的發(fā)展，而傳統(tǒng)的制造技術(shù)則無法實現(xiàn)。3D打印還使制造商可以生產(chǎn)重量更輕，成本更低的傳統(tǒng)天線形狀。 Optisys是一家致力于使用金屬3D打印設(shè)計，制造和測試輕型天線的公司。為了制造天線，Optisys使用了粉末床熔合工藝，其中通過高功率激光將粉末的薄層焊接到固體金屬中。 通過該焊接過程，零件一次被構(gòu)造成一個小層。此制造過程僅允許在需要的區(qū)域添加材料，以實現(xiàn)給定的機械或射頻（RF）功能。 Optisys生產(chǎn)了一個演示部件– X波段SATCOM集成跟蹤陣列（XSITA）天線。3D打印與仿真軟件相結(jié)合，使Optisys可以將組件中的零件數(shù)量從100多個減少到1個。Optisys還報告說，交貨時間從11個月減少到2個月，減少了9個月，生產(chǎn)成本減少了至少20％ 互連線
使用Optomec的Aerosol Jet技術(shù)進(jìn)行3D打印的電子結(jié)構(gòu)[圖片來源：諾斯羅普·格魯曼（Northrop Grumman）] 互連是任何電子系統(tǒng)的固有部分，是將兩個或多個電路元件（例如晶體管）電連接在一起的結(jié)構(gòu)。 當(dāng)前制造互連的方法（例如引線鍵合）具有一些局限性，包括較長的導(dǎo)體路徑和易碎部件上的高機械應(yīng)力，將互連直接打印在PCB和RF組件焊盤上可能解決這些挑戰(zhàn)。 由Optomec開發(fā)的Aerosol Jet技術(shù)是可以在3D表面上打印共形互連的技術(shù)之一，而無需進(jìn)行引線鍵合。氣溶膠噴射印刷從油墨霧化開始，產(chǎn)生直徑為1到2微米的液滴。霧化的液滴被氣流夾帶并輸送到打印頭。然后，打印機以高速噴射材料的小滴，使它們粘在基材上。該過程在室溫下進(jìn)行，無需使用真空室或壓力室。 航空航天和國防科技公司諾斯羅普·格魯曼公司（Northrop Grumman）的一個團(tuán)隊已使用這種方法生產(chǎn) 砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體。在這項研究中，研究人員在基于GaAs的微波單片集成電路（MMIC）上進(jìn)行3D打印的介電層和橋式金互連。 打印后，對MMIC器件進(jìn)行了RF測試和可靠性測試，包括熱沖擊，熱循環(huán)和電流應(yīng)力測試。在如此嚴(yán)酷的條件下幸存下來之后，MMIC沒有表現(xiàn)出任何性能下降的跡象，證明了3D打印的互連可以在現(xiàn)實世界中發(fā)揮作用。 電容器類
電容器是電子電路中用于存儲能量和電荷的設(shè)備，是可以進(jìn)行3D打印的另一個組件。 當(dāng)今的傳統(tǒng)PCB制造技術(shù)要求將電容器安裝到PCB上。然而，這導(dǎo)致PCB表面積的使用不是非常有效。 另一方面，3D打印允許將電容器直接打印在PCB上，從而使電子工程師可以避免潛在的耗時和復(fù)雜的組裝過程，同時還能減小電路板的占位面積。其他好處可能包括更短的電路路徑，擴展的帶寬，提高的信號速度和最小的噪聲。 最近，電子3D打印機開發(fā)商Nano Dimension宣布已成功開發(fā) 嵌入式3D打印電容器。他們的技術(shù)為3D打印機的DragonFly系列提供動力，其工作方式是按照設(shè)計文件指定的位置，從基材開始逐層沉積兩種材料（一種導(dǎo)電性和一種介電質(zhì)）。 據(jù)報道，經(jīng)過260多次測試，使用30種不同的3D打印電容器尺寸，該公司證明了一致的結(jié)果：表明各組件之間的差異小于1％。 Nano Dimension表示，其電容器可用于射頻傳輸線，音頻處理，無線電接收和電源電路調(diào)節(jié)。 這一里程碑與電子行業(yè)朝著電子設(shè)備的小型化和扁平化發(fā)展趨勢相一致。顯然，3D打印生產(chǎn)較小電容器的能力正在擴展，這為電子工程師提供了優(yōu)化PCB設(shè)計的新方法。 射頻組件 哈里斯公司和Nano Dimension成功地合作生產(chǎn)了3D打印的射頻電路[圖片來源：哈里斯公司] 除電容器外，Nano Dimension的3D打印機還用于設(shè)計RF組件。這些是用于長距離傳輸數(shù)據(jù)，視頻，語音和其他信息的任何電子系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。 哈里斯公司 （ Harris Corporation ）是一家專門從事戰(zhàn)術(shù)通信，地理空間系統(tǒng)和服務(wù)以及航空電子和電子戰(zhàn)的 公司 ，該公司已使用DragonFly Pro 2020 3D打印機開發(fā)了3D打印的RF放大器。 通過使用3D打印，哈里斯在10小時內(nèi)制造了101 x 38毫米厚的電路。使用Nano Dimensions的銀納米粒子導(dǎo)電和電介質(zhì)油墨在單張印刷中創(chuàng)建功能性電子零件，然后將這些組件手動焊接到PCB。 與傳統(tǒng)制造的放大器相比，3D打印的放大器顯示出相似的RF性能，清楚地證明了3D打印的電子產(chǎn)品在RF電路中的可行性。 傳感器
3D打印傳感器是3D打印電子產(chǎn)品最令人興奮的應(yīng)用之一。這些設(shè)備可以檢測并響應(yīng)物理環(huán)境中的某些類型的輸入，從汽車的排放控制系統(tǒng)到自動門和移動電話，無處不在。 生物醫(yī)學(xué)傳感器 是可以從3D打印中受益的一種應(yīng)用。例如，佐治亞理工大學(xué)和埃默里大學(xué)的研究人員正在開發(fā)一種3D打印的傳感器，該傳感器可以潛在地幫助臨床醫(yī)生無線監(jiān)測和評估動脈瘤的愈合。 該傳感器是在3D氣溶膠噴射技術(shù)的幫助下創(chuàng)建的。它包括由生物相容性聚酰亞胺制成的六層，由銀納米顆粒制成的網(wǎng)狀圖案的兩個獨立層，電介質(zhì)和柔軟的聚合物封裝材料。 根據(jù)研究團(tuán)隊的說法，3D打印使一步一步生產(chǎn)非常小的電子功能成為可能。這消除了對傳統(tǒng)的多步光刻工藝的需求。這也意味著可以以更高的體積和更低的成本來制造傳感器。 這項技術(shù)使人們可以一窺智能設(shè)備和電子3D打印的組合如何促進(jìn)醫(yī)療保健。 除醫(yī)療應(yīng)用外，3D打印的傳感器還可用于監(jiān)控渦輪葉片的性能。例如，通用電氣正在使用Optomec的Aerosol Jet技術(shù)將陶瓷應(yīng)變傳感器直接打印到渦輪葉片上。這些傳感器用于檢測金屬的疲勞和蠕變，以防止造成高成本和危險的故障。 據(jù)報道，使用3D打印傳感器為GE 節(jié)省了10億美元， 維護(hù)渦輪葉片既昂貴又費時，但是在燃?xì)廨啓C組件上進(jìn)行3D打印傳感器可以幫助優(yōu)化該過程。 3D打印和傳感器技術(shù)的結(jié)合為醫(yī)療，能源和航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用打開了大門。隨著該領(lǐng)域研究的繼續(xù)，我們將看到3D打印傳感器的使用在不斷增長，這是由于對更小，性能更高的監(jiān)控解決方案的需求所推動。 隨著電子行業(yè)不斷發(fā)展的需求而不斷增長， 3D打印電子產(chǎn)品是3D打印領(lǐng)域中一個年輕但 迅速成熟的行業(yè)。 目前，電子產(chǎn)品3D打印提供了快速的原型解決方案，但是距離我們看到更高數(shù)量的電子產(chǎn)品增材制造還需要幾年的時間。通過發(fā)布改進(jìn)的，具有生產(chǎn)能力的系統(tǒng)并開發(fā)性能更好的導(dǎo)電和介電材料，正在使這一愿景變?yōu)楝F(xiàn)實。
例如，Nano Dimension最近發(fā)布了其新的DragonFly Lights-Out數(shù)字制造（LDM）系統(tǒng)。該公司表示，該系統(tǒng)可用于小批量生產(chǎn)功能性3D打印的多層PCB，電容器，線圈，傳感器和天線。
繼傳統(tǒng)機械3D打印的腳步之后，電子3D打印領(lǐng)域看起來將在未來幾年經(jīng)歷巨大的增長。
