3D打印電子產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化前景，判斷邏輯是怎樣的？

魔猴君  行業(yè)資訊   936天前

在過去十多年中，混合3D打印系統(tǒng)獲得了飛速的發(fā)展，結(jié)合噴墨和擠出技術(shù)，基于粉末床和氣溶膠噴射打印已成功用于3D打印電子設(shè)備。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)業(yè)界的投資機(jī)構(gòu)普遍關(guān)注的3D打印電子產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展到哪個(gè)階段了？國(guó)內(nèi)有一些企業(yè)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域，這些企業(yè)值得投資嗎？本期，我們將通過深入剖析3D打印電子產(chǎn)品的技術(shù)邏輯，與業(yè)界分享3D打印電子背后的價(jià)值判斷邏輯。

亞琛弗勞恩霍夫激光研究所3D打印感應(yīng)器© 德國(guó)亞琛Fraunhofer ILT

多材料的3D打印

更復(fù)雜、更集成

3D打印被應(yīng)用于電子領(lǐng)域的主要技術(shù)邏輯是3D打印可以實(shí)現(xiàn)的集成制造方式，可以將復(fù)雜的電路集成到由多種材料表面或內(nèi)部。例如可以將導(dǎo)電和非導(dǎo)電材料在一個(gè)加工過程中進(jìn)行加工，可以在剛性和柔性基板上3D打印嵌入式無源器件這些高度復(fù)雜的過程，可以實(shí)現(xiàn)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的保形打印，可以3D打印封裝在立方體中的LED，可以打印IC連接、感應(yīng)器、MEMS等等，這是使用標(biāo)準(zhǔn)加工技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)或者需要分成幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)的。例如3D打印半導(dǎo)體封裝的一個(gè)主要高價(jià)值用例是打印 3D 互連，以將芯片連接到其他芯片、傳統(tǒng)電路板，甚至直接集成到可穿戴設(shè)備等終端產(chǎn)品中。在這種情況下，該工藝取代了傳統(tǒng)的絲焊，因?yàn)樗哂懈〉目臻g要求、更低的損耗（特別是在高頻和毫米波中）和更高的機(jī)械可靠性。

目前每一種技術(shù)的成熟程度是不一樣的，完全3D打印電子產(chǎn)品還處在科研及圓形制造的階段，在走向規(guī)?；a(chǎn)的方向上，還需要效率、經(jīng)濟(jì)型、產(chǎn)品質(zhì)量一致性等多種關(guān)鍵因素的配合。根據(jù)IDTechEx 最新的電子行業(yè)報(bào)告，這份報(bào)告評(píng)估了部分PCB被集成電設(shè)備取代，從而節(jié)省空間、減輕重量并降低制造復(fù)雜性的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。這種發(fā)展趨勢(shì)涵蓋了3D表面電子加工、模內(nèi)電子 (IME) 和全3D 打印電子設(shè)備的電子功能。

3D電子全景圖© 3D科學(xué)谷白皮書

3D電子技術(shù)是一種新興的方法，將電子元器件集成于目標(biāo)對(duì)象表面或內(nèi)部。雖然長(zhǎng)期以來3D電子技術(shù)一直被用于在 3D 注塑物體表面添加天線和簡(jiǎn)單的導(dǎo)電互連，但越來越多的復(fù)雜電路通過利用新技術(shù)被添加到由各種材料制成的表面上。此外，根據(jù)IDTechEx 模內(nèi)電子設(shè)備和 3D 打印電子設(shè)備可以將完整的電路集成到一個(gè)物體內(nèi)，從而提供多種優(yōu)勢(shì)，包括簡(jiǎn)化制造和新穎的外形尺寸。

3D打印電子產(chǎn)© Research Gate

通過3D電子技術(shù)，添加電子功能不再需要將剛性平面 PCB 集成到對(duì)象中(也不需要然后連接相關(guān)的開關(guān)、傳感器、電源和其他外部組件）。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，3D打印技術(shù)屬于3D電子技術(shù)技術(shù)中的一種，這其中DW直寫3D打印技術(shù)為典型的電子領(lǐng)域的3D打印技術(shù)。

亞琛弗勞恩霍夫激光研究所3D打印感應(yīng)器© 德國(guó)亞琛Fraunhofer ILT

根據(jù)ACAM亞琛增材制造中心，3D打印-增材制造的發(fā)展趨勢(shì)朝向多維度的深化層面，當(dāng)前的一大發(fā)展趨勢(shì)包括多材料發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)揮3D打印實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)（包括幾何特征的復(fù)雜性，以及多材料結(jié)合的復(fù)雜性）是3D打印突破當(dāng)前應(yīng)用對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求的限制，向應(yīng)用端深度延伸走向產(chǎn)業(yè)化的一條發(fā)展路徑。

 3D表面電子加工

根據(jù)IDTechEx ，在 3D物體表面添加電氣功能最成熟的方法是激光直接成型 (LDS)，其中注塑塑料中的添加劑被激光選擇性地激活。這形成了隨后使用化學(xué)鍍金屬化的圖案。LDS 在大約十年前出現(xiàn)了巨大的增長(zhǎng)，每年用于制造數(shù)以億計(jì)的設(shè)備，其中大約 75%的應(yīng)用是天線制造。諾基亞早在起專利《Wireless portable electronic device having conductive body that functions as a radiator》中就揭示了關(guān)于無線便攜式電子裝置的設(shè)備制造，電子裝置包括由導(dǎo)電材料形成的主體，主體包括內(nèi)腔和開口。還包括設(shè)置在內(nèi)腔中的接地平面和電磁耦合，天線可以是環(huán)形天線和單極天線。這其中3D打印-增材制造技術(shù)在天線的制造中浮出水面。

3D打印天線© Research Gate

目前3D打印天線的材料種類繁多，大致包括混合材料（金屬油墨與非導(dǎo)電材料的混合等等），陶瓷，金屬材料。3D打印在各種天線的制造中，有應(yīng)用于便攜式通訊設(shè)備的，有應(yīng)用于5G基站的，有應(yīng)用于衛(wèi)星接收裝置，有應(yīng)用于航天器設(shè)備上的等等，在3D科學(xué)谷看來，3D打印在天線制造方面具有兩大技術(shù)邏輯：3D打印實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜更精致的結(jié)構(gòu)提升天線性能；3D打印實(shí)現(xiàn)輕量化、結(jié)構(gòu)一體化的天線結(jié)構(gòu)更節(jié)約材料與空間占用、更緊湊。

3D打印天線© 3D科學(xué)谷白皮書

3D表面加工方面，氣溶膠噴射3D打印技術(shù)和激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移 (LIFT) 是其他新興的數(shù)字沉積技術(shù)，這兩種技術(shù)都提供了更高分辨率和各種材料的快速沉積。

氣溶膠3D打印© 3D科學(xué)谷白皮書

氣溶膠3D打印通過數(shù)字控制空氣動(dòng)力學(xué)聚焦，精確地將電子墨水沉積到基礎(chǔ)材料上。通過納米顆粒的受控?zé)Y(jié)，整個(gè)過程可以確定固體結(jié)構(gòu)的確切孔隙度。氣溶膠噴射3D打印技術(shù)方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，毫米波集成電路 (IC) 的使用正以 27% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，但在許多應(yīng)用中受到阻礙，因?yàn)橛糜趯?IC 連接到電路的傳統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)致低無線范圍和/或高功耗。通過低損耗的方式連接保持設(shè)備性能， 諸如Optomec 的氣溶膠3D打印互連解決方案解決了這一缺陷。

目前Optomec氣溶膠噴射3D打印技術(shù)正在走向上升的商業(yè)化發(fā)展階段，其中一家年銷售額超過 200 億美元的全球領(lǐng)先的電子系統(tǒng)和其他先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品制造商已經(jīng)購(gòu)買了15臺(tái)Optomec的設(shè)備。而早期使用Optomec氣溶膠噴射3D打印技術(shù)的客戶已經(jīng)將該技術(shù)應(yīng)用到智能設(shè)備和微流控領(lǐng)域。使用該技術(shù)可以在無需添加支撐結(jié)構(gòu)的情況下使用光聚合物等材料打印出微米級(jí)的高縱橫比以及擁有不規(guī)則形狀的3D結(jié)構(gòu)。通過將這些3D結(jié)構(gòu)直接噴印在天線、傳感器、半導(dǎo)體芯片、醫(yī)療設(shè)備或工業(yè)零部件等結(jié)構(gòu)上，在一臺(tái)設(shè)備上即可制造出功能性3D電子組件。這種直接的數(shù)字方法優(yōu)化了制造工藝，減少了生產(chǎn)步驟和材料用量，因此氣溶膠噴射3D微結(jié)構(gòu)打印技術(shù)也是一種經(jīng)濟(jì)的、綠色技術(shù)。

完全3D打印電子

目前完全3D 打印的電子產(chǎn)品技術(shù)還未達(dá)到規(guī)模量產(chǎn)的商業(yè)化成熟階段，其制造過程是將介電材料（通常是熱塑性塑料）和導(dǎo)電材料依次沉積，結(jié)合放置的 SMD 組件，產(chǎn)生電路，同時(shí)可能具有嵌入 3D 塑料物體中的復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)。其核心價(jià)值創(chuàng)造技術(shù)邏輯：可以將每個(gè)對(duì)象和嵌入式電路按照不同的設(shè)計(jì)進(jìn)行制造，而不必每次都制造掩模和模具。在這方面，國(guó)際上Nano Dimension獨(dú)家的納米級(jí)銀質(zhì)導(dǎo)電材料AgCite以及PCB電路板3D設(shè)計(jì)軟件，能夠一次性生產(chǎn)混和導(dǎo)電(金屬)和絕緣(塑料聚合物)墨水材料的原型，精準(zhǔn)打印出完整且多層次的PCB特征，包含埋孔、鍍通孔的互連細(xì)節(jié)，且無須蝕刻、鉆孔、電鍍或破壞并在數(shù)小時(shí)內(nèi)即可完成。

根據(jù)IDTechEx ，全3D 打印電子產(chǎn)品的挑戰(zhàn)在于，制造過程從根本上說比通過注塑成型制造零件要慢得多，因?yàn)槊恳粚佣夹枰错樞虺练e（雖然使用多個(gè)噴嘴可以加速打印過程）。此外，確?？煽啃砸彩且豁?xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)榍度胧诫娮赢a(chǎn)品無法進(jìn)行事后修復(fù)——當(dāng)前的一種質(zhì)量控制策略是使用圖像分析檢查每一層，并在下一層沉積之前進(jìn)行修復(fù)。

因此，面向生產(chǎn)領(lǐng)域的電子產(chǎn)品3D打印，完全3D打印電子領(lǐng)域的頭部企業(yè)Nano Dimension需要進(jìn)一步開發(fā)自由曲面3D打印和高精度的3D組裝技術(shù)。為了加快在研發(fā)進(jìn)展，2021年9月，Nano Dimension與弗勞恩霍夫研究機(jī)構(gòu)旗下研究所Fraunhofer IPA 合作開發(fā)下一代 3D 打印系統(tǒng)。Fraunhofer開發(fā)下一代 3D 噴墨打印的目標(biāo)是為新型高性能電子設(shè)備 (Hi-PEDs?) 的超精確打印創(chuàng)建新的更好的流程和集成。Nano Dimension 和 Fraunhofer IPA 通過合作來專注于基于 3D 自由曲面打印和高精度 3D 組裝技術(shù)的機(jī)電系統(tǒng)自主制造領(lǐng)域的研發(fā)。由此項(xiàng)目產(chǎn)生的洞察力將納入 Nano Dimension 的 DragonFly? 增材制造系統(tǒng)，增強(qiáng)該設(shè)備的獨(dú)特性。

模內(nèi)電子

模內(nèi)電子 (IME)，是傳統(tǒng)的模內(nèi)裝飾(IMD)技術(shù)與柔性印制電路的結(jié)合。將機(jī)械式多功能控制開關(guān)以IME控制開關(guān)轉(zhuǎn)換,并通過注塑及散熱分析,得出模內(nèi)電子產(chǎn)品在注塑成型的充填、溫度分布、翹曲以及穩(wěn)定工作下散熱的特點(diǎn)，最終制作實(shí)物并安裝整車測(cè)試性能,得到的IME控制開關(guān)可以準(zhǔn)確完成所有功能的控制,并且相比原先的機(jī)械式開關(guān)減重近70%,實(shí)現(xiàn)了輕量化的目標(biāo)。這一技術(shù)可廣泛用于汽車、家電、消費(fèi)電子、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。IME 制造工藝可以看作是成熟的模內(nèi)裝飾 (IMD) 工藝的延伸，其中帶有裝飾涂層的熱成型塑料通過注塑成型轉(zhuǎn)化為 3D 組件。由于IME是現(xiàn)有技術(shù)的演進(jìn)，因此大部分現(xiàn)有的工藝知識(shí)和設(shè)備可以使用。IME其優(yōu)勢(shì)主要還是在于對(duì)產(chǎn)品厚度（空間）的優(yōu)化以及工序的簡(jiǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)成本、設(shè)計(jì)上的優(yōu)化。所以整個(gè)工藝還是需要實(shí)現(xiàn)在注塑的同時(shí)便完成產(chǎn)品生產(chǎn)，無須額外后處理工藝。

3D打印開辟了更多的電子產(chǎn)品制造方式，除了上述的模式，例如2019年，工程服務(wù)企業(yè)埃特博朗（ Etteplan ）與工業(yè)級(jí)3D打印企業(yè)EOS利用粉末床激光熔化3D打印技術(shù)開發(fā)了內(nèi)部嵌入電子器件的金屬3D打印零件。埃特博朗表示已找到了實(shí)現(xiàn)這類零件批量化生產(chǎn)的方式。

 © EOS

根據(jù)ACAM亞琛增材制造中心，增材制造在多功能材料方面的愿景為無限組合的材料與技術(shù)，而最終的目標(biāo)是點(diǎn)擊即生產(chǎn)。ACAM亞琛增材制造中心定義達(dá)到這個(gè)愿景的進(jìn)階過程包括5個(gè)梯度，當(dāng)前的世界范圍內(nèi)的發(fā)展大多還處在Level 0的水平，Level 0為功能化增材制造過程，Level 1為可預(yù)測(cè)的增材制造過程，Level 2為自動(dòng)化的增材制造過程，Level 3為全自動(dòng)化的增材制造包括前處理與后處理，Level 4為集成化的全自動(dòng)化不同制造工藝的組合。

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