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(jì) 到2029年，3D打印電子產(chǎn)品的總市場(chǎng)價(jià)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(shì)

是什么推動(dòng)3D打印在電子行業(yè)中的應(yīng)用？

電路板的3D打印原型[納米尺寸]

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，*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(cè)試和驗(yàn)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(jì)更接近其設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的想法。對(duì)于國外客戶來說， 實(shí)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(gè)可能侵犯知識(shí)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(yùn)而生的地方。
專為電子應(yīng)用開發(fā)的3D打印機(jī)之所以受到青睞，是因?yàn)樗鼈冊(cè)试S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(jī)可以在幾個(gè)小時(shí)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(jì)驗(yàn)證變得更快，從而可以進(jìn)行更頻繁的重新設(shè)計(jì)。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(xiǎn)。
推動(dòng)電子3D打印的另一個(gè)因素是電子組件的不斷發(fā)展和小型化，以及對(duì)高級(jí)功能的需求不斷增加。對(duì)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(huì)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(gè)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(yùn)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(jì)，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(dú)的層連接到多層三維電路板上。
3D打印擴(kuò)展了設(shè)計(jì)選項(xiàng)，使工程師可以在非平面表面上打印整個(gè)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(chǎng)，這標(biāo)志著不久的將來，我們可能會(huì)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(jī)以及衛(wèi)星，無人機(jī)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(jì)的發(fā)展，而傳統(tǒng)的制造技術(shù)則無法實(shí)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(jì)，制造和測(cè)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(gè)小層。此制造過程僅允許在需要的區(qū)域添加材料，以實(shí)現(xiàn)給定的機(jī)械或射頻（RF）功能。

Optisys生產(chǎn)了一個(gè)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(gè)減少到1個(gè)。Optisys還報(bào)告說，交貨時(shí)間從11個(gè)月減少到2個(gè)月，減少了9個(gè)月，生產(chǎn)成本減少了至少20％ 互連線

互連是任何電子系統(tǒng)的固有部分，是將兩個(gè)或多個(gè)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(jī)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(jī)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(gè)團(tuán)隊(duì)已使用這種方法生產(chǎn)砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體。在這項(xiàng)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(duì)MMIC器件進(jìn)行了RF測(cè)試和可靠性測(cè)試，包括熱沖擊，熱循環(huán)和電流應(yīng)力測(cè)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(shí)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(chǔ)能量和電荷的設(shè)備，是可以進(jìn)行3D打印的另一個(gè)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(shí)和復(fù)雜的組裝過程，同時(shí)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(kuò)展的帶寬，提高的信號(hào)速度和*小的噪聲。

*近，電子3D打印機(jī)開發(fā)商N(yùn)ano 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(jī)的DragonFly系列提供動(dòng)力，其工作方式是按照設(shè)計(jì)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(bào)道，經(jīng)過260多次測(cè)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(shì)相一致。顯然，3D打印生產(chǎn)較小電容器的能力正在擴(kuò)展，這為電子工程師提供了優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)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[哈里斯公司]

除電容器外，Nano Dimension的3D打印機(jī)還用于設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)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(dòng)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*令人興奮的應(yīng)用之一。這些設(shè)備可以檢測(cè)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(dòng)門和移動(dòng)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(cè)和評(píng)估動(dòng)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(gè)獨(dú)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(duì)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(duì)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(xiàng)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(cè)金屬的疲勞和蠕變，以防止造成高成本和危險(xiǎn)的故障。 據(jù)報(bào)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(fèi)時(shí)，但是在燃?xì)廨啓C(jī)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(duì)更小，性能更高的監(jiān)控解決方案的需求所推動(dòng)。

未來發(fā)展

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(gè)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(shí)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(shí)。
例如，Nano Dimension*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(jī)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。