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

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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。針對目前國內(nèi)業(yè)界的投資機構(gòu)普遍關(guān)注的3D打印電子產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展到哪個階段了？國內(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)難以實現(xiàn)或者需要分成幾個步驟實現(xiàn)的。例如3D打印半導(dǎo)體封裝的一個主要高價值用例是打印 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，因為它具有更小的空間要求、更低的損耗（特別是在高頻和毫米波中）和更高的機械可靠性。

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)報告，這份報告評估了部分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)雜性的競爭技術(shù)。這種發(fā)展趨勢涵蓋了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)對象表面或內(nèi)部。雖然長期以來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物體內(nèi)，從而提供多種優(yōu)勢，包括簡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)展趨勢朝向多維度的深化層面，當(dāng)前的一大發(fā)展趨勢包括多材料發(fā)展趨勢，發(fā)揮3D打印實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的優(yōu)勢（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)用對經(jīng)濟性要求的限制，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，每年用于制造數(shù)以億計的設(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打印實現(xiàn)更復(fù)雜更精致的結(jié)構(gòu)提升天線性能；3D打印實現(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)谷的市場觀察，毫米波集成電路 (IC) 的使用正以 27% 的復(fù)合年增長率增長，但在許多應(yīng)用中受到阻礙，因為用于將 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)購買了15臺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)。其核心價值創(chuàng)造技術(shù)邏輯：可以將每個對象和嵌入式電路按照不同的設(shè)計進(jìn)行制造，而不必每次都制造掩模和模具。在這方面，國際上Nano Dimension獨家的納米級銀質(zhì)導(dǎo)電材料AgCite以及PCB電路板3D設(shè)計軟件，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，因為每一層都需要按順序沉積（雖然使用多個噴嘴可以加速打印過程）。此外，確?？煽啃砸彩且豁椞魬?zhàn)，因為嵌入式電子產(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)的機電系統(tǒng)自主制造領(lǐng)域的研發(fā)。由此項目產(chǎn)生的洞察力將納入 Nano Dimension 的 DragonFly? 增材制造系統(tǒng)，增強該設(shè)備的獨特性。

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，最終制作實物并安裝整車測試性能,得到的IME控制開關(guān)可以準(zhǔn)確完成所有功能的控制,并且相比原先的機械式開關(guān)減重近70%,實現(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)有的工藝知識和設(shè)備可以使用。IME其優(yōu)勢主要還是在于對產(chǎn)品厚度（空間）的優(yōu)化以及工序的簡化，從而實現(xiàn)成本、設(shè)計上的優(yōu)化。所以整個工藝還是需要實現(xiàn)在注塑的同時便完成產(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現(xiàn)這類零件批量化生產(chǎn)的方式。

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)是點擊即生產(chǎn)。ACAM亞琛增材制造中心定義達(dá)到這個愿景的進(jìn)階過程包括5個梯度，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)測的增材制造過程，Level 2為自動化的增材制造過程，Level 3為全自動化的增材制造包括前處理與后處理，Level 4為集成化的全自動化不同制造工藝的組合。