了解3D打印PCB(3D打印電路板)
魔猴君 知識堂 2小時前
3D打印電路板的制造速度比傳統生產方法更快、用途更廣泛,并且在生產更復雜的電路時可以節省大量成本。對于快速原型、小批量生產和獨特的電子產品(尤其是軍事或航空航天應用),3D打印為電子制造商提供了一種內部生產電路板的方法,比外包制造更快、更便宜。
如今,3D打印PCB的另一個吸引力在于,它們為制造商提供了控制電路板供應的關鍵能力,并消除了工廠停工、運輸放緩或地緣政治操縱造成的中斷;所有這些都使電路板供應鏈達到了斷裂的臨界點,使得制造商不得不爭先恐后地尋找替代方案。
圖1:Nano Dimension既是3D打印機制造商,也是3D PCB服務提供商(來源:Nano Dimension)
這項技術仍是一個相對小眾的技術,需要更多的研發才能將其擴展到量產水平,但最近的進步已經讓制造商能夠顛覆傳統的電子制造,從而加快新產品的上市速度。例如,3D打印機制造商Optomec表示,其半導體解決方案可將5G信號增強高達100%。
本文,我們將介紹可以制造電路板的3D打印機、用于設計3D PCB的軟件,以及增材制造對電路板行業產生影響的其他方式,例如增材制造的工具和夾具如何用于PCB生產。
什么是3D打印電路板?
圖2:Voltera的新型Nova電子3D打印機可以在剛性或柔性基板上打印電路(來源:Voltera)
3D PCB技術對于電子行業來說相對較新,但近年來發展迅速。
專用電路板3D打印機可以比傳統方法更快地制造電路板,并且對于某些應用,您甚至可以使用帶有導電絲的普通桌面FDM 3D打印機。
傳統電路可能需要幾天甚至幾個月才能生產出來,而3D打印機可以在不到24小時內制作出一塊功能齊全的電路板。設計自由是另一個重要因素。3D打印機可以制作比傳統矩形電路板復雜得多的電路,包括柔性電路板、蜂窩結構,甚至是完全三維的電路板。
PCB 3D打印技術通常以兩種方式工作:直接用導電材料打印電路,或打印帶有空心通道或溝槽的電路板,然后再用導電材料填充。讓我們仔細看看這些方法有何不同。
圖3:Nano Dimension的3D打印電路板(來源:Nano Dimension)
電路板3D打印機通過增材制造構建整個電路板。它不同于一些舊的PCB生產方法,這些方法使用機械方式將電路蝕刻到電路板上或簡單地使用CNC銑削導電線路。
方法一:導電材料
當您聽到“3D打印電路板”一詞時,您可能希望看到的是導電材料。這些類型的PCB 3D打印機會鋪設導電材料來形成電路。這些材料通常以注入導電顆粒(例如銀、銅或石墨)的墨水或細絲的形式出現。這些材料也可以噴灑成含有氣溶膠的材料流。
墨水是市售PCB 3D打印機中更常見的選擇。它們使用與2D打印機類似的噴墨裝置,噴出導電和絕緣墨水的液滴來構建電路。有些打印機需要預制基板,而有些打印機可以從頭開始打印整個電路板。在后一種情況下,打印機可以生產帶有嵌入式元件(如線圈、電阻器或LED)的復雜、多層和雙面電路板。
圖4:Voltera Nova是一種直接寫入、精密分配和3D打印平臺,適用于所有類型的3D打印電子產品(來源:Voltera)
一個例子是10層3D PCB,其高性能電子結構焊接到兩側。Hensoldt是一家總部位于德國的國防工業傳感器制造商,該公司使用Nano Dimension的介電聚合物油墨和導電油墨,制造出同時具有導電性和絕緣性的3D打印電路板。
導電絲是打印電路板的另一種選擇。您可以使用幾乎任何FDM打印機打印這些絲,這使它們更具成本效益。但是,與基于墨水的PCB相比,電路會更笨重,效率也可能更低。因此,導電絲可能不適合商業運營,但它們是原型的理想選擇。
方法二:空心痕跡
第二種方法是制作一塊帶有空心通道的電路板,電路就位于其中。本質上,您將打印一個“外殼”,以容納打印后放入通道中的導電材料。為了讓電路正常工作,您必須使用非導電絲(如ABS或PLA)打印電路板。
圖5:該電路載體由EOS在選擇性激光燒結機上進行3D打印,然后用導電材料填充電路通道(來源:EOS)
這種方法使您可以使用幾乎任何足夠精確的3D打印機來創建PCB。因此,這是一種非常經濟的解決方案。它還可以提供比某些直接打印電路更高的導電性,尤其是那些用導電絲制成的電路。
例如,PCB制造商Beta LAYOUT依靠EOS的選擇性激光燒結機來3D打印電路載體導體軌道,然后再用導電材料填充。
3D打印PCB的優缺點
圖6:用于傳統電路板制造的定制工具和夾具是使用靜電安全材料的3D打印的一種新興應用,例如Impossible Objects的這種尼龍板夾具(來源:All3DP)
3D打印PCB比傳統制造的電路板具有顯著優勢,但也存在一些非常現實的局限性。因此,目前它可能還不是一種適合所有用途的理想技術。
優點
成本效益:雖然有些PCB 3D打印機價格昂貴,但它們可以快速收回投資。3D打印PCB消耗更少的材料。此外,消除運輸和外包成本可以使電路原型制作成本顯著降低。
生產速度:使用3D打印機,PCB生產時間以小時計算,而不是以天計算。它們可以加快整個流程,從電路設計、原型設計和迭代,到最終用途生產和市場推廣。
設計自由:使用3D打印機生產的PCB幾乎可以是任何形狀,也可以使用柔性材料進行打印。有了更高的設計自由度,工程師可以專注于讓產品更輕、更小、更高效。
減少浪費:傳統的生產方法會產生大量浪費,同時還需要您在電路板上留出不必要的空間,這進一步浪費了資源。3D打印PCB可以使電路更緊湊,形狀更復雜,從而節省材料。您不僅可以省錢,還可以在營銷中使用低浪費角度。
按需生產:3D打印讓您能夠按需生產電路板,而無需保留大量庫存。同時,您不必接受來自第三方制造商的大量訂單,同時也消除了供應鏈中斷的可能性。
高精度:3D打印機在PCB生產中可以實現比傳統方法更高的精度。有些打印機甚至可以放置元件,從而進一步降低了生產過程中出現人為錯誤的可能性。
更多層數:當您使用增材制造系統制造高層數PCB時,您的電路板幾何形狀會更加復雜。
缺點
材料有限:作為一項相對較新的技術,3D PCB打印目前還沒有廣泛的適用材料。許多打印機只能使用制造商提供的一兩種材料,這會增加成本并限制設計選擇。另一方面,一些打印機,就像nScrypt一樣,擁有超過10,000種市售材料。
導電性較低:盡管PCB 3D打印在不斷進步,但一些導電打印材料的性能不如傳統材料。
電路板尺寸有限:3D打印機只能生產其打印室允許的PCB大小(這對于大多數應用來說不是問題)。由于許多PCB 3D打印機的打印室相當小,因此它們不適合生產大型電路板。
缺乏選擇:與材料一樣,目前很少有公司在商業上生產PCB 3D打印機。隨著技術的成熟,這種情況很可能會得到改善,但目前,您沒有太多的選擇。
3D打印電路板的應用
3D PCB已經建立了多個令人信服的使用案例。制造商已成功生產出適用于從教育到先進航空航天設備等各個行業的PCB。
用于生物醫學研究的3D PCB
加州斯坦福大學的Bao研究小組正在開發新的替代電子產品,例如柔性和生物相容性電子產品。例如,博士后研究員Naoji Matsuhisa博士正在為下一代生物醫學可穿戴設備開發可拉伸傳感器。
圖7:斯坦福大學研究生物相容性油墨時使用的柔性3D PCB,可用于機器人皮膚和生物醫學可穿戴技術(來源:Voltera)
許多設備的傳感器都安裝在彈性極佳的柔性基板上,以便盡可能貼近皮膚。然后,這些傳感器必須連接到剛性電路板。然而,連接點也必須具有彈性,以便佩戴舒適,并發揮最大功能。Bao Research使用Voltera的V-One 3D打印機為連接組件生產可拉伸導體。
“以前,我們使用過絲網打印掩模或一些傳感器打印掩模,但反饋非常慢,”Matsuhisa博士解釋道。此外,Bao研究小組需要的結構類型很難使用傳統的PCB生產方法生產。V-One使Bao研究小組能夠快速制造他們所需的特殊電路和連接器。
3D打印太陽能電池助力可再生能源
弗勞恩霍夫太陽能系統研究所(ISE)是一家位于德國的研究中心,致力于科學和工程研究與開發,以推動太陽能和光伏發電技術的發展。他們使用Optomec的氣溶膠噴射(AJ)3D打印系統在Fz晶圓上生產太陽能電池。3D打印技術使弗勞恩霍夫ISE能夠使用銀浸漬墨水打印寬度在18到60微米之間的精細特征收集線。然后,該種子層被覆蓋在由多種導電材料組成的表面層中。
圖8:帶有疊瓦太陽能電池的光伏汽車車頂可視化(來源:Fraunhofer ISE)
與之前使用的電池相比,3D打印太陽能電池具有更高的導電性和更低的遮蔽效應。因此,該技術幫助弗勞恩霍夫ISE將其太陽能電池的效率提高了20%。隨著該技術的成功,多家商業太陽能電池制造商已采用該技術來開發更高效的太陽能電池,用于綠色能源生產。
航空航天和軍事
相控陣天線是天線元件的復雜陣列,允許操作員在不實際移動天線的情況下改變其輻射模式。這可以通過控制每個天線元件信號的相位來實現,這樣它就可以“瞄準”特定位置——就像激光束與燈泡相比一樣。這些設備在航空航天和軍事應用中都至關重要,可以促進安全通信。
佛羅里達州工程公司Sciperio與美國空軍研究實驗室(AFRL)合作,成功開發出一種在曲面上打印復雜多層射頻電子結構的方法。這使該公司能夠為飛機和其他航空航天和軍事應用生產相控天線陣列。
該項目成功的關鍵是nScrypt 3Dn系列工廠工具(FiT)3D制造系統。3Dn FiT系統將FDM 3D打印與微分配、氣溶膠噴射和組件放置相結合,使Sciperio能夠制造曲面天線陣列所需的復雜結構電子設備。
射頻通信
L3 Harris Technologies是一家總部位于佛羅里達州墨爾本的全球航空航天和國防技術公司,該公司正在利用3D打印技術徹底改變射頻(RF)系統的制造方式。射頻技術包括用于無線電和電視廣播、無線通信和雷達系統的放大器,生產起來可能非常復雜且成本高昂。
圖9:L3 Harris Technologies的3D打印射頻放大器(來源:Nano Dimension)
借助3D打印機,L3 Harris希望改變這一現狀。作為其空間和智能系統部門的一員,高級科學家Arthur Paolella博士認為:“內部制造RF系統的能力為快速且經濟實惠的原型設計和小批量制造提供了一種令人興奮的新方法。”
具體來說,該公司研究了制造電路板的方法,其中整合了兩種封裝類型——一種是剛性的,一種是柔性的。此外,他們希望能夠快速且經濟地制造電路板,無需額外的電纜或連接器。他們使用DragonFly Pro系統在不到10小時內就制造出了一塊功能強大的電路板,大小與信用卡相當。在某些頻率范圍內測試時,PCB在輸入或輸出響應損耗響應方面沒有明顯差異,與使用傳統方法構建的電路相比,測量到的增益也沒有顯著差異。這有可能在未來顯著降低成本和生產時間。
3D打印PCB:最新技術
圖10:這款完全3D制造的打印圓柱形電路由nScrypt創建,具有嵌入式藍牙微控制器、打印天線以及一系列完全嵌入式傳感器和組件,如聲學、光和運動感應(來源:nScrypt)
3D PCB的研發正在各行各業的各個方面展開。以下是一些最有前景的進展。
不只是電路板,還可在任何形狀上打印電路
一項重大進展——在主要PCB會議2022年IPC APEX博覽會上展示——正在超越電路板,進入打印電路結構(PCS)。
工程師們意識到,他們不再局限于平面電路板,而是可以制作幾乎任何形狀的電路。例如,3D打印電路圓柱體就是ICP APEX的演示之一。這些新形狀可以幫助制造商將PCB裝入更小的空間并以更低的成本生產。雖然這項技術尚未準備好實現商業化,但它表明了行業發展的方向。
與此同時,休斯頓大學的研究人員于2022年6月宣布,他們創造了一種注入有機半導體材料的新型3D可打印樹脂。利用這種樹脂,研究團隊成功打印了微型打印電路板等物體。這一發現可能為小型生物活性電子產品鋪平道路,這些電子產品可用于可穿戴傳感器、假肢、植入式神經芯片和其他醫療器械。
增材制造PCB制造取代蝕刻工藝
2022年8月,德國公司InnovationLab和ISRA VISION合作報告稱,他們在3D PCB方面取得了突破。這兩家公司使用新型3D可打印銅油墨創建了一個可運行的物理原型。多層PCB與傳統回流焊兼容,使制造商無需購買任何新設備即可安裝組件。
圖11:InnovationLab在打印電路板增材制造方面取得突破,滿足了電子產品生產的更高環境標準,同時降低了成本(來源:InnovationLab)
“這是一種最先進的生產工藝,它將降低成本并減少對供應商的物流依賴,同時為環境帶來三大主要好處:消耗更少的材料、使用更少的能源和產生更少的廢物。到[2022]年底,我們預計將把這一工藝擴大到大批量,滿足客戶對一百萬條或更多可焊軌道的需求,”創新實驗室打印電子負責人Janus Schinke博士說。
InnovationLab 3D PCB使用的基板比傳統技術薄15倍,從而減少了材料消耗,意味著生產過程中的浪費更少。
編譯整理:ALL3DP