了解3D打印PCB（3D打印電路板）

魔猴君  知識(shí)堂   39天前

3D打印電路板的制造速度比傳統(tǒng)生產(chǎn)方法更快、用途更廣泛，并且在生產(chǎn)更復(fù)雜的電路時(shí)可以節(jié)省大量成本。對(duì)于快速原型、小批量生產(chǎn)和獨(dú)特的電子產(chǎn)品（尤其是軍事或航空航天應(yīng)用），3D打印為電子制造商提供了一種內(nèi)部生產(chǎn)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(gè)吸引力在于，它們?yōu)橹圃焐烫峁┝丝刂齐娐钒骞?yīng)的關(guān)鍵能力，并消除了工廠停工、運(yùn)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(yīng)鏈達(dá)到了斷裂的臨界點(diǎn)，使得制造商不得不爭(zhēng)先恐后地尋找替代方案。

圖1：Nano Dimension既是3D打印機(jī)制造商，也是3D PCB服務(wù)提供商（來源：Nano Dimension）

這項(xiàng)技術(shù)仍是一個(gè)相對(duì)小眾的技術(shù)，需要更多的研發(fā)才能將其擴(kuò)展到量產(chǎn)水平，但最近的進(jìn)步已經(jīng)讓制造商能夠顛覆傳統(tǒng)的電子制造，從而加快新產(chǎn)品的上市速度。例如，3D打印機(jī)制造商Optomec表示，其半導(dǎo)體解決方案可將5G信號(hào)增強(qiáng)高達(dá)100%。

本文，我們將介紹可以制造電路板的3D打印機(jī)、用于設(shè)計(jì)3D PCB的軟件，以及增材制造對(duì)電路板行業(yè)產(chǎn)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(chǎn)。

什么是3D打印電路板？

圖2：Voltera的新型Nova電子3D打印機(jī)可以在剛性或柔性基板上打印電路（來源：Voltera）

3D PCB技術(shù)對(duì)于電子行業(yè)來說相對(duì)較新，但近年來發(fā)展迅速。

專用電路板3D打印機(jī)可以比傳統(tǒng)方法更快地制造電路板，并且對(duì)于某些應(yīng)用，您甚至可以使用帶有導(dǎo)電絲的普通桌面FDM 3D打印機(jī)。

傳統(tǒng)電路可能需要幾天甚至幾個(gè)月才能生產(chǎn)出來，而3D打印機(jī)可以在不到24小時(shí)內(nèi)制作出一塊功能齊全的電路板。設(shè)計(jì)自由是另一個(gè)重要因素。3D打印機(jī)可以制作比傳統(tǒng)矩形電路板復(fù)雜得多的電路，包括柔性電路板、蜂窩結(jié)構(gòu)，甚至是完全三維的電路板。

PCB 3D打印技術(shù)通常以兩種方式工作：直接用導(dǎo)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(dǎo)電材料填充。讓我們仔細(xì)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(jī)通過增材制造構(gòu)建整個(gè)電路板。它不同于一些舊的PCB生產(chǎn)方法，這些方法使用機(jī)械方式將電路蝕刻到電路板上或簡(jiǎn)單地使用CNC銑削導(dǎo)電線路。

方法一：導(dǎo)電材料

當(dāng)您聽到“3D打印電路板”一詞時(shí)，您可能希望看到的是導(dǎo)電材料。這些類型的PCB 3D打印機(jī)會(huì)鋪設(shè)導(dǎo)電材料來形成電路。這些材料通常以注入導(dǎo)電顆粒（例如銀、銅或石墨）的墨水或細(xì)絲的形式出現(xiàn)。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(jī)中更常見的選擇。它們使用與2D打印機(jī)類似的噴墨裝置，噴出導(dǎo)電和絕緣墨水的液滴來構(gòu)建電路。有些打印機(jī)需要預(yù)制基板，而有些打印機(jī)可以從頭開始打印整個(gè)電路板。在后一種情況下，打印機(jī)可以生產(chǎn)帶有嵌入式元件（如線圈、電阻器或LED）的復(fù)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(tái)，適用于所有類型的3D打印電子產(chǎn)品（來源：Voltera）

一個(gè)例子是10層3D PCB，其高性能電子結(jié)構(gòu)焊接到兩側(cè)。Hensoldt是一家總部位于德國(guó)的國(guó)防工業(yè)傳感器制造商，該公司使用Nano Dimension的介電聚合物油墨和導(dǎo)電油墨，制造出同時(shí)具有導(dǎo)電性和絕緣性的3D打印電路板。

導(dǎo)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(jī)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(huì)更笨重，效率也可能更低。因此，導(dǎo)電絲可能不適合商業(yè)運(yùn)營(yíng)，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(zhì)上，您將打印一個(gè)“外殼”，以容納打印后放入通道中的導(dǎo)電材料。為了讓電路正常工作，您必須使用非導(dǎo)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(jié)機(jī)上進(jìn)行3D打印，然后用導(dǎo)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(jī)來創(chuàng)建PCB。因此，這是一種非常經(jīng)濟(jì)的解決方案。它還可以提供比某些直接打印電路更高的導(dǎo)電性，尤其是那些用導(dǎo)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(jié)機(jī)來3D打印電路載體導(dǎo)體軌道，然后再用導(dǎo)電材料填充。

3D打印PCB的優(yōu)缺點(diǎn)

圖6：用于傳統(tǒng)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(yīng)用，例如Impossible Objects的這種尼龍板夾具（來源：All3DP）

3D打印PCB比傳統(tǒng)制造的電路板具有顯著優(yōu)勢(shì)，但也存在一些非?，F(xiàn)實(shí)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(shù)。

優(yōu)點(diǎn)

成本效益：雖然有些PCB 3D打印機(jī)價(jià)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(yùn)輸和外包成本可以使電路原型制作成本顯著降低。

生產(chǎn)速度：使用3D打印機(jī)，PCB生產(chǎn)時(shí)間以小時(shí)計(jì)算，而不是以天計(jì)算。它們可以加快整個(gè)流程，從電路設(shè)計(jì)、原型設(shè)計(jì)和迭代，到最終用途生產(chǎn)和市場(chǎng)推廣。

設(shè)計(jì)自由：使用3D打印機(jī)生產(chǎn)的PCB幾乎可以是任何形狀，也可以使用柔性材料進(jìn)行打印。有了更高的設(shè)計(jì)自由度，工程師可以專注于讓產(chǎn)品更輕、更小、更高效。

減少浪費(fèi)：傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法會(huì)產(chǎn)生大量浪費(fèi)，同時(shí)還需要您在電路板上留出不必要的空間，這進(jìn)一步浪費(fèi)了資源。3D打印PCB可以使電路更緊湊，形狀更復(fù)雜，從而節(jié)省材料。您不僅可以省錢，還可以在營(yíng)銷中使用低浪費(fèi)角度。

按需生產(chǎn)：3D打印讓您能夠按需生產(chǎn)電路板，而無需保留大量庫存。同時(shí)，您不必接受來自第三方制造商的大量訂單，同時(shí)也消除了供應(yīng)鏈中斷的可能性。

高精度：3D打印機(jī)在PCB生產(chǎn)中可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)方法更高的精度。有些打印機(jī)甚至可以放置元件，從而進(jìn)一步降低了生產(chǎn)過程中出現(xiàn)人為錯(cuò)誤的可能性。

更多層數(shù)：當(dāng)您使用增材制造系統(tǒng)制造高層數(shù)PCB時(shí)，您的電路板幾何形狀會(huì)更加復(fù)雜。

缺點(diǎn)

材料有限：作為一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)，3D PCB打印目前還沒有廣泛的適用材料。許多打印機(jī)只能使用制造商提供的一兩種材料，這會(huì)增加成本并限制設(shè)計(jì)選擇。另一方面，一些打印機(jī)，就像nScrypt一樣，擁有超過10,000種市售材料。

導(dǎo)電性較低：盡管PCB 3D打印在不斷進(jìn)步，但一些導(dǎo)電打印材料的性能不如傳統(tǒng)材料。

電路板尺寸有限：3D打印機(jī)只能生產(chǎn)其打印室允許的PCB大小（這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說不是問題）。由于許多PCB 3D打印機(jī)的打印室相當(dāng)小，因此它們不適合生產(chǎn)大型電路板。

缺乏選擇：與材料一樣，目前很少有公司在商業(yè)上生產(chǎn)PCB 3D打印機(jī)。隨著技術(shù)的成熟，這種情況很可能會(huì)得到改善，但目前，您沒有太多的選擇。

3D打印電路板的應(yīng)用

3D PCB已經(jīng)建立了多個(gè)令人信服的使用案例。制造商已成功生產(chǎn)出適用于從教育到先進(jìn)航空航天設(shè)備等各個(gè)行業(yè)的PCB。

用于生物醫(yī)學(xué)研究的3D PCB

加州斯坦福大學(xué)的Bao研究小組正在開發(fā)新的替代電子產(chǎn)品，例如柔性和生物相容性電子產(chǎn)品。例如，博士后研究員Naoji Matsuhisa博士正在為下一代生物醫(yī)學(xué)可穿戴設(shè)備開發(fā)可拉伸傳感器。

圖7：斯坦福大學(xué)研究生物相容性油墨時(shí)使用的柔性3D PCB，可用于機(jī)器人皮膚和生物醫(yī)學(xué)可穿戴技術(shù)（來源：Voltera）

許多設(shè)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(diǎn)也必須具有彈性，以便佩戴舒適，并發(fā)揮最大功能。Bao Research使用Voltera的V-One 3D打印機(jī)為連接組件生產(chǎn)可拉伸導(dǎo)體。

“以前，我們使用過絲網(wǎng)打印掩?；蛞恍﹤鞲衅鞔蛴⊙谀＃答伔浅Ｂ?，”Matsuhisa博士解釋道。此外，Bao研究小組需要的結(jié)構(gòu)類型很難使用傳統(tǒng)的PCB生產(chǎn)方法生產(chǎn)。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(tǒng)研究所(ISE)是一家位于德國(guó)的研究中心，致力于科學(xué)和工程研究與開發(fā)，以推動(dòng)太陽能和光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。他們使用Optomec的氣溶膠噴射(AJ)3D打印系統(tǒng)在Fz晶圓上生產(chǎn)太陽能電池。3D打印技術(shù)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(xì)特征收集線。然后，該種子層被覆蓋在由多種導(dǎo)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(dǎo)電性和更低的遮蔽效應(yīng)。因此，該技術(shù)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(shù)的成功，多家商業(yè)太陽能電池制造商已采用該技術(shù)來開發(fā)更高效的太陽能電池，用于綠色能源生產(chǎn)。

航空航天和軍事

相控陣天線是天線元件的復(fù)雜陣列，允許操作員在不實(shí)際移動(dòng)天線的情況下改變其輻射模式。這可以通過控制每個(gè)天線元件信號(hào)的相位來實(shí)現(xiàn)，這樣它就可以“瞄準(zhǔn)”特定位置——就像激光束與燈泡相比一樣。這些設(shè)備在航空航天和軍事應(yīng)用中都至關(guān)重要，可以促進(jìn)安全通信。

佛羅里達(dá)州工程公司Sciperio與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)合作，成功開發(fā)出一種在曲面上打印復(fù)雜多層射頻電子結(jié)構(gòu)的方法。這使該公司能夠?yàn)轱w機(jī)和其他航空航天和軍事應(yīng)用生產(chǎn)相控天線陣列。

該項(xiàng)目成功的關(guān)鍵是nScrypt 3Dn系列工廠工具(FiT)3D制造系統(tǒng)。3Dn FiT系統(tǒng)將FDM 3D打印與微分配、氣溶膠噴射和組件放置相結(jié)合，使Sciperio能夠制造曲面天線陣列所需的復(fù)雜結(jié)構(gòu)電子設(shè)備。

射頻通信

L3 Harris Technologies是一家總部位于佛羅里達(dá)州墨爾本的全球航空航天和國(guó)防技術(shù)公司，該公司正在利用3D打印技術(shù)徹底改變射頻(RF)系統(tǒng)的制造方式。射頻技術(shù)包括用于無線電和電視廣播、無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)的放大器，生產(chǎn)起來可能非常復(fù)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(jī)，L3 Harris希望改變這一現(xiàn)狀。作為其空間和智能系統(tǒng)部門的一員，高級(jí)科學(xué)家Arthur Paolella博士認(rèn)為：“內(nèi)部制造RF系統(tǒng)的能力為快速且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的原型設(shè)計(jì)和小批量制造提供了一種令人興奮的新方法?！?/span>

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(jīng)濟(jì)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(tǒng)在不到10小時(shí)內(nèi)就制造出了一塊功能強(qiáng)大的電路板，大小與信用卡相當(dāng)。在某些頻率范圍內(nèi)測(cè)試時(shí)，PCB在輸入或輸出響應(yīng)損耗響應(yīng)方面沒有明顯差異，與使用傳統(tǒng)方法構(gòu)建的電路相比，測(cè)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(chǎn)時(shí)間。

3D打印PCB：最新技術(shù)

圖10：這款完全3D制造的打印圓柱形電路由nScrypt創(chuàng)建，具有嵌入式藍(lán)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(xué)、光和運(yùn)動(dòng)感應(yīng)（來源：nScrypt）

3D PCB的研發(fā)正在各行各業(yè)的各個(gè)方面展開。以下是一些最有前景的進(jìn)展。

不只是電路板，還可在任何形狀上打印電路

一項(xiàng)重大進(jìn)展——在主要PCB會(huì)議2022年IPC APEX博覽會(huì)上展示——正在超越電路板，進(jìn)入打印電路結(jié)構(gòu)(PCS)。

工程師們意識(shí)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(chǎn)。雖然這項(xiàng)技術(shù)尚未準(zhǔn)備好實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但它表明了行業(yè)發(fā)展的方向。

與此同時(shí)，休斯頓大學(xué)的研究人員于2022年6月宣布，他們創(chuàng)造了一種注入有機(jī)半導(dǎo)體材料的新型3D可打印樹脂。利用這種樹脂，研究團(tuán)隊(duì)成功打印了微型打印電路板等物體。這一發(fā)現(xiàn)可能為小型生物活性電子產(chǎn)品鋪平道路，這些電子產(chǎn)品可用于可穿戴傳感器、假肢、植入式神經(jīng)芯片和其他醫(yī)療器械。

增材制造PCB制造取代蝕刻工藝

2022年8月，德國(guó)公司InnovationLab和ISRA VISION合作報(bào)告稱，他們?cè)?D 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(chuàng)建了一個(gè)可運(yùn)行的物理原型。多層PCB與傳統(tǒng)回流焊兼容，使制造商無需購買任何新設(shè)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(chǎn)品生產(chǎn)的更高環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)降低了成本（來源：InnovationLab）

“這是一種最先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，它將降低成本并減少對(duì)供應(yīng)商的物流依賴，同時(shí)為環(huán)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(chǎn)生更少的廢物。到[2022]年底，我們預(yù)計(jì)將把這一工藝擴(kuò)大到大批量，滿足客戶對(duì)一百萬條或更多可焊軌道的需求，”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室打印電子負(fù)責(zé)人Janus Schinke博士說。

InnovationLab 3D PCB使用的基板比傳統(tǒng)技術(shù)薄15倍，從而減少了材料消耗，意味著生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)更少。

編譯整理：ALL3DP