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3D电子技术详细的阐述
08-31 来源: 】 浏览:次 评论:0

 据麦姆斯咨询介绍,3D电子技术是一种将电子元器件集成于目标对象表面或内部的新兴方法。尽管长期以来该技术一直被用于向3D塑料注塑体表面添加天线和简单的导电互连功能,但是利用新的技术可将越来越复杂的电路集成到由多种材料制成的物体表面或内部。此外,模内电子(IME)和3D打印电子设备可将完整的电路集成到一个对象中,从而提供多种生产和应用优势,例如简化制造和新颖外形等。利用3D电子技术,为终端产品添加各种电子功能变得更加容易,不再需要将刚性的平面PCB集成到物体中,然后再将相关的开关、传感器、电源和其它外部组件连接起来。

本报告对3D电子技术进行详细的阐述,相关信息主要来源于IDTechEx与各个领域的主要公司实施的访谈活动。针对不同的应用,每种3D电子技术需要进行优缺点的权衡,本报告通过大量的案例研究,表明了在汽车、消费电子设备和医疗设备领域应该采用的制造技术。此外,通过对3D电子技术及其要求的详细分析,我们明确了相关材料和制造方法的创新机会。本报告分析的所有3D电子技术都表达在下图中,该路线图显示了它们从概念到商业化的进程。

 

各种3D电子技术发展成熟度路线图

 

各种3D电子方法的金属化技术、材料和主要应用


直接应用于3D表面的电子技术

在3D对象表面添加电子功能的最佳方法是激光直接成型(Laser Direct Structuring,LDS)。激光直接成型是指利用计算机按照导电图形的轨迹控制激光的运动,将激光投照到模塑成型的三维塑料器件上,在几秒钟的时间内,活化出电路图案。激光直接成型技术大约在十年前有了巨大的发展,为生产智能手机天线提供了高柔性,给产品三维立体设计提供了极大灵活性。

激光直接成型最常见的应用领域是无线天线和载流电路。利用激光直接成型技术,可以将手机天线集成到手机内部的一个功能性塑料元件上,从而消除了对单独金属天线的需求。在集成手机天线应用中,激光直接成型的好处发挥得淋漓尽致:既实现了部件整合和产品小型化,又减少了部件组装工作,这对于大批量生产和降低手机成本至关重要。此外,激光直接成型技术还很容易与快速成型相结合,以配置不同的天线布局。

泰科电子(TE)利用激光直接成型技术将高频机电功能集成于一个元件,为客户的应用系统节省了宝贵空间。与印刷电路板(PCB)上受限的2D功能相比,激光成型可实现3D设计/布线功能。激光直接成型技术还能够提高天线性能,因为天线可以放置在设计中具有更多空间的位置来提供更好的带宽和效率。激光直接成型工艺包含三步:首先,使用其中一种激光直接成型树脂通过标准单射模塑工艺对天线进行模塑成型;其次,所需的图案直接通过3D激光系统在天线上成型;最后,使用行业标准方法对该图案进行电镀,此过程的电镀仅附着到已通过激光激活的塑料区域,从而产生可导电的图案。

 

使用激光直接成型技术生产的3D天线元件(来源:泰科电子)


尽管激光直接成型技术的图案形成速度快且已被广泛采用,但它仍然存在一些缺点,所以表面金属化的替代方法仍有发展空间。激光直接成型是一种分为“两个步骤(激光烧蚀+金属化)”的制造工艺,可能需要将零件发送到其它地方进行电镀,因此有暴露知识产权(IP)的风险。激光直接成型技术在批量生产中的最小分辨率约为75微米,因此限制了电路的密度,并且只能在模制塑料上使用。最重要的是,激光直接成型仅允许单层金属化,从而大大限制了电路的复杂性。

鉴于上述限制,将导电迹线(Conductive Traces)应用于3D对象表面的其它制造方法正在兴起与普及。例如,导电性糊剂(一种包含导电性粉末的粘性悬浮液)及导电图形的制造方法已经用于小部分天线领域,并且是将整个电路沉积到3D表面的首选方法。

气溶胶喷射(Aerosol Jetting)是另一种新兴的金属化方法,其中将相对较低粘度(通常为导电性油墨)雾化,然后将该喷雾与惰性载气混合并从喷嘴中喷出。气溶胶喷射具有两个明显的优点:(1)分辨率高达10微米,(2)喷嘴可以放置在距表面几毫米的位置,从而有助于对具有复杂表面几何形状的3D表面进行构图。缺点是复杂的雾化和输送过程的成本,以及对不同油墨重新优化工艺的要求。

现有的激光直接成型技术的数字沉积方法的优点是,介电材料可以采用同一打印系统进行沉积,从而可以实现跨接以形成更复杂的电路系统。绝缘和导电粘合剂也可以沉积,使得SMD器件可以贴装到对象表面上。

模内电子和功能性嵌片注塑工艺

模内电子(IME)是传统模内注塑装饰(IMD)技术与柔性印制电路的结合,可制得带有不同复杂程度嵌入式电路的3D形状。这是全球新兴的3D结构电子浪潮的一部分,其制造工艺更加环保,需要的原材料更少,不需要组装和外壳封装,便可生产出可靠性更高的产品。模内电子工艺将电气功能通过印刷和表面贴装集成于柔性薄膜上制备功能化薄膜,再通过模内覆膜工艺制成产品。

 

模内电子制造工艺


模内电子产品既具有模内装饰工艺的美观与环保,又一体成型实现了功能与结构装饰的无缝结合,因此被广泛应用于汽车、飞机及家电等领域。在汽车智能座舱大趋势下,模内电子可以带来更美观、多功能的全新人机交互界面(HMI),因此成为汽车内饰界的热点。

虽然模内电子的优点很多,包括:轻巧、节省空间、坚固耐用、上市更快以及高通量处理能力。但是,该技术并非没有缺点,例如:形状限制、良率、软件不成熟、环境稳定性以及后处理问题等。本报告详细介绍并分析了这些优点和障碍,并提供了材料领域针对功能墨水、基板以及粘合剂的未来解决方案。

全3D打印电子技术

3D打印和印刷电子是两个典型的增材制造技术案例,而全3D打印电子技术是将二维印刷电子器件与3D打印技术相结合,基于逐层沉积的材料制造3D电子产品。该项技术扩大了多功能增材制造工艺的影响,包括通过单一的增材制造系统制造具有更广泛功能的电子组件和系统。全3D打印电子技术的核心价值主张是,可以将每个对象和嵌入式电路按照不同的设计进行制造,而不必每次都制造掩模和模具。

全3D打印电子所面临的挑战是其制造过程比注塑成型要慢得多,因为每一层都需要顺序沉积。虽然可以使用多个喷嘴来加快3D打印过程,但速度仍是“软肋”,其最明显的优势还是在于可定制性化。另外,确保产品可靠性也是一项挑战,因为使用嵌入式电子产品无法进行事后维修——一种策略是使用图像分析方法检查制造过程中的每一层并在下一层沉积之前进行任何电路修补。

综合分析和市场预测

本报告详细讨论了3D电子产品的各种制造方法,评估了不同技术的优劣势,以及潜在的应用领域。报告根据对不同技术的主要参与者的采访和交流,形成了有价值的观点。我们还将针对每项技术和应用领域进行10年的市场预测和应用分析。其中,消费电子天线的激光直接成型市场会逐渐下降,而气溶胶喷射市场会逐步增长,尤其是在汽车应用中。我们预计模内电子市场增长最快,因为模内电子将在汽车内饰和白色家电控制面板中获得广泛采用。


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