3D打印更多的电路

经过几年的实验，在一些用例的量产中取得了越来越大的成功，电子电路的3D打印技术正变得越来越普遍。在工艺和材料方面的一些创新使这些技术更接近主流电子制造。

诺丁汉大学材料科学教授克里斯托弗·塔克(Christopher Tuck)观察到，在用于增材制造(AM)的许多不同工艺和材料中，特别吸引人的是一次构建一层的能力，这增加了设计的灵活性。这将导致性能和热管理的改进，以及优化组件架构的能力。

在3D打印的圈子里，人们常说AM，复杂是免费的。在传统的IC或PCB制造中，创建平面结构需要多个步骤，而在更少的步骤中使用多种材料一起创建电路板及其组件，有时只需一次工艺。这允许在电路板和成品中创建各种形状，并且可以更容易和更快地生产天线和传感器等复杂电路。

对于电子产品来说，AM打印3D电路的能力意味着可以以新的和不同的方式进行包装。与其他几家供应商一样，nScrypt将3D打印电路视为下一代电子封装。该公司首席执行官Ken Church表示:“我们可以利用三维空间的优势，战略性地安排电路并在3D结构中嵌入电子器件，使其性能优于标准PCB电路。”

什么样的电路可以3D打印?
然而，并不是所有东西都可以用这种方法制造。

塔克说:“今天的行业可以打印2D电路，而我们可以打印3D电路，也就是轨迹。”其他器件包括传感器件、fet、微电池、电感、电容器、电阻、二极管和射频电路。“圣杯”将是打印有源设备的能力，但目前还不可能。

电子产品的3D打印仍然主要基于实验室。迄今为止，最活跃的元件是由包括诺丁汉大学在内的几所不同大学实验室生产的fet，但这些仍然是相对大规模的。led只打印了一部分。塔克说，氧化铟锡层没有包括在内，因为它需要的加工条件。

3D打印电子产品最常见的方法源自现有的2D打印电子产品方法。这些方法包括丝网或油墨印刷，挤出或膏体挤出沉积。塔克说，挤压过程是大规模的，最小的珠宽为150微米。喷墨打印通常达到约50微米的线宽，而Optomec的气溶胶喷射工艺打印线宽低至1或2微米。

图1:先进半导体封装应用中用于堆叠模具的35微米印刷导线/互连。来源:Optomec

Optomec公司的Aerosol Jet产品经理Bryan Germann表示，该公司可以在3D结构上处理3D打印电路、传感器和设备，并可以在3D形状上或以3D形状构建多层电路。该技术可以在具有复杂拓扑结构的基板上沉积几微米的黄金，并且可以在开放的气氛中以10微米的分辨率做到这一点，并且不需要其他工艺。

今年6月，Optomec获得了使用其气溶胶喷射技术创建3D微结构的新专利。这些微型元件的特征分辨率可达15微米。该技术已经实现了100nm的层厚，毫米高结构的纵横比大于100X。

nScrypt公司的丘奇指出，如果需要，喷墨过程可以缩小到20微米以下。它打印的大多数非常小的线条都是用银做的，但铜的材料正在改进，而且该工艺也可以分配它们。“20年前，我们的抗逆性是散装铜的10到20倍，”他说。“我们的电导率仍然较低，但现在的抗逆性只有三到五倍。”

该公司从3D打印电阻和电容器开始，然后是过滤器，使用浆糊或墨水，打印导体线主要是银色的，因为这种材料不会氧化。然后转向有源材料，从聚合物fet开始。

丘奇说:“聚合物使这些fet非常慢，而且非常大，所以它们与硅fet没有竞争力。”“我们的天线打印得也很好。这些是保形的，包裹得很紧。”

ChemCubed的ElectroJet多层、多材料工艺使用专用材料3D打印pcb、包装、混合电子产品、天线、光伏、rfid和被动器件。

此外，HRL实验室有3d打印聚合物插入器用陶瓷和高分子材料制成的“以前不可能的”倾斜和弯曲通孔。然后将通孔金属化，以电连接不同的设备和ic。它们的分辨率为2微米，直径小于10微米，可以实现复杂的布线。HRL在Boston Micro Fabrication的投影微立体光刻(PµSL)打印机上开发了聚合物衍生陶瓷的打印工艺，并预计新功能将有助于改善包装。

工艺和材料挑战
大多数3D打印电路技术使用喷墨技术在平面或曲面上打印。例如，Optomec的气溶胶喷射技术可以在复杂的非平面形状上以非常高的分辨率进行打印。

以打印整个物体为目标，nScrypt试图通过打印斜坡来消除通孔和通孔，并利用它们在弯曲基板的外部将信号或能量从一层传输到另一层。

Church解释道:“整个行业仍然停留在2.5D方形板的圆形物体上，所以所有的空间都被浪费了。”“我们说，把电路板打印成圆柱体，然后把电子设备放在圆柱体的壁上。有效载荷不再由电子设备填充，所需的连接数量也减少了。”

图2:电子产品是3D打印在这个3D打印圆柱体的壁上和内部。该电路是一个蓝牙单片机和五个不同的传感器。来源:nScrypt

在喷墨印刷中，油墨特性是很关键的。例如，去年传感器供应商HENSOLDT AG 3D打印了世界上第一个10层PCB．该电路板的外部焊接有电子结构，使用了Nano Dimension公司的3D打印技术、导电墨水和新开发的介电聚合物墨水。

今年4月，BotFactory开始提供服务新型电阻性油墨SV2 PCB打印机。这种油墨能够在柔性或刚性衬底上快速打印电阻和传感器。它们还有助于电阻附着在柔性材料上，并允许制造具有特定欧姆值的电阻。

使用喷墨打印技术的诺丁汉大学希望“一口气”3D打印出整个电子部件，塔克说。这需要消除支撑结构，以及正确的分辨率和材料性能。这些必须尽可能接近最终设备，尽可能接近市场的实际需求。挑战包括许多材料必须高度稀释，否则它们不会通过喷墨喷嘴。

3D打印功能电子设备的一个长期问题阻碍了该技术在更高级应用中的使用。这一问题是由于功能各向异性导致材料和器件的导电性损失，以及层间水平方向和垂直方向的导电性差异。在这种情况下，它是通过打印含有金属纳米颗粒的导电油墨产生的。最近的实验诺丁汉大学增材制造中心的一项研究显示，这些墨水中的一种成分——有机化学稳定剂残留——是罪魁祸首。该中心正在研制新的油墨配方以克服这一问题。

图3:(左)含银纳米颗粒的有机稳定剂滴式按需喷射油墨和原位溶剂蒸发。(右)打印银层的光学图像和显示硅晶圆打印层表面银和有机残留物分布的化学图。资料来源:诺丁汉大学

塔克指出，任何印刷电子产品的工艺都必须能够为电路板和电路打印多种材料。各向异性，即水平层和垂直层之间的空间性质差异，是所有这些层都存在的问题。“理解你要打印的东西是很重要的:每一层如何与下一层，或二极管材料，或半导体材料相互作用?他说。

虽然有几种工艺可以打印天线- Optomec是第一个这样做的，并且是批量打印-射频的3D打印既有优势也有限制。

Church说，当用nScrypt的工艺进行3D打印时，天线可以包含更少的电阻材料，而不会影响性能。但是由于导电性和平滑性的限制，射频电路可能会出现问题。他说:“我们的技术是为曲面设计的，而不是被困在平面上的2D平面上，因为这是电路板一直以来的特点。”对于美国空军研究实验室来说，该公司的Factory in a Tool系统已被用于3D打印双曲面保形相控阵天线，该天线实际上获得了更好的性能。

在射频中，保持一定的电路宽度以承载一定的频率也是至关重要的。Church表示，通过3D打印，可以控制斜坡上的线宽以保持频率，这在传统PCB上是不可能实现的。

裸模印刷也有特殊要求。这通常是用钢丝键合完成的，但nScrypt取而代之的是在模具周围打印一个斜坡来固定它。Church说:“然后我们可以从一个衬垫沿斜坡向上打印到裸露的模垫。”“通过这种一层一层的方法，我们可以在里面打印更多的电子产品，我们可以在这个物体的任何地方放置芯片。”

图4:3d打印的曲面4 × 4有源相控阵天线。来源:nScrypt

芯片上的3D打印依赖于打印晶体管的能力。但问题是如何用必要的材料打印晶体管。这些可能无法打印，或者它们可能有其他问题，比如不能打印得足够小。塔克说:“在3D打印的挤压底座类型中，为了保持电子设备的小尺寸，我们在线宽上受到了限制。”

分辨率与吞吐量是一个必须权衡的问题。而使用溶剂型材料，这些权衡也包括浪费材料。

打印的是什么
AM通常用于为特定应用程序增加现有流程。“为什么要使用特定的AM方法?因为其他可用的制造方法不足或不起作用，或者因为没有其他方法来制造特定的互连或特定的设备，”Germann说道。“我们的气溶胶喷射技术通常是一个庞大过程中的一个步骤，只要AM适用于供应链。”

Optomec首先专注于生产，用功能材料制作非常小的特征，并将它们沉积到复杂的几何结构上。Germann说:“AM的全面生产规模差异很大，从每月10个军用产品到每月100万个消费电子产品。”AM公司必须为他们的技术找到合适的应用。目前AM在生产环境中的最大用户是那些高价值和低产量的用户。

针对特定应用或行业的AM设备供应商更有可能成功，因为不同的工艺最适合不同类型的电路。一些工艺用于制造天线，其他工艺可能用于制造LED屏幕的部件，一些供应商只专注于pcb的原型设计。“在Optomec，我们有四个主要的垂直市场。我们不会试图打印所有东西，我们希望销售主流制造业的设备、软件和工艺解决方案。”

图5:第一排:智能手机模压塑料插入件，3d打印银天线，用于WiFi、蓝牙和3G/4G手机信号。底部一排:3d打印电容式触摸传感器。来源:Optomec

Church说，由于行业的要求，nScrypt的性能和速度有了极大的提高。“根据半导体生产和电子制造的要求，我们将打印机排成一行，但我们可以打印到3D物体上。我们最大的打印机是8英尺乘12英尺。”

军事、航空航天和航空工业是3d打印电路的主要用户。Church说，例如，NASA目前已经在国际空间站(ISS)安装了一台nScrypt生物打印机，并将在2024年或2025年增加该公司的电子打印机。Nano Dimension是最早使用3D打印电路的公司之一，最近宣布他们正在进行3D打印用于国际空间站的射频电路．

对于军方来说，经常对地面车辆进行维修，必须在出现故障之前提前完成。丘奇说，因为电子设备可以进行车辆健康监测，理论上也可以在汽车上进行，这是交通运输的一个趋势。另一个蓬勃发展的行业是能源行业，该行业为太阳能电池和风力塔打印电路。

医疗设备也不甘落后，一些小型AM电子工艺也正在被审查，以用于消费和汽车应用。Germann说:“这些过程现在正在渗透到许多制造业。”