了解3D打印PCB（3D打印電路板）
魔猴君 知識堂 3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)更復雜的電路時可以節(jié)省大量成本。對于快速原型、小批量生產(chǎn)和獨特的電子產(chǎn)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(chǎn)電路板的方法，比外包制造更快、更便宜。
如今，3D打印PCB的另一個吸引力在于，它們?yōu)橹圃焐烫峁┝丝刂齐娐钒骞年P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(fā)才能將其擴展到量產(chǎn)水平，但最近的進步已經(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(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(yè)來說相對較新，但近年來發(fā)展迅速。
專用電路板3D打印機可以比傳統(tǒng)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(tǒng)電路可能需要幾天甚至幾個月才能生產(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)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(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(chǎn)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(chǎn)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(yè)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(yè)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(chuàng)建PCB。因此，這是一種非常經(jīng)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(yōu)缺點
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，但也存在一些非常現(xiàn)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(yōu)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(chǎn)速度：使用3D打印機，PCB生產(chǎn)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(chǎn)和市場推廣。
設計自由：使用3D打印機生產(chǎn)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(chǎn)品更輕、更小、更高效。
減少浪費：傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法會產(chǎn)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(jié)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(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，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(chǎn)中可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)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(chǎn)過程中出現(xiàn)人為錯誤的可能性。
更多層數(shù)：當您使用增材制造系統(tǒng)制造高層數(shù)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(tǒng)材料。
電路板尺寸有限：3D打印機只能生產(chǎn)其打印室允許的PCB大小（這對于大多數(shù)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(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。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(jīng)建立了多個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航空航天設備等各個行業(yè)的PCB。
用于生物醫(yī)學研究的3D PCB
加州斯坦福大學的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)學可穿戴設備開發(fā)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(yī)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(fā)揮最大功能。Bao Research使用Voltera的V-One 3D打印機為連接組件生產(chǎn)可拉伸導體。
“以前，我們使用過絲網(wǎng)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(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)是一家位于德國的研究中心，致力于科學和工程研究與開發(fā)，以推動太陽能和光伏發(fā)電技術的發(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(yè)太陽能電池制造商已采用該技術來開發(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(xiàn)，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(fā)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(chǎn)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(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(tǒng)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(tǒng)的放大器，生產(chǎn)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(xiàn)狀。作為其空間和智能系統(tǒng)部門的一員，高級科學家Arthur Paolella博士認為：“內部制造RF系統(tǒng)的能力為快速且經(jīng)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(jīng)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(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)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(chuàng)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(fā)正在各行各業(yè)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(chǎn)。雖然這項技術尚未準備好實現(xiàn)商業(yè)化，但它表明了行業(yè)發(fā)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(chuàng)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(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(chuàng)建了一個可運行的物理原型。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)境標準，同時降低了成本（來源：InnovationLab）
“這是一種最先進的生產(chǎn)工藝，它將降低成本并減少對供應商的物流依賴，同時為環(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(chuàng)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(tǒng)技術薄15倍，從而減少了材料消耗，意味著生產(chǎn)過程中的浪費更少。
編譯整理：ALL3DP
