提到電子電路，您可能會(huì)想到印刷電路板(PCB)：帶有特征性綠色的剛性矩形，上面有銅線，上面焊接著令人困惑的組件。但是，添加電子功能是否意味著要使用PCB，從而需要在產(chǎn)品中刺入一個(gè)剛性矩形?

3D電子學(xué)的新興方法表明并非如此。3D電子產(chǎn)品不是在剛性板上單獨(dú)制造，而是將電子功能集成到對(duì)象表面內(nèi)或?qū)ο蟊砻嫔稀ｉL(zhǎng)期以來(lái)，天線和簡(jiǎn)單的導(dǎo)電互連已被添加到注模塑料物體的表面上，而3D電子技術(shù)正在通過(guò)新材料，金屬化方法和制造方法進(jìn)行廣泛的創(chuàng)新。

替代方法

越來(lái)越多的電路被使用多種新技術(shù)添加到3D表面上并集成到對(duì)象中。氣溶膠和材料噴射使導(dǎo)電互連可以應(yīng)用到表面上，而模內(nèi)電子設(shè)備和3D打印電子設(shè)備則可以將完整的電路集成到對(duì)象中。在它們之間，各種方法具有多種優(yōu)勢(shì)，包括簡(jiǎn)化的制造，減輕的重量和新穎的外形。使用3D電子產(chǎn)品時(shí)，增加電子功能不再需要將剛性的平面PCB集成到物體中，然后將相關(guān)的開(kāi)關(guān)，傳感器，電源和其他外部組件連接起來(lái)。

IDTechEx的新報(bào)告“ 2020-2030年3D電子產(chǎn)品：技術(shù)，預(yù)測(cè)，參與者 ” ，通過(guò)采訪整個(gè)領(lǐng)域的主要參與者，全面介紹了3D電子技術(shù)的所有方法。針對(duì)不同的應(yīng)用，每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)相互權(quán)衡，大量案例研究顯示了如何在汽車，消費(fèi)品和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域部署不同的制造技術(shù)。此外，通過(guò)對(duì)技術(shù)及其要求的詳細(xì)分析，我們確定了材料和制造方法的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。本報(bào)告中分析的所有方法和技術(shù)都顯示在下面的路線圖中，該路線圖顯示了它們從概念到針對(duì)不同應(yīng)用的商業(yè)化進(jìn)程。

表面電子

將電氣功能添加到3D對(duì)象表面的最佳方法是激光直接成型(LDS)，其中通過(guò)激光選擇性激活注塑塑料中的添加劑。這形成圖案，隨后使用化學(xué)鍍將其金屬化。LDS大約在十年前出現(xiàn)了巨大的增長(zhǎng)，并且每年用于制造數(shù)億個(gè)設(shè)備的設(shè)備，其中大約75%是天線。

但是，盡管LDS的圖案形成速度高且已被廣泛采用，但它仍然存在一些弱點(diǎn)，為表面金屬化的替代方法留有空間。首先，這是一個(gè)分為兩個(gè)步驟的過(guò)程，可能需要將零件發(fā)送到其他地方進(jìn)行電鍍，因此有暴露IP的風(fēng)險(xiǎn)。它在批量生產(chǎn)中的最小分辨率約為75 um，因此限制了線密度，并且只能在模制塑料上使用。最重要的是，LDS僅能實(shí)現(xiàn)單層金屬化，從而避免了交叉現(xiàn)象，從而大大限制了電路的復(fù)雜性。

鑒于這些限制，將導(dǎo)電跡線應(yīng)用于3D對(duì)象表面的其他方法正在普及。擠出導(dǎo)電糊劑(一種包含多個(gè)導(dǎo)電薄片的粘性懸浮液)已經(jīng)用于一小部分天線，并且是將整個(gè)電路沉積到3D表面上的系統(tǒng)的首選方法。

氣溶膠噴射是另一種新興的金屬化方法，其中將相對(duì)低粘度(通常為導(dǎo)電性油墨)霧化。然后將該噴霧與惰性載氣混合并從噴嘴中噴出。氣溶膠噴射具有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：它的分辨率高達(dá)10 um，并且噴嘴可以放置在距表面幾毫米的位置，從而有助于對(duì)具有復(fù)雜表面幾何形狀的3D表面進(jìn)行構(gòu)圖。缺點(diǎn)是復(fù)雜的霧化和輸送過(guò)程的成本，以及對(duì)不同墨水重新優(yōu)化過(guò)程的要求。

現(xiàn)有的LDS技術(shù)的數(shù)字沉積方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，介電材料也可以沉積在同一打印系統(tǒng)中，從而可以實(shí)現(xiàn)交叉連接，從而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的電路。還可以沉積絕緣和導(dǎo)電粘合劑，從而將SMD組件安裝到表面上。

模內(nèi)電子

模內(nèi)電子產(chǎn)品(IME)提供了一種商業(yè)上引人注目的提議，將電子產(chǎn)品集成到注塑零件中，從而降低了制造復(fù)雜性，減輕了重量并啟用了新的尺寸規(guī)格，因?yàn)椴辉傩枰獎(jiǎng)傂訮CB。此外，它依靠現(xiàn)有的制造技術(shù)，例如模內(nèi)裝飾和熱成型，減少了采用的障礙?；驹硎菍㈦娐酚∷⒌娇蔁岢尚偷幕迳?，并使用導(dǎo)電粘合劑安裝SMD組件。然后將基板熱成型為所需形狀，并填充注模塑料。IME特別適用于汽車內(nèi)飾和白色家電控制面板中的人機(jī)界面(HMI)，因?yàn)檠b飾膜可用于電容式觸摸傳感器上方的外表面。

盡管由于易于制造以及與既有制造技術(shù)的兼容性，IME在未來(lái)可能會(huì)主導(dǎo)HMI接口，但它確實(shí)帶來(lái)了技術(shù)挑戰(zhàn)。其中最主要的是開(kāi)發(fā)能夠承受熱成型過(guò)程的溫度以及注塑成型的熱量和壓力的導(dǎo)電和介電材料。因此，材料供應(yīng)商正在開(kāi)發(fā)針對(duì)IME的材料組合，其導(dǎo)電油墨可以變形而不會(huì)破裂。其他挑戰(zhàn)包括開(kāi)發(fā)可解決電路彎曲問(wèn)題的電子設(shè)計(jì)軟件，以及開(kāi)發(fā)在成型過(guò)程中可靠的SMD組件連接方法。

全3D打印電子

最不發(fā)達(dá)的技術(shù)是全3D打印電子產(chǎn)品，其中依次沉積介電材料(通常是熱塑性塑料)和導(dǎo)電材料。與放置的SMD組件結(jié)合使用，可形成電路，并可能將復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)嵌入3D塑料物體中。核心價(jià)值主張是，可以將每個(gè)對(duì)象和嵌入式電路制造成不同的設(shè)計(jì)，而不必每次都制造掩模和模具。

因此，全3D打印電子設(shè)備非常適合需要在短時(shí)間內(nèi)制造各種組件的應(yīng)用。實(shí)際上，美國(guó)陸軍目前正在試驗(yàn)一種堅(jiān)固的3D打印機(jī)，以在前向作戰(zhàn)基地制造替換組件。對(duì)于定制形狀和功能甚至很重要的應(yīng)用，例如，助聽(tīng)器和假肢等醫(yī)療設(shè)備，該技術(shù)也很有希望。3D打印電子產(chǎn)品使用同一設(shè)備制造不同組件的能力以及相關(guān)的單位成本和體積分離，也可以實(shí)現(xiàn)向按需制造的轉(zhuǎn)變，其中具有電子功能的對(duì)象是

完全3D打印電子產(chǎn)品所面臨的挑戰(zhàn)是，從根本上說(shuō)，制造是比通過(guò)注塑成型制造零件要慢得多的過(guò)程，因?yàn)槊恳粚佣夹枰樞虺练e。盡管可以使用多個(gè)噴嘴來(lái)加快打印過(guò)程，但最適合可定制性提供明顯優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用。確?？煽啃砸彩且粋€(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)槭褂们度胧诫娮釉O(shè)備無(wú)法進(jìn)行事后維修–一種策略是使用圖像分析檢查每一層并在下一層沉積之前進(jìn)行任何維修。