3D打印电子产品的产业化前景，判断逻辑是怎样的？

| 3DScienceValley · 2022/03/30

根据3D科学谷的市场观察，在过去十多年中，混合3D打印系统获得了飞速的发展，结合喷墨和挤出技术，基于粉末床和气溶胶喷射打印已成功用于3D打印电子设备。

针对目前国内业界的投资机构普遍关注的3D打印电子产品的技术发展到哪个阶段了？国内有一些企业将3D打印技术应用于电子封装领域，这些企业值得投资吗？本期，3D科学谷通过深入剖析3D打印电子产品的技术逻辑，与业界分享3D打印电子背后的价值判断逻辑。

亚琛弗劳恩霍夫激光研究所3D打印感应器
© 德国亚琛Fraunhofer ILT

多材料的3D打印

更复杂、更集成

根据3D科学谷，3D打印被应用于电子领域的主要技术逻辑是3D打印可以实现的集成制造方式，可以将复杂的电路集成到由多种材料表面或内部。例如可以将导电和非导电材料在一个加工过程中进行加工，可以在刚性和柔性基板上3D打印嵌入式无源器件这些高度复杂的过程，可以实现不同拓扑结构的保形打印，可以3D打印封装在立方体中的LED，可以打印IC连接、感应器、MEMS等等，这是使用标准加工技术难以实现或者需要分成几个步骤实现的。

例如3D打印半导体封装的一个主要高价值用例是打印 3D 互连，以将芯片连接到其他芯片、传统电路板，甚至直接集成到可穿戴设备等终端产品中。在这种情况下，该工艺取代了传统的丝焊，因为它具有更小的空间要求、更低的损耗（特别是在高频和毫米波中）和更高的机械可靠性。

根据3D科学谷，目前每一种技术的成熟程度是不一样的，完全3D打印电子产品还处在科研及圆形制造的阶段，在走向规模化生产的方向上，还需要效率、经济型、产品质量一致性等多种关键因素的配合。

根据IDTechEx 最新的电子行业报告，这份报告评估了部分PCB被集成电设备取代，从而节省空间、减轻重量并降低制造复杂性的竞争技术。这种发展趋势涵盖了3D表面电子加工、模内电子 (IME) 和全3D 打印电子设备的电子功能。

3D电子全景图
© 3D科学谷白皮书

3D电子技术是一种新兴的方法，将电子元器件集成于目标对象表面或内部。虽然长期以来3D电子技术一直被用于在 3D 注塑物体表面添加天线和简单的导电互连，但越来越多的复杂电路通过利用新技术被添加到由各种材料制成的表面上。此外，根据IDTechEx 模内电子设备和 3D 打印电子设备可以将完整的电路集成到一个物体内，从而提供多种优势，包括简化制造和新颖的外形尺寸。

3D打印电子产
© Research Gate

通过3D电子技术，添加电子功能不再需要将刚性平面 PCB 集成到对象中(也不需要然后连接相关的开关、传感器、电源和其他外部组件）。根据3D科学谷的了解，3D打印技术属于3D电子技术技术中的一种，这其中DW直写3D打印技术为典型的电子领域的3D打印技术。

亚琛弗劳恩霍夫激光研究所3D打印感应器
© 德国亚琛Fraunhofer ILT

根据ACAM亚琛增材制造中心，3D打印-增材制造的发展趋势朝向多维度的深化层面，当前的一大发展趋势包括多材料发展趋势，发挥3D打印实现复杂产品的优势（包括几何特征的复杂性，以及多材料结合的复杂性）是3D打印突破当前应用对经济性要求的限制，向应用端深度延伸走向产业化的一条发展路径。

3D表面电子加工

根据IDTechEx ，在 3D物体表面添加电气功能最成熟的方法是激光直接成型 (LDS)，其中注塑塑料中的添加剂被激光选择性地激活。这形成了随后使用化学镀金属化的图案。LDS 在大约十年前出现了巨大的增长，每年用于制造数以亿计的设备，其中大约 75%的应用是天线制造。

根据3D科学谷的市场研究，诺基亚早在起专利《Wireless portable electronic device having conductive body that functions as a radiator》中就揭示了关于无线便携式电子装置的设备制造，电子装置包括由导电材料形成的主体，主体包括内腔和开口。还包括设置在内腔中的接地平面和电磁耦合，天线可以是环形天线和单极天线。这其中3D打印-增材制造技术在天线的制造中浮出水面。

3D打印天线
© Research Gate

根据3D科学谷，目前3D打印天线的材料种类繁多，大致包括混合材料（金属油墨与非导电材料的混合等等），陶瓷，金属材料。3D打印在各种天线的制造中，有应用于便携式通讯设备的，有应用于5G基站的，有应用于卫星接收装置，有应用于航天器设备上的等等，在3D科学谷看来，3D打印在天线制造方面具有两大技术逻辑：3D打印实现更复杂更精致的结构提升天线性能；3D打印实现轻量化、结构一体化的天线结构更节约材料与空间占用、更紧凑。

3D打印天线
© 3D科学谷白皮书

3D表面加工方面，气溶胶喷射3D打印技术和激光诱导前向转移 (LIFT) 是其他新兴的数字沉积技术，这两种技术都提供了更高分辨率和各种材料的快速沉积。

气溶胶3D打印
© 3D科学谷白皮书

气溶胶3D打印通过数字控制空气动力学聚焦，精确地将电子墨水沉积到基础材料上。通过纳米颗粒的受控烧结，整个过程可以确定固体结构的确切孔隙度。气溶胶喷射3D打印技术方面，根据3D科学谷的市场观察，毫米波集成电路 (IC) 的使用正以 27% 的复合年增长率增长，但在许多应用中受到阻碍，因为用于将 IC 连接到电路的传统技术导致低无线范围和/或高功耗。通过低损耗的方式连接保持设备性能，诸如Optomec 的气溶胶3D打印互连解决方案解决了这一缺陷。

根据3D科学谷的市场观察，目前Optomec气溶胶喷射3D打印技术正在走向上升的商业化发展阶段，其中一家年销售额超过 200 亿美元的全球领先的电子系统和其他先进技术产品制造商已经购买了15台Optomec的设备。而早期使用Optomec气溶胶喷射3D打印技术的客户已经将该技术应用到智能设备和微流控领域。使用该技术可以在无需添加支撑结构的情况下使用光聚合物等材料打印出微米级的高纵横比以及拥有不规则形状的3D结构。通过将这些3D结构直接喷印在天线、传感器、半导体芯片、医疗设备或工业零部件等结构上，在一台设备上即可制造出功能性3D电子组件。这种直接的数字方法优化了制造工艺，减少了生产步骤和材料用量，因此气溶胶喷射3D微结构打印技术也是一种经济的、绿色技术。

完全3D打印电子

目前完全3D 打印的电子产品技术还未达到规模量产的商业化成熟阶段，其制造过程是将介电材料（通常是热塑性塑料）和导电材料依次沉积，结合放置的 SMD 组件，产生电路，同时可能具有嵌入 3D 塑料物体中的复杂多层结构。其核心价值创造技术逻辑：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。

在这方面，国际上Nano Dimension独家的纳米级银质导电材料AgCite以及PCB电路板3D设计软件，能够一次性生产混和导电(金属)和绝缘(塑料聚合物)墨水材料的原型，精准打印出完整且多层次的PCB特征，包含埋孔、镀通孔的互连细节，且无须蚀刻、钻孔、电镀或破坏并在数小时内即可完成。

根据IDTechEx ，全3D 打印电子产品的挑战在于，制造过程从根本上说比通过注塑成型制造零件要慢得多，因为每一层都需要按顺序沉积（虽然使用多个喷嘴可以加速打印过程）。此外，确保可靠性也是一项挑战，因为嵌入式电子产品无法进行事后修复——当前的一种质量控制策略是使用图像分析检查每一层，并在下一层沉积之前进行修复。

因此，面向生产领域的电子产品3D打印，完全3D打印电子领域的头部企业Nano Dimension需要进一步开发自由曲面3D打印和高精度的3D组装技术。为了加快在研发进展，2021年9月，Nano Dimension与弗劳恩霍夫研究机构旗下研究所Fraunhofer IPA 合作开发下一代 3D 打印系统。Fraunhofer开发下一代 3D 喷墨打印的目标是为新型高性能电子设备 (Hi-PEDs™) 的超精确打印创建新的更好的流程和集成。Nano Dimension 和 Fraunhofer IPA 通过合作来专注于基于 3D 自由曲面打印和高精度 3D 组装技术的机电系统自主制造领域的研发。由此项目产生的洞察力将纳入 Nano Dimension 的 DragonFly® 增材制造系统，增强该设备的独特性。

模内电子

模内电子 (IME)，是传统的模内装饰(IMD)技术与柔性印制电路的结合。将机械式多功能控制开关以IME控制开关转换,并通过注塑及散热分析,得出模内电子产品在注塑成型的充填、温度分布、翘曲以及稳定工作下散热的特点，最终制作实物并安装整车测试性能,得到的IME控制开关可以准确完成所有功能的控制,并且相比原先的机械式开关减重近70%,实现了轻量化的目标。这一技术可广泛用于汽车、家电、消费电子、医疗器械等领域。

IME 制造工艺可以看作是成熟的模内装饰 (IMD) 工艺的延伸，其中带有装饰涂层的热成型塑料通过注塑成型转化为 3D 组件。由于IME是现有技术的演进，因此大部分现有的工艺知识和设备可以使用。IME其优势主要还是在于对产品厚度（空间）的优化以及工序的简化，从而实现成本、设计上的优化。所以整个工艺还是需要实现在注塑的同时便完成产品生产，无须额外后处理工艺。

根据3D科学谷的市场观察，3D打印开辟了更多的电子产品制造方式，除了上述的模式，例如2019年，工程服务企业埃特博朗（ Etteplan ）与工业级3D打印企业EOS利用粉末床激光熔化3D打印技术开发了内部嵌入电子器件的金属3D打印零件。埃特博朗表示已找到了实现这类零件批量化生产的方式。

根据ACAM亚琛增材制造中心，增材制造在多功能材料方面的愿景为无限组合的材料与技术，而最终的目标是点击即生产。ACAM亚琛增材制造中心定义达到这个愿景的进阶过程包括5个梯度，当前的世界范围内的发展大多还处在Level 0的水平，Level 0为功能化增材制造过程，Level 1为可预测的增材制造过程，Level 2为自动化的增材制造过程，Level 3为全自动化的增材制造包括前处理与后处理，Level 4为集成化的全自动化不同制造工艺的组合。

3D打印在电子产品领域如何突破Level 0的水平，走向Level4集成化的全自动化不同制造工艺的组合，请参考3D科学谷发布的《3D打印与电子产品白皮书》。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。