3D 打印電路板 (PCB)：你想知道的這里都有！

南極熊導讀：在電路板生產(chǎn)中經(jīng)常面臨著供應中斷和設計限制問題，越來越多的供應商選擇3D打印機來解決上述問題。與傳統(tǒng)生產(chǎn)方法相比，3D打印電路板 (PCB) 的制造速度更快，用途更廣泛，并且可以在生產(chǎn)更復雜的電路的同時顯著節(jié)省成本。當今 3D PCB 的最大吸引力在于，它們?yōu)橹圃焐炭刂破潆娐钒骞�應并消除工廠停工、運輸減慢等情況。


△Nano Dimension 既是 3D 打印機制造商，也是 3D PCB 服務提供商（來源：Nano Dimension）

誠然，這項技術(shù)目前是一個利基市場，需要更多的研發(fā)才能將其擴展到大規(guī)模生產(chǎn)水平，但對于快速原型、小規(guī)模生產(chǎn)和獨特的電子產(chǎn)品（尤其是軍事或航空航天應用），3D 打印為電子產(chǎn)品制造商提供了一條在內(nèi)部生產(chǎn)電路板的途徑。這項技術(shù)的快速進步已經(jīng)使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，一家 3D 打印機制造商 Optomec 表示，其半導體解決方案將 5G 信號提高了 100%。

制造商迅速采用 3D PCB 的原因還有很多。接下來，南極熊將帶您了解可以制造電路板的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，例如增材制造工具和夾具如何用于 PCB 生產(chǎn)。南極熊還整理了當今生產(chǎn)3D PCB主要制造商，如果你感興趣，就請看下去吧。

什么是 3D 打印電路板？


△Nano Dimension 用于電路板的 3D 打印技術(shù)（來源：Nano Dimension）

3D PCB技術(shù)是電子行業(yè)的新手，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，對于某些應用場景，甚至可以使用帶有導電絲的普通桌面 FDM 3D 打印機進行制造。傳統(tǒng)電路可能需要數(shù)天或數(shù)月才能生產(chǎn)出來，而 3D 打印機可以在 30 小時或更短的時間內(nèi)制作出功能性電路板。設計自由度是另一個好處，3D 打印機可以創(chuàng)建比傳統(tǒng)矩形板復雜得多的電路，包括柔性板、蜂窩結(jié)構(gòu)，甚至是全三維板。

PCB 3D 打印技術(shù)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中空通道或溝槽的電路板，這些通道或溝槽隨后填充導電材料。讓我們仔細看看這些方法的不同之處。


△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(gòu)建整個電路板。它與傳統(tǒng)的PCB 生產(chǎn)方法不同，過去的生產(chǎn)中通常使用機械手段將電路蝕刻到板上或CNC 銑削導電跡線。

●方法一：導電材料
使用導電材料的 PCB 3D 打印機鋪設導電材料以形成電路。導電材料是以注入了導電顆粒（如銀、銅或石墨）的墨水或細絲，這些材料也可以作為載有氣溶膠的材料流進行噴涂。

墨水是商用 PCB 3D 打印機中更常見的選擇�？梢允褂妙愃朴� 2D 打印機中的噴墨打印機來沉積導電和絕緣墨水的液滴，從而構(gòu)建出電路。一些打印機需要預制基板，另一些打印機可​​以從頭開始打印整個基板。后者可以生產(chǎn)復雜的多層雙面電路板，實現(xiàn)嵌入線圈、電阻器或 LED 等組件的功能。

導電絲是打印電路板的另一種選擇。用戶幾乎可以使用任何 FDM 打印機打印這些燈絲，這更具成本效益。但是，該電路將比基于墨水的 PCB 更笨重且效率極低。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2：空心通道
第二種方法生產(chǎn)的電路板具有電路所在的空心通道。從本質(zhì)上講，您將打印一個“外殼”來容納您在打印后沉積到通道中的導電材料。為了使電路正常工作，您必須使用非導電燈絲（如 ABS 或 PLA）打印電路板。


△該電路載體由 EOS 在選擇性激光燒結(jié)機上 3D 打印，然后在電路通道中填充導電材料（來源：EOS）

這種方法使您能夠使用幾乎任何足夠精確的 3D 打印機創(chuàng)建 PCB。因此，它是一個非常經(jīng)濟的解決方案。它還可以提供比一些直接打印電路更高的導電性，尤其是那些用導電細絲制成的電路。例如，PCB 制造商 Beta LAYOUT 依靠選擇性激光燒結(jié)機從 EOS 到 3D 打印電路載體導體軌道，這些導體軌道隨后填充導電材料。

PCB的優(yōu)點和缺點


△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3D打印制造的，例如 Impossible Objects 的尼龍板夾具（來源：Impossible Objects）

與傳統(tǒng)制造的電路板相比，3D打印PCB可以提供顯著優(yōu)勢，但它也有一些非常實際的局限性。因此，它可能還不是適用于所有目的的理想技術(shù)。

●優(yōu)點
1.成本效益：雖然一些PCB 3D打印機成本高昂，但它們可以快速獲得投資回報。3D 打印的 PCB 消耗更少的材料。此外，3D打印了消除運輸和外包成本，可以使電路原型制作成本顯著降低。

2.生產(chǎn)速度：使用 3D 打印機，PCB 生產(chǎn)時間以小時計算。他們可以加快整個流程，包括電路設計、原型設計和迭代，最終用途生產(chǎn)和市場推廣。

3.設計自由：用 3D 打印機生產(chǎn)的 PCB 可以是任何形狀，也可以用柔性材料打印。這有了更高的設計自由度，使得工程師可以專注于研發(fā)更輕、更小、更高效的產(chǎn)品。

4.減少浪費：傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式會產(chǎn)生大量浪費。3D打印PCB可以使電路更緊湊，形狀復雜，節(jié)省材料。

5.按需生產(chǎn)：3D 打印能夠根據(jù)需要生產(chǎn)電路板，而無需保留大量庫存。同時，您不必承擔來自第三方制造商的大訂單，同時也消除了供應鏈中斷的機會。

6.高精度：3D打印機在PCB生產(chǎn)中可以達到比傳統(tǒng)方法更高的精度。一些打印機甚至可以放置組件，進一步降低了生產(chǎn)過程中出現(xiàn)人為錯誤的可能性。

7.更多層：當您將增材制造系統(tǒng)用于多層數(shù) PCB 時，您的電路板幾何形狀可能會更加復雜。

●缺點
1.有限材料：作為一項相對較新的技術(shù)，3D PCB 打印還沒有廣泛的材料。許多打印機只能使用制造商提供的一種或兩種材料，這會增加成本并限制設計選擇。

2.較低的導電性：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。

3.有限的電路板尺寸：3D 打印機只能生產(chǎn)與其打印室可容納的 PCB尺寸（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，它們不適合生產(chǎn)大型電路板。

4.缺乏選擇：就像材料一樣，目前很少有公司在商業(yè)上生產(chǎn) PCB 3D 打印機。隨著技術(shù)的成熟，這種情況極有可能得到改善，但就目前而言，沒有廣泛的選擇余地。

3D印刷電路板的應用
3D PCB 已經(jīng)有了很廣泛的應用，許多制造商已成功生產(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
加利福尼亞州斯坦福大學的研究小組正在開發(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。博士后研究員 Naoji Matsuhisa 博士正在開發(fā)用于下一代生物醫(yī)學可穿戴設備的可拉伸傳感器。


△斯坦福大學使用柔性 3D PCB 研究用于機器人皮膚和生物醫(yī)學可穿戴技術(shù)的生物相容性墨水（來源：Voltera）

許多設備的傳感器都放置在有彈性、極其柔韌的基板上，以使它們盡可能靠近皮膚。然后這些傳感器必須連接到剛性電路板。連接點還必須能夠伸展以實現(xiàn)舒適的佩戴和最高程度的功能。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。V-One 使 Bao Research Group 能夠快速制造他們需要的不同尋常的電路和連接器。

●用于可再生能源的 3D 打印太陽能電池
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，從事科學和工程研究與開發(fā)，以推進太陽能和光伏發(fā)電生產(chǎn)技術(shù)。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(shù)使弗勞恩霍夫 ISE 能夠使用注入銀的墨水打印寬度在 18 到 60 微米之間的精細特征收集器線。然后將該層覆蓋在由多種導電材料組成的表面層中。


△帶有疊瓦太陽能電池的光伏車頂?shù)目梢暬�（來源：Fraunhofer ISE）

與以前使用的電池相比，3D打印的太陽能電池具有更高的電導率和更低的陰影效應。該技術(shù)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(shù)的成功，多家商業(yè)太陽能電池制造商已采用該技術(shù)開發(fā)更有效的太陽能電池，用于綠色能源生產(chǎn)。

●航空航天與軍事
相控陣天線是復雜的天線元件陣列，允許操作員在不移動天線的情況下改變其輻射方向。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”特定的點。這些設備在航空航天和軍事應用中對于促進安全通信至關重要。

總部位于佛羅里達州的工程公司 Sciperio 與美國空軍研究實驗室 (AFRL) 合作，成功開發(fā)了一種在曲面上打印復雜多層射頻電氣結(jié)構(gòu)的方法。這使該公司能夠生產(chǎn)用于飛機和其他航空航天和軍事應用的相控天線陣列。該項目成功的關鍵是工具 (FiT) 3D 制造系統(tǒng)中的 nScrypt 3Dn 系列工廠。3Dn FiT 系統(tǒng)將 FDM 3D 打印與微點膠、氣溶膠噴射和組件放置相結(jié)合，使 Sciperio 能夠制造彎曲天線陣列所需的復雜結(jié)構(gòu)電子器件。

●快速原型制作
Phytec總部位于德國美因茨，是工業(yè)嵌入式電子領域的領軍人物。由于其許多產(chǎn)品的定制性質(zhì)，Phytec 需要能夠快速制作原型、測試和生產(chǎn)新技術(shù)。


△Nano Dimension 的 DragonFly Pro 上 3D 打印的功能性 PCB 觸摸傳感器（來源：Sven Dengel，Phytec）

傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法通常會導致原型的交付周期極長——長達 50 天。Phytec 希望縮短開發(fā)周期并提高產(chǎn)品質(zhì)量。為此，它是首批采用 Nano Dimension DragonFly 3D 打印機的商業(yè)公司之一。這一決定很快被證明是正確的。多虧了 DragonFly，Phytec 現(xiàn)在能夠在一個工作日內(nèi)在內(nèi)部生產(chǎn)出高質(zhì)量的 PCB 原型。它的工程師可以在 PCB 設計過程的早期識別潛在的錯誤和問題，從而節(jié)省開發(fā)時間和材料。此外，3D 打印過程使 Phytec 能夠探索新的想法，解鎖以前無法實現(xiàn)的創(chuàng)意 PCB 結(jié)構(gòu)。

Phytec 首席技術(shù)官 Bodo Huber 說：“根據(jù)電路板的尺寸和復雜程度，我們需要 12 到 18 個小時來打印 PCB。這比以傳統(tǒng)方式訂購 PCB 快 10 到 15 倍。因此，在一個工作日內(nèi)，我們的生產(chǎn)設施就可以使用新設計的第一塊新 PCB”。

3D PCB：最先進的技術(shù)


△這個完全 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、印刷天線以及一系列完全嵌入式傳感器和組件，例如聲學、光和運動傳感（來源：nScrypt）

3D PCB 的研發(fā)正在各個行業(yè)的各個領域進行。以下是一些最有希望的發(fā)展。

在 2022 年 IPC APEX 博覽會（主要的 PCB 會議）上展示的一項重大發(fā)展正在超越電路板，進入打印電路結(jié)構(gòu) (PCS)。工程師們意識到可以不再局限于平板，而是可以制作幾乎任何形狀的電路。例如，3D 打印電路圓柱體是 ICP APEX 的演示之一。這些新形狀可以幫助制造商將 PCB 安裝到更小的空間中，并以更低的價格生產(chǎn)它們。盡管這項技術(shù)尚未準備好進行商業(yè)化，但它指明了行業(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，他們已經(jīng)創(chuàng)造了一種注入有機半導體材料的新型 3D 打印樹脂。使用這種樹脂，研究團隊成功地打印出微型打印電路板等物體。這一發(fā)現(xiàn)可能為可用于可穿戴傳感器、假肢、植入神經(jīng)芯片和其他醫(yī)療器械的小型生物活性電子產(chǎn)品鋪平道路。

用于替代蝕刻工藝的增材 PCB 制造。2022 年 8 月，德國公司 InnovationLab 和 ISRA VISION 之間的合作報告稱，他們在 3D PCB 方面取得了突破。兩人使用新穎的 3D 可打印銅墨水創(chuàng)建了一個可運行的物理原型。多層 PCB與傳統(tǒng)的回流焊接兼容，允許制造商在不購買任何新設備的情況下安裝組件。


△InnovationLab 在打印電路板的增材制造方面取得了突破，在滿足更高的電子生產(chǎn)環(huán)境標準的同時還降低了成本（來源：InnovationLab）

InnovationLab 打印電子產(chǎn)品負責人 Janus Schinke 博士說。：“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)境帶來三個關鍵好處：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，我們希望將這一工藝擴大到大批量，滿足客戶對 100 萬條以上。”InnovationLab 3D PCB 使用的基板比傳統(tǒng)技術(shù)薄 15 倍，從而減少了材料消耗，生產(chǎn)過程中的浪費大大減少。

頂級電路板打印機
與更成熟的 3D 打印技術(shù)相比，3D 打印 PCB 市場目前非常小。以下是當前可用的 PCB 3D 打印機的一些亮點。

●Nano Dimension


△Nano Dimension DragonFly IV（來源：Nano Dimension）

Nano Dimension 的 DragonFly 于 2015 年推出，被譽為世界上第一臺用于生產(chǎn)專業(yè)級 PCB 的桌面尺寸 3D 打印機。該公司目前的產(chǎn)品 - DragonFly IV - 不適合放在桌子上，但它仍然是 AME 生產(chǎn)的強大解決方案。DragonFly IV 將兩種專用墨水沉積在打印床上。其中第一個是 AgCite，一種填充有導電純銀納米粒子的墨水。即使在 75 微米的層高下，AgCite 也能為 PCB 提供可預測的電導率。第二種墨水由介電聚合物組成，可以制造18微米層厚的 PCB 結(jié)構(gòu)。

DragonFly IV 可以同時沉積這些墨水，并使用紅外線和紫外線固化它們。此打印機可以創(chuàng)建高性能設備和電路，即使是復雜的 3D 形狀。Nano Dimension 的 Flight 軟件與 DragonFly IV 無縫集成，可以輕松啟動打印作業(yè)。Flight 使用戶能夠控制從數(shù)據(jù)準備和可打印性驗證到實際打印過程的一切。DragonFly IV 還由 Nano Dimension 用于增材制造的專有 AI 解決方案 DeepCube 提供支持。DeepCube 使用與語音或圖像識別 AI 相同的原理，通過識別人眼無法看到的微小缺陷并實時糾正打印錯誤來提高零件質(zhì)量和輸出。DeepCube 與世界各地的 3D 打印機相連，在每次打印運行時都學會了提高效率和準確度。除了 DragonFly IV，Nano Dimension 還提供 Fabrica 2.0 微型 3D 打印機，它可以通過創(chuàng)建微型連接器和其他微型組件來服務電子制造商。

●Voltera


△Voltera電路板3D打印機（來源：Voltera）

Voltera One 是一款緊湊型 PCB 3D 打印機，主打易用性和快速生產(chǎn)。這是一款經(jīng)濟實惠的機器，即使是中小型企業(yè)也不會超出預算。V-One 提供一體化 PCB 生產(chǎn)包。它能夠分配導電墨水、在電路板上鉆孔、加熱和固化墨水和回流。Voltera 的磁頭很容易更換 ，磁性安裝的磁頭只需在幾秒鐘內(nèi)拉下并卡入正確位置，無需任何工具。

V-One 不是打印整個電路板，而是依賴預制電路板。用戶必須單獨購買電路板，但您可以自由選擇它們的材料，因為 V-One 與基板無關。Voltera 提供標準和柔性導電油墨，使用戶能夠為各種應用打印 PCB。將電路板放入打印機后，V-One 對齊打印頭高度并開始沉積導電墨水，然后最終固化。該機工作速度快，可在2-3小時內(nèi)生產(chǎn)出簡單的單層PCB。V-One 目前可以生產(chǎn)兩層板，但 Voltera 希望在未來增加更多的多層支持。

●BotFactory SV2


△BotFactory 的 SV2 是一款一體化桌面打印機（來源：BotFactory）

BotFactory 的第一臺 PCB 打印機有一個可愛的名字，Squink，它于 2015 年問世，與 Nano Dimension 的 DragonFly 競爭第一臺桌面 PCB 打印機的稱號。。Squink 現(xiàn)已停產(chǎn)，BotFactory 已將其替換為更專業(yè)的 SV2。

SV2 為一體式桌面打印機，專門針對研究和工程應用。該機器可以用導電和絕緣油墨打印多層電路，沉積焊膏。除了導電墨水和電阻墨水，BotFactory 還為 SV2 創(chuàng)建了電阻墨水。這種材料允許制造商直接將電阻器打印到 PCB 上，無需安裝單獨的電阻器組件。

該打印機有 Starter、Enhanced 和 Professional 版本。Starter 和 Enhanced 型號最多可以打印兩層，而 Professional 型號能夠創(chuàng)建四層 PCB。打印機型號的最小間隙范圍分別為 400 至 300 和 200 微米。

●nScrypt 3Dn


△FiT系統(tǒng)，來源：nScrypt

FiT 機器配備了 FFF 3D 打印機，它們還能夠使用 1-5 個可更換工具頭（或制造商所說的小玩意兒）進行微點膠、鉆孔、拋光和放置組件。nScrypt 表示，3Dn 系列 FiT 機器具有自動工具更換、后處理方法和聲稱支持 10,000 多種材料，適用于制造產(chǎn)品，而不僅僅是零件。

PCB 生產(chǎn)商對 FFF 打印和微點膠功能特別感興趣。使用 FiT 機器，可以 3D 打印設備的結(jié)構(gòu)和外殼，同時還可以生產(chǎn)薄至 20 微米的嵌入式導電跡線。這允許生產(chǎn) nScrypt 所稱的打印電路結(jié)構(gòu)，嵌入電路的 3D 打印物體。3Dn 系列 FiT 打印機提供桌面尺寸和龍門平臺型號。

●Optomec Aerosol Jet Flex


△Optomec 的 Aerosol Jet Flex 3D 打印機（來源：Optomec）

總部位于新墨西哥州的 Optomec 為增材制造 PCB 和其他電子產(chǎn)品創(chuàng)造了獨特的解決方案。該技術(shù)被稱為氣溶膠噴射(AJ)，可以在 2D 和 3D 基板上打印導電跡線。AJ 可以在 2D 應用中創(chuàng)建互連，通過在電路交叉點使用介電材料來模擬單層上的多層電路板。該技術(shù)還可以直接在 3D 表面上打印電路，而無需引線鍵合。

Optomec 的旗艦機器是 Aerosol Jet Flex 3D 打印機。它可以配置為具有三到五個運動軸，并且可以打印小至 10 微米的特征和低至 100 納米的層高。該打印機還具有一個用于 PCB 3D 打印機的尺寸合適的打印室，最大構(gòu)建體積為 350 x 250 x 300 mm。電子產(chǎn)品制造商 Lite-On Mobile 使用該技術(shù)將天線 3D 打印到手機上。

AJ Flex 使用霧化器將其基于墨水的材料變成濃密的氣溶膠霧。薄霧通過沉積頭輸送到打印平臺上，其中鞘氣將氣溶膠聚焦成高度聚集的光束。這種方法可以在塑料、陶瓷或金屬基板上打印電路。Optomec 為 AJ Flex 提供了多種附加模塊。激光燒結(jié)模塊可以在室溫下對金屬油墨進行燒結(jié)，而紫外線固化模塊允許操作員固化對紫外線敏感的聚合物以創(chuàng)建 3D 結(jié)構(gòu)。顧名思義，全功能打印頭可解鎖高達 2800 微米的擴展打印特征尺寸。

電路板 3D 打印服務


△Beta Layout印刷的電路板（來源：Beta Layout）

PCB 3D 打印機需要大量前期投資，可能并不適合所有人。幸運的是，無需購買自己的機器就可以 3D 打印 PCB。PCB 3D 打印服務允許您訂購用于原型制作和最終用途的 PCB。

●Nano Dimension
除了制造 DragonFly 3D 打印機，Nano Dimension還提供 PCB 設計和制造服務。該公司在全球設有打印實驗室，使其能夠提供以天為單位的周轉(zhuǎn)時間。Nano Dimension 工程師還可以與客戶合作，從頭開始設計和定制 PCB 和高性能電子設備，以適應各種應用。

●Beta Layout
Beta Layout專門從事 3D 打印和制造 PCB 原型。該公司結(jié)合其兩個專業(yè)領域，提供 3D 機電一體化設備 (3D-MID) 原型設計服務。Beta Layout 可以 3D 打印帶有集成電路的復雜物體。其技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電子元件的小型化，并使制造商能夠比傳統(tǒng)生產(chǎn)方法更快地制作創(chuàng)新電路結(jié)構(gòu)的原型。

●Phytec New Dimensions
Phytec 的子公司Phytec New Dimensions使用 Nano Dimension 的 DragonFly 技術(shù)提供 PDB 3D 打印。該公司專注于生產(chǎn)概念驗證 PCB，并提供組裝 PCB 和單獨設計研究，以確定項目的 3D 打印可行性。Phytec 承諾快速周轉(zhuǎn)時間，能夠在兩個工作日內(nèi)打印出完整的原型。

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