应用聚焦：5 种可从 3D 打印中受益的电子元件

电子 3D 打印正迅速成为推进电子制造的关键技术之一。目前，它主要用于通过快速原型设计来加速产品开发。然而，我们越来越多地看到技术转向生产功能性电子元件。

到 2029 年，3D 打印电子产品的总市场预计将超过 20 亿美元。在今天的文章中，我们正在探索推动这种增长的趋势和一些应用程序。

看看本系列中涵盖的其他应用程序：

热交换器的 3D 打印

轴承3D打印

用于自行车制造的 3D 打印

用于数字牙科和透明矫正器制造的 3D 打印

用于医疗植入物的 3D 打印

3D 打印火箭和航天器制造的未来

鞋类制造的3D打印

铁路行业的 3D 打印

3D 打印眼镜

用于终端零件生产的 3D 打印

支架的 3D 打印

涡轮机零件的 3D 打印

3D 打印如何实现性能更好的液压元件

3D 打印如何支持核电行业的创新

用于鞋类制造的 3D 打印

是什么推动了电子行业采用 3D 打印？

电子产品的生命周期正在缩短，促使电子制造商想方设法加快产品开发和制造。

目前，大部分原型和组件的生产都外包给东亚地区。这意味着在欧洲和北美开发产品的制造商需要将电子设计发送到中国，并且通常需要等待数周才能取回原型。

此外，最低订购量通常大于制造商的需求，迫使他们购买比测试和验证所需更多的原型。

考虑到这些挑战，制造商正在寻找使原型设计更接近其设计团队的方法。

实现这一目标的一种方法是使用本地合同制造商。然而，这带来了可能侵犯知识产权 (IP) 的另一个问题。理想情况下，制造商需要有一个解决方案来在内部进行原型制作，这就是电子 3D 打印的用武之地。

专为电子应用开发的 3D 打印机正在获得吸引力，因为它们允许电子公司在内部进行原型设计。此类系统通常采用紧凑的桌面格式，这使得它们易于放置在产品开发部门中。

重要的是，3D 打印机可以在几个小时内创建电子元件的原型，例如印刷电路板 (PCB)、天线、电容器和传感器。因此，设计验证变得更快，从而实现更频繁的重新设计。此外，在内部保留用于电子产品的 3D 打印系统可降低知识产权盗窃的风险。

推动电子 3D 打印的另一个因素是电子元件的不断发展和小型化，以及对高级功能的需求增加。对非标准柔性电子产品的需求呈指数级增长，但由于使用传统技术制造此类组件可能具有挑战性，因此 3D 打印技术开始提供满足需求的方法。

印刷电子产品并不是一个新概念。几年来，喷墨和丝网印刷等二维打印技术已被用于制造电子元件。所有这些过程仍然完好无损，但存在局限性。大多数 2D 工艺都是为二维打印而开发的，这意味着它们只能用于在平面上制造电子元件。

例如，在传统的 PCB 制造中，工程师在 2D 中进行设计，如以及在 2D 中制造不同的 PCB 层。然后他们必须完成各种额外的工艺步骤，如钻孔、压制和电镀，以便开始将许多单独的层连接成一个多层的三维电路板。

3D 打印扩展了设计选项，因为它允许工程师在非平面上打印整个电路。

不可否认，这项技术目前主要用于原型设计。然而，新的和改进的系统开始进入市场，这表明我们很快就会看到 3D 打印电子产品用于全功能、批量生产的产品。

3D 打印电子产品的关键应用

3D 打印天线

天线是所有商用和军用飞机以及卫星、无人机和地面终端中始终存在的组件。

3D 打印的出现导致了传统制造技术无法实现的新型天线设计的发展。 3D 打印还使制造商能够以更轻的成本和更低的成本生产传统天线形状。

Optisys 是一家专注于使用金属 3D 打印设计、制造和测试轻型天线的公司。为了制造天线，Optisys 使用粉末床融合工艺，其中通过高功率激光将薄薄的粉末层焊接到固体金属中。

通过这种焊接工艺，一个零件一次只焊接一小层。这种制造过程允许仅在必要时添加材料，以实现给定的机械或射频 (RF) 功能。

在一个示例中，Optisys 生产了一个演示部件——X 波段卫星通信集成跟踪阵列 (XSITA) 天线。 3D 打印与仿真软件相结合，使 Optisys 能够将装配中的零件数量从 100 多个减少到仅 1 个。 Optisys 还报告说，交货时间缩短了 9 个月，从 11 个月缩短到 2 个月，生产成本至少降低了 20%

互连

任何电子系统的固有部分，互连是将两个或多个电路元件（例如晶体管）电气连接在一起的结构。

目前制造互连的方法，如引线键合，有一些限制，包括长的导体路径和易碎组件的高机械应力。将互连直接打印到 PCB 和 RF 元件焊盘上可能会解决这些挑战。

由 Optomec 开发的气溶胶喷射技术是可以在 3D 表面上打印共形互连的技术之一，无需引线键合。

气溶胶喷射打印从雾化开始墨水，产生直径一到两微米的液滴。雾化的液滴被气流夹带并传送到打印头。然后打印机高速喷射材料液滴，使它们粘附在基材上。该过程在室温下进行，无需使用真空或压力室。

来自航空航天和国防科技公司 Northrop Grumman 的团队已使用这种方法生产砷化镓 (GaAs) 半导体。在这项研究中，研究人员在基于 GaAs 的微波单片集成电路 (MMIC) 上 3D 打印了介电层和桥式金互连。

印后，MMIC 器件进行了射频测试和可靠性测试，包括热冲击、热循环和电流应力测试。在如此恶劣的条件下幸存下来，MMIC 没有表现出性能下降的迹象，证明 3D 打印互连可以在现实世界中运行。

电容器

电容器是一种用于电子电路中存储能量和电荷的装置，是另一种可以 3D 打印的组件。

当今的传统 PCB 制造技术需要将电容器安装到 PCB 上。然而，这会导致 PCB 表面积的使用效率不高。

另一方面，3D 打印允许将电容器直接打印在 PCB 上，使电子工程师能够避免可能耗时且复杂的组装过程，同时创建更小的电路板占用空间。

其他好处可能包括更短的电路路径、扩展的带宽、提高的信号速度和最小化的噪声。

电子3D打印机开发商Nano Dimension最近宣布成功开发出嵌入式3D打印电容器。他们的技术为 DragonFly 3D 打印机系列提供动力，其工作原理是按照设计文件指定的位置从基板向上沉积两种材料（一种导电材料和一种电介质）。

经过超过 260 次测试，使用 30 种不同的 3D 打印电容器尺寸，据报道该公司证明了一致的结果，显示组件之间的差异不到 1%。

Nano Dimension 表示，其电容器可用于射频传输线、音频处理、无线电接收和电源电路调节。

这一里程碑符合电子行业对电子设备小型化和扁平化的趋势。显然，3D 打印生产更小的电容器的能力正在扩大，为电子工程师提供了优化 PCB 设计的新方法。

射频组件

除了电容器，Nano Dimension 的 3D 打印机还用于设计射频组件。这些是用于远距离传输数据、视频、语音和其他信息的任何电子系统的关键要素。

Harris Corporation 是一家专门从事战术通信、地理空间系统和服务以及航空电子设备和电子战的公司，该公司已使用 DragonFly Pro 2020 3D 打印机开发了 3D 打印射频放大器。

通过使用 3D 打印，Harris 在 10 小时内制造了 101 x 38 毫米厚的电路。 Nano Dimensions 的银纳米粒子导电和介电墨水用于在一次打印中创建功能性电子部件，然后将组件手动焊接到 PCB 上。

与传统制造的放大器相比， 3D 打印的对应物表现出类似的射频性能，清楚地证明了 3D 打印电子产品用于射频电路的可行性。

传感器

3D 打印传感器是 3D 打印电子产品最令人兴奋的应用之一。这些设备可以检测和响应来自物理环境的某种类型的输入，从汽车的排放控制系统到自动门和手机，无处不在。

生物医学传感器是一种可以从 3D 打印中受益的应用。例如，佐治亚理工学院和埃默里大学的研究人员正在开发一种 3D 打印传感器，可能有助于临床医生无线监测和评估动脉瘤的愈合情况。

该传感器是在气溶胶喷射 3D 打印的帮助下创建的。它包括六层，由生物相容性聚酰亚胺制成，两层由银纳米颗粒制成的网状图案独立层，一种电介质和软聚合物封装材料。

据研究小组称，3D 打印使非常小的在一个步骤中产生电子特征。这消除了对传统多步光刻工艺的需要。这也意味着传感器可以以更高的产量和更低的成本制造。

这项技术让我们得以一窥智能设备和电子 3D 打印的结合如何推动医疗保健。

除了医疗应用外，3D打印传感器还可用于监测涡轮叶片的性能。例如，通用电气正在使用 Optomec 的 Aerosol Jet 技术将陶瓷应变传感器直接打印到涡轮叶片上。这些传感器用于检测金属中的疲劳和蠕变，以防止代价高昂且危险的故障。

据报道，3D 打印传感器的使用为 GE 节省了 10 亿美元。

维护涡轮叶片既昂贵又耗时，但在燃气轮机部件上使用 3D 打印传感器有助于优化该过程。

3D 打印和传感器技术的结合为医疗、能源和航空航天行业的广泛应用打开了大门。随着该领域研究的继续，我们将看到 3D 打印传感器的使用不断增长，这得益于对更小但性能更高的监控解决方案的需求。

前路

3D 打印电子产品是一个年轻但迅速成熟的 3D 打印领域，随着电子行业不断变化的需求而不断发展。

目前，电子 3D 打印提供了快速原型制作解决方案，但可能只有几年的时间才能看到电子产品的大批量增材制造。公司正在通过推出改进的、具有生产能力的系统和开发性能更好的导电和介电材料，使这一愿景成为现实。

例如，Nano Dimension 最近展示了其新的 DragonFly Lights-Out 数字制造 (LDM) 系统。该公司表示，该系统可用于小批量生产功能性 3D 打印多层 PCB、电容器、线圈、传感器和天线。

硬件方面的进步是解锁原型制作之外的电子 3D 打印的关键之一。

同样令人兴奋的是为开发 3D 打印电子产品的应用而进行的大量研究。研究人员和企业都在通过探索 3D 打印提供的新功能和设计来推动电子制造的发展。

继传统机械 3D 打印的脚步之后，电子 3D 打印领域看起来将在未来几年经历巨大的增长。