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多级增材制造电子产品最新进展
  2022-03-29      85

文章来源:PCB007中国线上杂志

本次采访,最初我联系了SEMIKRON Elektronik GmbH & Co. KG公司的PCB设计师Michael Schleicher,他获得了IPC认证高级设计师(CID+)认证。Schleicher介绍了最近在EIPC技术发展概况网络研讨会上发表的关于增材制造电子电路的演讲。他又于2022年1月在IPC APEX EXPO展会上做了更详细的演讲。

与Schleicher沟通时,他建议邀请Jaim Nulman博士加入此次采访。Nulman是Nano Dimension公司的首席技术官和执行副总裁,他在IPC APEX EXPO展会上也做了演讲。

Nolan Johnson:什么是多级增材制造(multilevel additively manufactured,简称AME)工艺?

Jaim_Nulman copyJaim Nulman:多级和多种材料增材制造电子学是制造工艺,即在空白基板或现有结构上从头开始创建电子电路和器件。它完全是数字化制造工艺,根据所需的电子功能逐层同时沉积至少两种材料,通常是一种导电材料和一种电介质。作为数字化工艺,材料只沉积在需要的区域,无需钻孔或激光切割,因此不会造成浪费。此外,它还可以直接制造被动元件,如电容、线圈和电阻;并且可以自然地埋入元件。这种功能减少了表面贴装技术产生的寄生元件。

Johnson:Jaim,你的论文指出AME实现了“设计具有基本外形因素电子设备的自由”。可以简要介绍一下吗?

Nulman:基本上,AME设计和制造技术不受90º垂直设计及传统PCB制造工艺所需的每层单条走线厚度的限制。AME技术的3D数字特性能够以任意角度连接导通孔,并在导通孔连接的层之间采用曲线方式;可以实现更高的堆积密度和电路速度。由于数字3D制造能够在3D空间中构建这样的电路,人们甚至可以考虑消除电子电路中的术语“层”。

Michael Schleicher:我认为,这是构建单个3D形状(小型)电子系统以最大限度地利用“3D构造空间”的主要优势之一。通常,PCB设计有横向走线和垂直导通孔,两者是用不同的工艺制造的。

增材制造电子技术不限于横向和垂直结构;可以采用“任意角度”实现连接,并且仍然在同一台设备内制造。

Johnson:Michael,在你的论文中,你将dPCB定义为数字打印电路板(digital printed circuit board,简称dPCB)。有多种方法可以创建dPCB吗?能详细说明一下吗?

Schleicher:我非常感谢Nano Dimension所做的开创性工作以及在行业中取得的成功。在我看来,整个行业都在寻找采用数字打印的方法。

在构建金属、塑料及陶瓷元件的领域,正在深入研究数字打印的可能应用。除了喷墨工艺外,还有其他一些有希望的工艺仍处于各不相同的研究阶段。

目前行业有IDTechEx和Yole的出版物及报告。Nano Dimension的在线AME学院已经提供了更多数字打印电路板的实例。模制互连器件(Molded Interconnect Devices,简称MID)领域已经发布了一些电子产品的其他研究,目前正在研究使用各种打印原理生产电路和电路载体的方法。每年德国的MID研讨会都会介绍数字打印电路板的发展概况。

同样,有机及打印电子协会对电子电路载体的新制造方法也非常感兴趣。年度LOPEC大会和德国贸易展会也会展示最新技术。

我认为,这说明了数字打印技术正被进一步广泛应用于制造业。未来会如何发展?仍然是不确定的,但发展趋势是明确的,毋庸置疑。

FED(Fachverband Elektronik Design)协会的3D电子工作组与MID协会、有机及打印电子协会进行交流。

Johnson:通过AME形成的结构与传统PCB大不相同,能详细介绍一下吗?

Nulman:AME制造的数字特性,包括3D结构,可实现只用导线连接器件成形,无需导通孔、屏蔽线(如同轴电缆),形成不同形状的整体电路。因此,双绞导线、成对线、三绞线等可以在产品内部制造,无需使用外部电路连线。线圈、电容器、多种形状/多级天线可以作为电子电路的组成部分进行制造,不仅在成本上,而且在电子性能上都是传统PCB制造无法匹敌的。

Schleicher:现在PCB布局领域有很多专利。如果搜索一下,还会发现一些关于传统制造PCB“双绞线”布线的专利。然而,人们认识到双绞线是传输快速开关信号的一种有用方法。

双绞线的实际目标是保持信号的完整性,从而尽可能地提高信号质量。为此,正向和反向导体要尽可能“耦合”。理想情况下,电缆仍然可以用屏蔽层覆盖。这是我们通过网络电缆了解的情况。

在打印电路板中,通常会计算导体宽度和到参考层的距离,以实现一定的横向连接阻抗。根据现有的可能性,可以使用任何布局工具布置相应的线路。对于垂直连接,更难计算连接阻抗。有几种变通方法可以成功/努力实现所需的阻抗。

实例A(可能的设计要素)

数字打印的可能性提供了几乎最优的解决方案。不再存在任何层依赖关系。可以在彼此之间的最佳距离布线和构建这些走线。当然,如果仔细观察,就会发现有一些局限性,比如由于打印产品上“体素”的排列而产生的某种表面粗糙度。我估计,这点将在未来得到极大的优化。

Johnson:用AME技术制造产品需要什么设备?

Nulman:高产量是基于喷墨设备实现的,该设备至少有两个打印头,一个用于电介质,一个用于导电油墨。其他技术包括喷雾、点涂和LIFT(激光诱导前向转移)。该设备还可集成用于油墨固化、干燥和烧结的能源。AME制造技术在提供设计自由的同时,也是材料(油墨)、沉积头、算法和控制之间的高度集成技术。虽然传统工业喷墨打印头的走线尺寸限制估计在40微米左右,但已经在开发高阶技术,可以实现微米级的走线宽度。可以与半导体制造业中光学光刻技术的发展相比较。一些设备还包括元件的拾取和放置。

Schleicher:在我看来,正如Jaim所描述的,有几种方法可以实现AME,其中包括Nano Dimension的Dragonfly系列,以及其他制造商用其他工艺和设备生产增材制造电子产品。喷墨工艺的优点是每个打印头上的多个喷嘴可并行操作,同一台设备上的多个打印头也可并行操作。

但不应忘记,增材制造技术也可以应用于电子产品生产的其他部分。在SEMIKRON,我们使用喷墨工艺(按需滴墨)打印银烧结膏(功能性液体)。另一个例子是打印阻焊,可使用喷墨工艺在基材或铜打印走线上打印若干阻焊层。

德国也在进行2D或3D形状表面功能化的研究。其中,使用喷墨工艺将金属打印到表面,并使用LED阵列激光器进行固化。例如,在打印电路板的插接区域(或其他应用)中打印金表面,无需电镀工艺。

如前所述,重要的是不要过于狭隘地描述术语和技术。目前的开发还处于相对初级阶段。我认为,10年后我们再回顾时,会更容易看到什么是正确的。

Johnson:AME如何改进制造公差?

Nulman:AME改进了X、Y和Z方向的制造公差。在所有3个方向上,加工阶段设备的机械运动和材料源的运动都在微米范围内,并且以微米精度逐层沉积材料。因此,AME的公差比传统PCB制造中的公差要严苛得多。例如,可以消除导通孔的接地盘,从而增加走线密度。

Schleicher:我有不同的看法。我们习惯于询问细节,哪里有改进,哪里比目前的技术水平更高。但该技术更重要的是,允许在同一封装空间中对电子产品进行“致密化”,并且通过去除不同的工艺和程序步骤来简化布线。通过在同一个过程中制造整个电路载体,将可改善公差。

我想举一个小实例。今年圣诞节,我12岁的儿子得到介绍谷登堡的有声读物。我对这个故事的细节不太熟悉,但他实现打印648页的圣经这个想法花费了约17年。在这个过程中,他开发了油墨颜色和打印工艺,并一次又一次地改进。今天,我们可以在一个晚上打印出数以百万计的彩色日报。

我认为,市场已有第二代工艺技术,我们打开了一扇引入未来改进之门。迭代输入来自设备供应商的需求,但也来自市场预期。

Johnson:目前发现AME有哪些应用?

Nulman:今天的大多数用户都专注射频应用和国防工业所需的特有解决方案。一些公司正在使用AME进行内部样品设计、验证和优化新设计,以缩短产品上市周期。

Schleicher:SEMIKRON可能和其他公司一样,增材制造工艺通过实现更多功能,帮助我们更容易、更快、以更低成本或同样成本制造产品。因此演示有助于有针对性地展示简单的问题和解决方案。但是,重要的是新方法是否提供了更简单、更简洁的方式去解决以往的问题。

从我们的角度来看,该技术目前的应用是在研究和样品生产领域。我认为考虑如何从设计师的角度来实现这项技术非常重要。正因如此,我参与了IPC研讨会的演讲。

Johnson:AME现在可以在生产环境中使用吗?

Nulman:行业正在用AME技术制造低产量、高性能的电路。随着电子行业了解并致力研发这项技术的功能,设备和材料将逐步符合高产量、先进性能的要求,从而实现批量生产。此外,CAD系统将不断发展,以实现设计自由,以及ECAD和3D MCAD功能的集成。

Schleicher:几年前,德国的一家公司购买了这台设备,目前正在研究产品理念和应用。一年前我拜访该公司并进行了深入交流。但是该公司从事国防领域的生产,所以谈话只涉及通用经验。

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