3D印刷电路板：它们是如何制作的，为什么他们很重要

一旦局限于主酿造的修补，通过3D打印创建的电路板现在可以为某些制造的产品实用。

J.F.Brandon，Botfactory Inc.

在过去的十年中，3D打印已经从利基原型工具到批量生产可接受的过程。最近的大多数Hubbub都是关于单片塑料和金属。但新材料和流程似乎有助于创建满足长期常设工程问题的3D印刷PCB。

如果电子制造史上可以在一阶段总结，那将是，“将所有东西缩小到没有什么可以更快地挤出一些东西。”小型化的推动是由自然的不可侵犯定律驱动的 - 更快的设备，消耗更少的电源需要更短的电路。

然而，印刷电路板在电子世界中是一个异类。多氯联苯仍然使用50年前完善的基本钻孔和电镀工艺。这并不是说PCB制造是微不足道的或过时的。但与TMSC和AMD等集成电路制造商在芯片厂投入的数千亿美元相比，在新的PCB制造方法上的投资微不足道。

pcb及其构造的细节值得一看。印刷电路板上的“印刷”一词只描述了一半的过程——丝网印刷面具是唯一印刷的部分。PCB最初是在坚硬的玻璃纤维层压板上的铜箔，经过选择性的蚀刻、钻孔和电镀，使用一套丝印和化学浴来生产最终产品。

PCB的唯一目的是可靠地连接被动和有源组件，并提供可靠的平台，用于与产品的其余部分集成或交互。例如，平均计算机键盘中的PCB将电子元件连接在一起，但它也必须管理人类的相互作用并提供与产品主体的声音连接。此外，必须设计PCB，因此它们可以轻松用回流焊膏料，并集成到工业表面安装镐和放置线上。光学检查和飞行探头系统需要PCB，可以很容易地分析和填充以自动修理或丢弃。总而言之，现代PCB可以在找到它们的最终产品中发挥各种角色。因此，值得考虑新的制造过程，可以扩大PCB的功能。

PCB具有热，电气，几何和机械要求，超出大多数用于3D印刷材料的材料。例如，使用熔融沉积建模（FDM）的平均500美元3D打印机使用PLA，ABS和PETG，在任何标准焊接站的苛刻凝视下熔化。金属3D打印技术设计用于一次处理一种材料。然而，PCB需要，最小最小，致密和导电金属用于导体。

PCB印刷出现了三种技术路径:喷墨、挤压和增材制造(AM)-化学镀。首先考虑喷墨。新的纳米粒子和无粒子墨水使喷墨打印超越CMYK墨水和图形。喷墨机现在可以将金属(绝大多数是银色)墨水在柔性材料上形成精细的图案。与聚合物油墨相结合，在一台机器上只需几步就可以制造出具有复杂多层电路(盲孔和埋孔是很琐碎的东西)的pcb。

以这种方式逐层创建pcb的固有优点是每一层都可以测试和验证。最低程度的处理简化了点胶、零件组装和每一层的测试。缺点是，通过喷墨打印的材料点胶相对于所有其他增材制造工艺是缓慢的-沉积速度可以在毫米/小时范围内。用喷墨打印可以制造出精确的痕迹(通常可以达到100微米宽的金属痕迹)。但较小的液滴限制了沉积速度。

金属油墨存在问题：在干燥过程中施加过多会导致出血和开裂，从而限制PCB制造速度。可焊性是一种特殊的盲点 - 银可以在SAM305等标准糊状物下枯萎，在回流期间遭受锡“清除”银。此外，喷墨聚合物在标准PCBS容易管理的温度下熔化。幸运的是，工业接受的低温锡铋和铟的焊膏与喷墨印刷的PCB兼容。

今天有两个PCB打印机使用喷墨 - 该botfactory.sv2和纳米尺寸蜻蜓。每台打印机使用相同的过程来创建多层电路，尽管Botfactory SV2使用廉价的热喷墨头而不是蜻蜓中的压电头。Nano Dimension专注于为生产进行印刷，而BotFactory则强调将粘贴和PCB组件的集成集成到一个小型单元中，在与USAF的项目上工作以自动化整个过程。在这方面，Botfactory在电子行业中是独一无二的，唯一低于20,000美元的商业产品。

单喷嘴喷射

喷墨不是纳米颗粒可以沉积以产生电路的唯一方法。一种替代方法将线挤出到平坦表面上，并使用融合沉积建模，以提供用于留谱的痕迹的聚合物结构。在创建细迹线和空间时，糊状物难以控制，需要精确控制和与基板表面非常紧密接触。

在这里，目标表面必须被覆盖两次-第一次是映射，然后是粘贴。两步程序阻碍了生产过程的可扩展性。膏体必须没有气泡，以免每个气泡起到一种“弹簧”的作用，阻碍挤出过程。使用粘性膏的另一面是，金属负载更高，它可以在更厚的层中沉积金属，立即提高导电性和可焊性。然而，在这个时候，银是最受欢迎的材料，因此受到与喷墨印刷多氯联苯在银清除方面相同的限制。

通过3D印刷电子设备的第一个例子voxel8.2015年。打印机使用FDM并粘贴挤出来创建基本电路迹线。在提供早期的测试版后，Voxel8转换为工业规模的制造，更广泛地关注多材料印刷而不是电子。nscrypt.已经采取了类似的大头裂，创造了一种更一般的工具，包括粘贴以及聚合物挤出，以创建具有物体内的迹线的三维物体。

AM + Allightoligatess（也缩写为AMEP，或3D-Print-and-Plate）是一个全新的AM类别，它结合了现有的添加剂制造工艺和良好的化学镀技术。通过立体光刻（SLA）或熔融沉积建模（FDM）印刷物体，其不同的金属负载材料可以在之后无电镀。AMEP继续成为学术研究的主题。去年，UCLA的研究人员发表了结果使用SLA创建可选择性镀的多材料打印。使用两大桶纯和金属载聚合物，该工艺提高了AM的现有前提，没有额外的制造速度限制。

钯，一种传统上极其昂贵的金属，通常在这个过程中作为种子材料。但在世界的另一边，英国研究人员设计了一种在新的聚酰亚胺材料上印刷更昂贵的金属。聚酰亚胺（也称为Kapton）由电气工程师在柔性和印刷电子设备中高度撬，用于其低热膨胀和介电常数。英国研究人员发现UV能量可用于化学键合银颗粒和聚合物链，为之后提供用于电镀的种子。

上述技术尚未商业化，但总体概念已被用于创建独特的天线公司，如Swissto12.。有一个高分辨率的SLA打印，涂布，然后电镀（不含电镀）。电镀需要电流来启动和控制电镀过程，而PCB通常具有未连接的迹线和需要电镀的通孔。

总的来说，AMEP面临的最大挑战是，除非有暴露的孔或PCB在电镀槽中多次浸泡，否则无法在物体内部制造导体。目前，该技术有能力满足高性能pcb的所有技术要求，包括易焊性和高热容。

这不是什么

有一些关于什么，而不是“am Electronics”，'已经绘制了某些线条。在AM行业总体上，任何使用减法过程的过程都不是加性制造。因此，争辩说，任何在预先存在的基板上建立电路的过程都没有减法过程的任何过程不是3D印刷电子设备。考虑传统的PCB：UV可固化聚合物掩模铜箔，利用AM技术所见的方法和材料，如喷墨印刷和立体光刻。通过方便地忽略通孔和塑造的钻井过程，可以争辩说PCB，当它们显然不是时，PCB是用的。

当使用AM制造整个模型时，它通常具有超出包括减法制造的特征和形成因子的因素，如果包括减效制造，则可以超出任何可能的因素。换句话说，使用减排过程从采用AM的整个点损害。

通常被引用为3D印刷电子器件的半添加过程的示例是激光指导结构，由此开发的技术LPKF.。基本上，物体由注塑成型塑料组成，该塑料已被有机金属化合物填充或涂覆。当激光器将电路图案施加到表面时，金属种子形式形成并产生无电镀镍或铜电镀。该技术受激光覆盖范围的限制，抑制了使导体通过物体通过的可能性。因此，LDS部件不是真正的3D PCB，通过任何方式。

同样的限制也适用于气溶胶喷射，这是一个概念商业化Optomec.。这里，载气（氮通常）以高速从细喷嘴喷射并携带精细悬浮液，例如纳米颗粒金属油墨。各种粘度，金属加载和材料选择使气溶胶喷射候选物用于在物体上产生传感器，克服LDS的有限材料选择。由于这两个过程利用非AM元素，因此它们可以说是不创建3D印刷电子设备。

材料，金属和聚合物的可信性进展使得可以在今天许多应用中使用3D-Print PCB。然而，3D印刷电路板在几个小时内制造的，这是传统PCB的完美复制品是AM的珠穆朗玛峰。最成熟的技术是喷墨印刷;它最接近达到必要的几何和电气性能，材料迅速推进以满足热和机械需求。挤出很好，但难以扩大，其基本能力不均匀。AM-EP是比赛中的黑马，结合了旧的和新技术，为3D PCB提供另一种路径。