作者:马修·戴森博士，IDTechEx的技术分析师
3D电子产品：PCB的替代品？
提到一个电子线路，你很可能会想到一个印刷电路板(PCB):一个坚硬的长方形，典型的绿色，上面有铜线和一排令人眼花缭乱的组件。但是，添加电子功能是否意味着使用PCB，从而需要在产品中硬塞进一个刚性的矩形?
而新兴的3D电子技术则表明并非如此。3D电子技术不是将它们分别放在一块坚硬的板上，而是将电子功能整合到物体内部或表面上。虽然天线和简单的导电互连早已被添加到注塑塑料物体的表面，3D电子正在进行广泛的创新，新材料、金属化方法和制造方法。在最新的IDTechEx报告《3D电子2020-2030:技术、预测、玩家》中，对这一快速发展的领域进行了广泛的分析。
替代方法
越来越多的电子电路被添加到3D表面上，并通过一系列新技术集成到物体中。当喷雾剂和材料喷射使导电互连应用到表面时，模内电子和3D打印电子使完整的电路集成到物体中。它们之间的各种方法提供了多种好处，包括简化制造、减少重量和新颖的形状因素。有了3D电子技术，添加电子功能不再需要将刚性平面PCB集成到物体中，然后连接相关开关、传感器、电源和其他外部组件。
3D电子技术在不同应用中的地位，从概念到商业化。
表面电子学
在3D对象表面上添加电功能的最佳方法是激光直接结构（LDS），其中通过激光选择性地激活注塑成型塑料中的添加剂。这形成了一种图案，随后使用无电镀金属化。LDS在十年前看到了巨大的增长，用于每年制造100多个设备，其中大约75％是天线。
然而，尽管LDS的制版速度快，被广泛采用，但它也有一些缺点，为表面金属化的替代方法留下了空间。首先，这是一个两步的过程，可能需要将零件送到其他地方进行电镀，从而冒着IP暴露的风险。在批量生产中，它的最小分辨率约为75 um，因此限制了线密度，只能用于模压塑料。最重要的是，LDS只能实现一层金属化，从而防止交叉，从而极大地限制了电路的复杂性。
考虑到这些限制，其他将导电痕迹应用于3D物体表面的方法正在逐渐普及。挤压导电膏，一种由多个导电薄片组成的粘性悬浮体，已经用于一小部分天线，是将整个电路沉积到3D表面的系统的选择方法。
气溶胶喷射是另一种新兴的金属化方法，它将粘度相对较低的导电油墨雾化。然后，这种喷雾与惰性载气结合，从喷嘴喷射出来。气溶胶射流有两个显著的优点:它的分辨率可达10 um，喷嘴可以放置在距离表面几毫米的地方，从而便于绘制具有复杂表面几何形状的三维表面。缺点是复杂的雾化和输送过程的成本，以及对不同油墨重新优化过程的要求。
现有LDS技术的数字沉积方法的一个优点是，介质材料也可以在同一个印刷系统中沉积，从而实现交叉，从而实现更复杂的电路。还可以沉积绝缘和导电粘合剂，使SMD组件安装在表面上。
型内电子
模内电子(IME)提供了一个商业上引人关注的主张，将电子集成到注塑零件中，降低制造复杂性，减轻重量，并实现新的形状因素，因为不再需要刚性的pcb。此外，它依赖于现有的制造技术，如模具内装饰和热成型，减少了采用的障碍。其基本原理是将电路印刷到可热成型的基板上，并使用导电粘合剂安装SMD组件。基板然后被热成型到所需的形状，并填充注塑塑料。IME特别适用于汽车内饰和白色家电控制面板的人机界面(HMIs)，因为装饰性薄膜可以用于电容式触摸传感器的外表面。
由于IME易于制造和与现有制造技术的兼容性，它很可能在未来的人机界面中占据主导地位，但它也带来了技术挑战。其中最主要的是开发导电和介电材料，能够承受热成型过程的温度以及注射成型的热量和压力。因此，材料供应商正在开发针对输入法(IME)的材料组合，其导电油墨可以变形而不开裂。另外的挑战还包括电子设计软件的开发，可以解释电路上的弯曲，以及开发在成型过程中可靠的贴片组件连接方法。
全3D打印电子产品
最不开发的技术是完全3D印刷电子器件，其中依次沉积介电材料（通常是热塑性塑料）和导电材料。结合放置的SMD部件，这导致电路，可能具有嵌入在3D塑料对象中的复杂多层结构。核心值主张是每个物体和嵌入式电路可以制造成不同的设计，而不会每次制造面罩和模具的费用。
因此，完全3D印刷电子设备非常适合于需要在短时间内制造一系列部件的应用。事实上，美国陆军目前正在试行粗犷的3D打印机，以便在前向操作底座中替换组件。该技术对自定义形状甚至函数非常重要的应用，例如，诸如助听器和假肢等医疗设备。3D印刷电子设备使用相同设备制造不同部件的能力，以及单位成本和体积的相关解耦，也可以使转移到按需制造。
全3D打印电子产品面临的挑战是，由于每一层都需要按顺序沉积，因此制造过程从根本上来说要比通过注射成型制造部件慢得多。虽然使用多个喷嘴可以加速打印过程，但它最好针对可定制性提供切实优势的应用。确保可靠性也是一个挑战，因为嵌入式电子设备不可能进行后期维修——一种策略是使用图像分析来检查每一层，并在下一层沉积之前进行任何维修。
IDTeChex报告称，“3D Electronics 2020-2030：技术，预测，玩家”在相当细节中讨论了3D电子设备的每种方法，评估了不同的技术，其潜在的采用障碍及其对不同应用领域的适用性。该报告包括根据不同技术的主要参与者访谈的多家公司资料。我们还开展了每种技术和应用部门的10年市场预测，由收入和地区划定。我们预测消费电子天线的挤压浆料的LDS和增长的逐步下降，以及增加挤出和气溶胶的使用，特别是对于汽车应用。预测IME最大的增长，我们预测将在汽车内饰和白品的控制面板中广泛采用。
预测各类3D印刷电子产品的收入（提升，气溶胶，LDS，双射击成型和挤出浆料是将电子产品添加到3D表面的所有方法）。
IDTechEx
www.IDTechEx.com/3DElec
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