3D电子产品是否能取代PCB，你觉得呢？

aau讯（编辑 凌琦韵）提到电子电路，你很可能会想到打印电路板（PCB）：一个典型的绿色刚性矩形，带有铜线和焊接在上面的令人眼花缭乱的组件阵列。但是，增加电子功能是否意味着使用PCB，从而在在产品中硬塞一个刚性矩形?

新兴的3D电子技术表明并非如此。3D电子技术不再是在刚性板上单独制造，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成型的塑料物体表面，但3D电子正在进行广泛的创新，包括新材料、金属化方法和制造方法。这一快速发展的领域在IDTechEx上的题为《3D电子产品2020-2030：技术、预测及从业者》报告中进行了广泛的分析。

替代的方法

越来越多的电路被使用多种新技术添加到3D表面上并集成到对象中。当气溶胶和材料喷射使导电互连应用于表面，而模内电子设备和3D打印电子设备则可以将完整的电路集成到对象中。在它们之间，各种方法具有多种优势，包括简化的制造、减轻的重量和新颖的外形。使用3D电子设备，添加电子功能不再需要将坚固的平面PCB集成到物体中，然后将相关的开关、传感器、电源和其他外部组件连接起来。

IDTechEx的最新报告《3D电子产品2020-2030：技术、预测及从业者》通过对该领域主要从业者的采访，提供了3D电子产品的所有方法的广泛概述。对于不同的应用程序，每种方法的利弊是需要权衡的，通过大量的案例研究显示了不同的制造技术是如何在汽车、消费品和医疗设备领域实施的。此外，通过对技术及其需求的详细分析，我们发现了材料和制造方法的创新机会。本报告中分析的所有方法和技术如下所示，其路线图显示了它们在不同应用中从概念到商业化的进展。

从概念到商业化，不同3D电子技术在不同应用中的地位

表面电子学

将电气功能添加到3D对象表面的最佳方法是激光直接成型（LDS），其中通过激光有选择地激活注塑塑料中的添加剂。形成图案，随后使用化学镀将其金属化。LDS大约在十年前获得了巨大的增长，每年被用于制造数亿台设备，其中75%是天线。

但是，尽管LDS的图案形成速度高且已被广泛采用，但它仍然存在一些缺点，为表面金属化的替代方法留有空间。首先，这是一个分为两个步骤的过程，可能需要将零件发送到其他地方进行电镀，因此有暴露IP的风险。它在批量生产中的最小分辨率约为75 um，因此限制了线密度，并且只能在模制塑料上使用。最重要的是，LDS仅能实现单层金属化，虽避免了交叉现象，但从而大大限制了电路的复杂性。

鉴于这些限制，将导电迹线应用于3D对象表面的其他方法正在普及。挤出导电糊剂（一种包含多个导电薄片的粘性悬浮液）已经用于一小部分天线，并且是将整个电路沉积到3D表面上的首选方法。

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并从喷嘴喷出。气溶胶喷射具有两个显著的优点：它的分辨率高达10 um，并且喷嘴可以放置在距表面几毫米的位置，从而有助于对具有复杂表面几何形状的3D表面进行构图。缺点是复杂的雾化过程和输送过程的成本，以及对不同墨水重新优化过程的要求。

现有的LDS技术的数字沉积方法的一个优点是，介电材料也可以沉积在同一打印系统中，这就可以实现交叉连接，从而完成更复杂的电路。还可以沉积绝缘和导电粘合剂，从而将SMD组件安装到表面上。 IDTechEx的这份新报告《3D电子产品2020-2030：技术、预测及从业者》对不同的金属化方法进行了全面的分析和比较。

模内电子

模内电子产品（IME）提供了一种商业上引人注目的提议，将电子产品集成到注塑零件中，从而降低了制造复杂性，减轻了重量并启用了新的尺寸规格，因为不再需要刚性PCB。此外，它依靠现有的制造技术，例如模内装饰和热成型，减少了采用的障碍。基本原理是将电路打印到可热成型的基板上，并使用导电粘合剂安装SMD组件。然后将基板热成型为所需形状，并填充注模塑料。IME特别适用于汽车内饰和白色家电控制面板中的人机界面（HMI），因为装饰膜可用于电容式触摸传感器上方的外表面。

尽管由于易于制造以及与既有制造技术的兼容性，IME在未来可能会主导HMI接口，但它也带来了技术挑战。其中最主要的是开发能够承受热成型过程的温度以及注塑成型的热量和压力的导电和介电材料。因此，材料供应商正在开发针对IME的材料组合，其导电油墨可以变形而不会破裂。其他挑战包括开发可解决电路弯曲问题的电子设计软件以及开发在成型过程中可靠的SMD组件连接方法。

《3D电子产品2020-2030：技术，预测以及从业者》报告中广泛讨论了模内电子产品的应用和基础技术以及相关的材料机遇。

全3D打印电子产品

最不发达的技术是全3D打印电子技术，其中介电材料（通常是热塑性塑料）和导电材料依次沉积。与放置的SMD元件相结合，就形成了一个电路，潜在地将复杂的多层结构嵌入到3D塑料物体中。其核心价值主张是，每一个对象和嵌入式电路都可以按照不同的设计制造，这样就可以省去每次制造掩模和模具的费用。

因此，全3D打印电子产品非常适合那些需要在短时间内制造大量组件的应用。事实上，美国陆军目前正在试验一种加固的3D打印机，用于在前线作战基地制造替换部件。该技术还有望应用于一些需要定制形状甚至功能的领域，如医疗设备、助听器和假肢。3D打印电子产品具有使用同一设备制造不同组件的能力，以及相关的单位成本和体积分离，也可以实现按需制造的转变。

全3D打印电子产品的挑战在于，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注塑成型慢得多。虽然可以使用多个喷嘴加速打印过程，但它最适合针对可定制性提供有形优势的应用。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事后修复，一种策略是使用图像分析检查每一层，并在下一层存储之前进行任何修复。

综合分析和市场预测

IDTechEx的《3D电子产品2020-2030：技术、预测及从业者》报告非常详细地讨论了3D电子产品的每种方法，评估了不同的技术，其潜在的应用障碍以及它们在不同应用领域的适用性。该报告还对多个公司不同技术的主要参与者进行了采访。且还针对每个技术和应用领域制定10年市场预测，并按收入和领域划分。并预测消费电子天线的LDS会逐渐下降，挤出将会增长，并且挤出和气雾剂的使用量会增加，尤其是在汽车领域。预计IME增长最快，并在汽车内饰和白色家电控制面板中被广泛采用。

预测各种3D打印电子产品的收入（LIFT，气雾剂，LDS，两次注射成型和挤出剂都是将电子产品添加到3D表面的方法）