Инновации в 3D-печати электроники

3D-печать электроники, также известная как аддитивное производство электроники или AME, представляет собой инновационное направление в области аддитивного производства. В отличие от обычной 3D-печати, ориентированной на создание простых пластиковых или металлических компонентов для электронных устройств, таких как зажимы, корпусы и оболочки, 3D-печать электроники фокусируется на печати непосредственно электронных компонентов, таких как цепи и проводящие материалы.

Сферы применения 3D-печати электроники

Применение 3D-печати электроники позволяет производителям оптимизировать производственные процессы, сокращая количество этапов и сборок. На данный момент эта технология преимущественно используется для прототипирования, но в перспективе она может быть применена и для массового производства, включая упаковку оптических сенсоров и интегрированных устройств.

Применения электронных 3D-принтеров разнообразны и могут быть классифицированы по типу печати и создаваемым компонентам. Например:

• Полная электронная печать: Некоторые 3D-принтеры способны создавать трехмерные структуры из диэлектрических материалов, внутри которых одновременно печатаются проводящие материалы. Это позволяет создавать многослойные печатные платы и внедрять электрические компоненты в термопластичную структуру.
• Поверхностная электронная печать: Некоторые принтеры предназначены для создания электроники на сложных 3D-подложках, что позволяет формировать сложные цепи. Печать на гибких поверхностях и текстилях становится важным направлением, а также прямая печать на микроэлектромеханических системах (MEMS) с использованием технологии микро 3D-печати.
• Печать электроники в форме: Некоторые принтеры способны создавать цепи на термоформируемых подложках, которые затем термо формируются, помещаются в пресс-форму и покрываются расплавленным пластиком. Этот метод также известен как вставная литая пленка.
• Электронная 3D-печать предоставляет превосходные возможности для инноваций в производстве электроники, открывая новые горизонты для эффективных и интегрированных устройств.

Существует три метода для создания разнообразных электронных элементов и компонентов при 3D-печати, включая:

1. Проводящие трассы и узоры (печать ПП): Этот метод позволяет создавать сложные многослойные печатные платы с использованием проводящих и диэлектрических материалов, внедренных в 3D-структуру.
2. Электроды, конденсаторы, транзисторы, суперконденсаторы, RFID-метки, светодиоды, сенсорные панели и антенны: 3D-печать электроники может использоваться для создания широкого спектра компонентов, включая электроды, конденсаторы, транзисторы, суперконденсаторы, RFID-метки, светодиоды, сенсорные панели и антенны, что делает этот подход весьма универсальным.

В настоящее время существует несколько технологических подходов для 3D-печати электроники. Два наиболее распространенных из них - экструзия и материалоджеттинг - представляют собой основные направления, при этом последний включает в себя струйную печать и печать аэрозольных струй. Каждая из этих технологий имеет свои подкатегории.

Оборудование для 3D-печати электроники может сочетать в себе технологии печати с не-печатными, такими как пик-энд-плейс (для точного добавления мелких электронных компонентов, например, светодиодов) и фрезерование с ЧПУ.

Экструзия: Некоторые 3D-принтеры используют технологию экструзии для печати функциональных материалов, включая проводящие композиты. Это включает традиционное метод наплавления (FDM) и технологии прямой печати чернил, использующие пневматическое или поршневое устройство экструзии, а не плавленный филамент.

• Электронная печать в стиле FDM обычно включает двойной процесс экструзии, где одна головка формирует диэлектрический термопластик для создания 3D-структуры, а другая - композитный филамент, содержащий проводящие материалы, для создания электронных элементов. Этот метод может быть реализован на оборудовании общего назначения.
• Прямая печать чернил использует пневматический насос, поршневое или поршневое устройство для экструзии материалов, таких как проводящие чернила и пасты. Это позволяет достигать более высокого разрешения по сравнению с FDM. Производители принтеров для этого метода включают nScrypt, Voltera и Nano3dprint.

Материалоджеттинг:

• Струйная печать: Это одна из наиболее распространенных форм 3D-печати электроники. Струйная печать по требованию включает использование механизма активации для выброса одной капли чернил в соответствии с указаниями компьютера. Этот метод обеспечивает высокое разрешение, что делает его подходящим для миниатюрных компонентов. Nano Dimension является одним из ведущих производителей принтеров струйной печати по требованию для электроники, обеспечивая возможность печати как проводящих, так и диэлектрических материалов.
• Непрерывная струйная печать: Этот метод создает непрерывный поток капель чернил, а электрическое поле направляет капли на рабочую поверхность. Непечатаемые капли собираются и могут быть повторно использованы. Однако есть потери чернил, и точность этого метода ниже по сравнению со струйной печатью по требованию.
• Электронная 3D-печать предоставляет широкие возможности для инноваций в производстве электроники, позволяя создавать интегрированные устройства и компоненты с высокой точностью и эффективностью.

Печать аэрозольных струй

Ещё одной ключевой технологией внутри семейства материалоджеттинга является печать аэрозольных струй, использующая пневматический или ультразвуковой атомизатор для создания мельчайших чернильных капель, переносимых в азоте. Сопло принтера, под управлением системы управления движением и механического затвора, направляет поток аэрозольных капель прямо на подложку.

Некоторые устройства для печати аэрозольных струй позволяют использовать несколько материалов, что дает пользователям возможность создавать многослойные печатные платы, чередуя проводящие слои с диэлектрическими. Технология обеспечивает высокое разрешение, обеспечивая точный контроль параметров, таких как сопротивление резистора.

Процесс аэрозольной струйной печати, предпочитаемый компанией Optomec, обеспечивает высокое разрешение благодаря использованию оболочечного газа для контроля ширины линии чернильных струй.

Микро 3D-печать и аддитивное производство электроники

Растущая область микро 3D-печати, также известной как микро-AM, предоставляет уникальные возможности для 3D-печати электронных компонентов. Производители часто стремятся миниатюризировать компоненты, чтобы сделать устройства более эффективными, эргономичными и легкими. Технологии микро 3D-печати могут использовать различные методы, включая лазерное спекание, стереолитографию и двухфотонное полимеризирование.

Компании, предоставляющие решения для микро AM в электронике, включают Femtoprint, разрабатывающую 3D-принтеры, способные печатать стеклянные микроструктуры для электронных устройств, и Nanogrande, чья система MPL-1 AM способна создавать миниатюрные пассивные электронные компоненты с использованием металлических порошков.

Материалы для 3D-печати электроники

Для 3D-печати электроники используются различные материалы:

• Стандартные термопластичные филаменты для изоляционных слоев (экструзия)
• Диэлектрические чернила для изоляционных слоев (экструзия, материалоджеттинг)
• Проводящие композитные филаменты (экструзия)
• Проводящие пасты (экструзия)
• Наночастицы металлических чернил (экструзия, материалоджеттинг)
• Наночастицы углерода (материалоджеттинг)
• Полупроводниковые чернила (материалоджеттинг)

Преимущества и ограничения

  3D-печать электроники предоставляет новые возможности в сравнении с традиционными методами, такими как фотоэцнгравировка, микро литье под давлением, фрезерование, травление, ламинирование и покрытие. Однако, как и в любой технологии, есть как преимущества, так и ограничения, что подчеркивает значимость выбора наилучшего метода в зависимости от конкретных потребностей и задач.

Наши предыдущие статьи:

В поисках будущего: проект ELAINE раскрывает революционные биоактивные имплантаты для костей, созданные с использованием 3D-печати

Эволюция ветряной энергетики: Улучшение обработки статорных рам с помощью технологии 3D-сканирования

Ускорение научных исследований с помощью 3D-печати в ЦЕРНе