3D 打印為電子制造業(yè)帶來(lái)新的變革

導(dǎo)讀：雖然有關(guān)電子 3D 打印的大部分研究和信息大都是局限在實(shí)驗(yàn)室層面，但不可否認(rèn)的是這項(xiàng)研究正在悄悄地改變美國(guó)和國(guó)外的商品制造方式,。此外,，由于 CHIPS 計(jì)劃，電子 3D 打印還得到聯(lián)邦政府的推動(dòng),，這將導(dǎo)致出現(xiàn)越來(lái)越多的電子產(chǎn)品制造新方法,。在電子 3D 打印技術(shù)領(lǐng)域,，NextFlex晶圓公司就是一家典型的代表公司。

在美國(guó)推廣電子打印技術(shù)

NextFlex 成立于 2015 年,，是全美17 家Manufacturing USA機(jī)構(gòu)之一,。雖然網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他組織專注于網(wǎng)絡(luò)安全、機(jī)器人技術(shù)或美國(guó)制造的3D打印等領(lǐng)域,，但 NextFlex 的使命是推動(dòng)打印柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展,。這樣，該研究所經(jīng)常發(fā)現(xiàn)自己在電子產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域與增材制造 (AM) 行業(yè)重疊,。

NextFlex晶圓廠運(yùn)營(yíng)總監(jiān) ArtWall 博士說(shuō)：“如果你考慮傳統(tǒng)的打印電路板,，我們現(xiàn)在以一種非常不同的方式制造它們。我們通過(guò)打印來(lái)實(shí)現(xiàn),，這是一種增材工藝,。沒(méi)有蝕刻。沒(méi)有光刻技術(shù),。打印電子產(chǎn)品具有多種不同的優(yōu)勢(shì),，包括使設(shè)備重量輕、成本低且靈活的能力,�,！�

與 America Makes 和其他制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)一樣，NextFlex 處身于行業(yè)利益相關(guān)者的交匯點(diǎn),，將公司,、政府機(jī)構(gòu)、大學(xué)等聯(lián)系起來(lái),，以推進(jìn)最先進(jìn)的技術(shù),。這包括執(zhí)行項(xiàng)目規(guī)劃、共享信息,、進(jìn)行職業(yè)培訓(xùn)和分配政府資金,。通過(guò)培育協(xié)作生態(tài)系統(tǒng)，NextFlex 旨在利用其成員的集體專業(yè)知識(shí)來(lái)應(yīng)對(duì)全行業(yè)的挑戰(zhàn)并推動(dòng)創(chuàng)新,。

沃爾（Wall）博士表示：“我們代表了一個(gè)由工業(yè)界和學(xué)術(shù)界約一百個(gè)組織組成的聯(lián)盟,。然后，除了這數(shù)百個(gè)組織之外,，還有許多聯(lián)邦機(jī)構(gòu)與我們合作,。因此，我們圍繞這種制造技術(shù)形成了這個(gè)社區(qū),。我們所做的另一項(xiàng)工作是在教育和勞動(dòng)力發(fā)展領(lǐng)域,，當(dāng)我們考慮諸如 CHIPS 計(jì)劃之類的事情時(shí)，這一點(diǎn)變得非常重要。NextFlex 是教育和勞動(dòng)力發(fā)展領(lǐng)域最成功的機(jī)構(gòu)之一,，以至于其他七家機(jī)構(gòu)已從我們這里獲得了我們的教育計(jì)劃 FlexFactor® 的許可,，并將其調(diào)整到他們的技術(shù)重點(diǎn)領(lǐng)域�,！�

NextFlex 通過(guò)其技術(shù)工作組吸引行業(yè),、學(xué)術(shù)界和政府參與，旨在預(yù)測(cè)未來(lái)五年的技術(shù)進(jìn)步方向,。這不僅可以幫助成員明智地制定戰(zhàn)略和投資,，還可以確定需要解決以維持技術(shù)進(jìn)步的制造挑戰(zhàn)。此外,，通過(guò)年度項(xiàng)目電話會(huì)議,，NextFlex 使用聯(lián)邦資金共同解決已發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。他們向行業(yè)聯(lián)盟征求解決方案,，資助解決這些問(wèn)題的工作,，然后向所有成員和聯(lián)邦政府發(fā)布調(diào)查結(jié)果。

△NextFlex 的技術(shù)中心占地10,000 多平方英尺,，設(shè)有兩間采用單張紙工藝的潔凈室,；靈活的工藝流程，以適應(yīng)高品質(zhì),、小批量的制造,；以及用于設(shè)計(jì)、原型制作和生產(chǎn)試驗(yàn)級(jí)柔性和混合增材電子的商用打印,、組裝工具和設(shè)備,。圖片由NextFlex提供。

NextFlex組織總部位于加利福尼亞州圣何塞,，還擁有自己的制造業(yè)務(wù),，涵蓋設(shè)計(jì)、打印,、組裝,、軟件、固件和原型階段的測(cè)試,。在沃爾本人的領(lǐng)導(dǎo)下,，該工廠的主要目標(biāo)是將這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)化為制造。在早期階段之后,，隨著需求的增加,，會(huì)員公司已準(zhǔn)備好促進(jìn)大批量生產(chǎn)。目前,，該組織正在處理涉及數(shù)千甚至數(shù)萬(wàn)個(gè)原型的項(xiàng)目,。然而,，當(dāng)需求超過(guò)其產(chǎn)能時(shí),，例如每月 10,000 件,，成員公司就會(huì)介入。目前正在進(jìn)行將知識(shí),、材料,、工藝和設(shè)備轉(zhuǎn)移給這些公司進(jìn)行大批量生產(chǎn)的過(guò)程。

在電子打印產(chǎn)品中添加添加劑

NextFlex 是在美國(guó)制造部的旗下,，并由國(guó)防部資助,，該公司認(rèn)識(shí)到其使命的真正獨(dú)特性在于電子產(chǎn)品的 3D 打印，而不一定在于這些電子產(chǎn)品的靈活性,。因此,，該研究所開(kāi)始更多地將其工作稱為混合電子產(chǎn)品，而不是柔性混合電子產(chǎn)品,。這種增材制造領(lǐng)域內(nèi)的變革性成果是能夠應(yīng)用到從飛機(jī)機(jī)翼到車門的任何地方打印電子產(chǎn)品,，從而無(wú)需在一個(gè)表面上進(jìn)行打印，然后將其粘貼到另一個(gè)表面上,。因此,，對(duì)增材方法的重視對(duì)于 NextFlex 的運(yùn)營(yíng)及其身份變得越來(lái)越重要。

最近的一個(gè)項(xiàng)目電話會(huì)議的結(jié)果突顯了該技術(shù)的前沿性,。NextFlex 邀請(qǐng)參與者將柔性電子產(chǎn)品的輕量化特性用于無(wú)人機(jī)或無(wú)人機(jī)應(yīng)用,。這一挑戰(zhàn)還需要?jiǎng)?chuàng)建高度復(fù)雜的多層大面積打印電路。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了兩種特別復(fù)雜,、高頻,、靈活的雷達(dá)板。這些雷達(dá)陣列工作頻率為 24 和 66 GHz,，為無(wú)人機(jī)提供某種視覺(jué)形式,。這不僅展示了柔性混合電子技術(shù)的先進(jìn)潛力，而且還擴(kuò)大了該技術(shù)的應(yīng)用范圍,，證明它可以用于復(fù)雜的設(shè)備和高頻操作,。

△作為“無(wú)人機(jī)應(yīng)用靈活混合電子演示器”項(xiàng)目的一部分開(kāi)發(fā)的具有多層電路的無(wú)人機(jī)。圖片由 NextFlex 提供,。

沃爾說(shuō)：“該項(xiàng)目的目標(biāo)是展示柔性混合電子領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù),，同時(shí)也真正拓展了這種技術(shù)的想象力。我想說(shuō),，這可能至少是用增材電子打印制造的最復(fù)雜的電子設(shè)備之一,。”

創(chuàng)建多層柔性電子產(chǎn)品的過(guò)程變得越來(lái)越容易,，這一進(jìn)展構(gòu)成了 NextFlex 當(dāng)前重點(diǎn)的重要組成部分,。Nano Dimension 等幾家公司已經(jīng)在使用噴墨打印制造多層板,，為這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和多樣性做出了貢獻(xiàn)。這是特別有趣的,，因?yàn)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn),。例如，前面提到的雷達(dá)板不是使用噴墨打印制造的,，而是采用了不同的方法,，說(shuō)明了多層柔性電子產(chǎn)品生產(chǎn)中可用的技術(shù)范圍。

電子 3D 打印領(lǐng)域正處于不斷發(fā)展和多樣化的關(guān)鍵時(shí)刻,。NextFlex 等組織的主要職責(zé)之一是探索可在該領(lǐng)域使用的無(wú)數(shù)技術(shù),，并與其成員分享結(jié)果（包括優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)）。與具有標(biāo)準(zhǔn)化方法的傳統(tǒng) PCB 生產(chǎn)不同,，電子 3D 打印是一種全新的技術(shù),，并能夠不斷激發(fā)新的創(chuàng)意方法。無(wú)論是通過(guò)各種打印技術(shù)還是層壓層,，最佳方法仍未確定,，這為該技術(shù)創(chuàng)造了一個(gè)有趣且重要的拐點(diǎn)。

△使用Optomec 的 Aerosol Jet 技術(shù)打印的互連件,，表現(xiàn)出比傳統(tǒng)引線鍵合更好的性能,。圖片由 Optomec 提供。

此外,，電子打印行業(yè)的新參與者正在打破現(xiàn)狀,。Optomec 等公司通過(guò)提供引線鍵合等傳統(tǒng)方法的替代方案，取得了重大進(jìn)展,。引線鍵合雖然成熟,，但也面臨著挑戰(zhàn)，特別是高頻下的阻抗匹配,。Optomec 提供可以取代引線鍵合的解決方案,，特別是高頻應(yīng)用，吸引了多家公司的投資,。由于其獨(dú)特的應(yīng)用,，柔性電子領(lǐng)域也繼續(xù)引起人們的廣泛關(guān)注。

沃爾說(shuō)：“從制造的角度來(lái)看,，電子 3D 打印也很有趣,。如果你可以在柔性基材上打印電子產(chǎn)品，那么就開(kāi)啟了卷對(duì)卷打印的全部可能性,。如果你需要數(shù)百萬(wàn)件東西,，并且可以通過(guò)卷對(duì)卷工藝來(lái)完成，那么相對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)和低成本,，你就擁有了真正的優(yōu)勢(shì),。我們正在合作的一些公司正在該領(lǐng)域進(jìn)行投資,。”

芯片計(jì)劃

出于經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全的原因,，電子制造業(yè)向海外的遷移凸顯了其在美國(guó)復(fù)興的必要性,。旨在加強(qiáng)美國(guó)電子行業(yè)的CHIPS 法案于 2022 年由拜登總統(tǒng)簽署成為法律，被視為增強(qiáng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和安全利益的重要一步,。

雖然該計(jì)劃 520 億美元資金的大部分預(yù)計(jì)將投入芯片代工廠,，但約 110 億美元的很大一部分專門用于研發(fā),，其中先進(jìn)封裝被確定為重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域,。這對(duì)NextFlex 來(lái)說(shuō)是個(gè)好兆頭，該公司一直致力于將增材電子封裝作為現(xiàn)代制造的基石,。

沃爾解釋道：“我對(duì)國(guó)會(huì)表示真正的敬意,，因?yàn)樗麄冋J(rèn)識(shí)到他們必須投資于供應(yīng)鏈的其余部分（而不僅僅是代工廠）。如果我能制作一塊晶圓,，那就太好了,，但如果我接下來(lái)要做的就是把它裝進(jìn)盒子里，然后運(yùn)到亞洲進(jìn)行包裝或組裝,，那就違背了整個(gè)目的,。但是 NextFlex 確保他們不會(huì)忘記，還應(yīng)該支持一些前沿技術(shù)——不僅是傳統(tǒng)或先進(jìn)的封裝,，還包括一些新興的方法,。這就是我們認(rèn)為相對(duì)于 CHIPS 計(jì)劃的封裝部分而言，混合電子產(chǎn)品確實(shí)值得在談判桌上占有一席之地的地方,�,！�

可持續(xù)發(fā)展

與 CHIPS 計(jì)劃密切相關(guān)的是可持續(xù)性。這不僅是因?yàn)橹圃鞓I(yè)的重新本地化意味著降低與運(yùn)輸相關(guān)的排放和能源成本,，還因?yàn)樽鳛樵搼?zhàn)略中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),，增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)更可持續(xù)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。電子 3D 打印和其他形式的增材制造都是如此,。

沃爾解釋道：“人們制造現(xiàn)代電子產(chǎn)品的整個(gè)方式都是昂貴的,。它很混亂，需要很多步驟,。當(dāng)你必須蝕刻掉如此多的材料時(shí),，就會(huì)產(chǎn)生大量的廢物。由于沒(méi)有蝕刻,、光刻以及所有其他工藝步驟,，電子 3D 打印更加環(huán)保。廢物流大大減少,。制造這些東西所需的電力大幅下降,，它只需要打印出來(lái)就完成了,。”

盡管面臨挑戰(zhàn),，Wall 對(duì) 3D 打印在電子制造領(lǐng)域的未來(lái)持樂(lè)觀態(tài)度,。他承認(rèn)目前增材工藝無(wú)法與現(xiàn)代光刻的分辨率相匹配。然而,，他相信隨著技術(shù)的發(fā)展,，3D 打印的功能也會(huì)不斷發(fā)展。用于打印極細(xì)線條的新興方法越來(lái)越顯示出前景,，像NextFlex 這樣的機(jī)構(gòu)對(duì)于開(kāi)發(fā)這些技術(shù)以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)至關(guān)重要,。該研究所的作用是簡(jiǎn)化這些技術(shù)創(chuàng)新，并為它們?cè)谛袠I(yè)中的可擴(kuò)展應(yīng)用做好準(zhǔn)備,。

全球各地的公司正在打印技術(shù)方面取得重大進(jìn)展,。波蘭公司XTPL、日本公司Super Inkjet以及美國(guó) Optomec 和 IDS 都在突破增材制造的極限,。Wall 強(qiáng)調(diào)了像 NextFlex 這樣的組織在為這些不同的技術(shù)發(fā)展創(chuàng)建一個(gè)一致的框架方面的重要性,。

通過(guò)推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和促進(jìn)合作，NextFlex 將自己定位為美國(guó)制造業(yè)復(fù)興中不可或缺的參與者,。該組織正在為先進(jìn) 3D 打印技術(shù)成為電子制造領(lǐng)域不可或缺的一部分的未來(lái)奠定基礎(chǔ),。這些技術(shù)的開(kāi)發(fā)和最終實(shí)施不僅有望改變行業(yè)，還將重新定義 21 世紀(jì)的美國(guó)制造業(yè),。