3D打印為電子制造業帶來新的變革
時間：2023-08-17 10:21 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：雖然有關電子 3D
打印的大部分研究和信息大都是局限在實驗室層面，但不可否認的是這項研究正在悄悄地改變美國和國外的商品制造方式。此外，由于 CHIPS 計劃，電子
3D 打印還得到聯邦政府的推動，這將導致出現越來越多的電子產品制造新方法。在電子 3D
打印技術領域，NextFlex晶圓公司就是一家典型的代表公司。
在美國推廣電子打印技術
NextFlex 成立于 2015 年，是全美17 家Manufacturing
USA機構之一。雖然網絡內的其他組織專注于網絡安全、機器人技術或美國制造的3D打印等領域，但 NextFlex
的使命是推動打印柔性電子產品的發展。這樣，該研究所經常發現自己在電子產品生產領域與增材制造 (AM) 行業重疊。
NextFlex晶圓廠運營總監 ArtWall
博士說：“如果你考慮傳統的打印電路板，我們現在以一種非常不同的方式制造它們。我們通過打印來實現，這是一種增材工藝。沒有蝕刻。沒有光刻技術。打印電子產品具有多種不同的優勢，包括使設備重量輕、成本低且靈活的能力。”
與 America Makes 和其他制造創新機構一樣，NextFlex
處身于行業利益相關者的交匯點，將公司、政府機構、大學等聯系起來，以推進最先進的技術。這包括執行項目規劃、共享信息、進行職業培訓和分配政府資金。通過培育協作生態系統，NextFlex
旨在利用其成員的集體專業知識來應對全行業的挑戰并推動創新。
沃爾（Wall）博士表示：“我們代表了一個由工業界和學術界約一百個組織組成的聯盟。然后，除了這數百個組織之外，還有許多聯邦機構與我們合作。因此，我們圍繞這種制造技術形成了這個社區。我們所做的另一項工作是在教育和勞動力發展領域，當我們考慮諸如
CHIPS 計劃之類的事情時，這一點變得非常重要。NextFlex
是教育和勞動力發展領域最成功的機構之一，以至于其他七家機構已從我們這里獲得了我們的教育計劃 FlexFactor®
的許可，并將其調整到他們的技術重點領域。”
NextFlex
通過其技術工作組吸引行業、學術界和政府參與，旨在預測未來五年的技術進步方向。這不僅可以幫助成員明智地制定戰略和投資，還可以確定需要解決以維持技術進步的制造挑戰。此外，通過年度項目電話會議，NextFlex
使用聯邦資金共同解決已發現的問題。他們向行業聯盟征求解決方案，資助解決這些問題的工作，然后向所有成員和聯邦政府發布調查結果。
△NextFlex 的技術中心占地10,000 多平方英尺，設有兩間采用單張紙工藝的潔凈室；靈活的工藝流程，以適應高品質、小批量的制造；以及用于設計、原型制作和生產試驗級柔性和混合增材電子的商用打印、組裝工具和設備。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務，涵蓋設計、打印、組裝、軟件、固件和原型階段的測試。在沃爾本人的領導下，該工廠的主要目標是將這項技術轉化為制造。在早期階段之后，隨著需求的增加，會員公司已準備好促進大批量生產。目前，該組織正在處理涉及數千甚至數萬個原型的項目。然而，當需求超過其產能時，例如每月
10,000 件，成員公司就會介入。目前正在進行將知識、材料、工藝和設備轉移給這些公司進行大批量生產的過程。
在電子打印產品中添加添加劑
NextFlex 是在美國制造部的旗下，并由國防部資助，該公司認識到其使命的真正獨特性在于電子產品的 3D
打印，而不一定在于這些電子產品的靈活性。因此，該研究所開始更多地將其工作稱為混合電子產品，而不是柔性混合電子產品。這種增材制造領域內的變革性成果是能夠應用到從飛機機翼到車門的任何地方打印電子產品，從而無需在一個表面上進行打印，然后將其粘貼到另一個表面上。因此，對增材方法的重視對于
NextFlex 的運營及其身份變得越來越重要。
最近的一個項目電話會議的結果突顯了該技術的前沿性。NextFlex
邀請參與者將柔性電子產品的輕量化特性用于無人機或無人機應用。這一挑戰還需要創建高度復雜的多層大面積打印電路。研究團隊開發了兩種特別復雜、高頻、靈活的雷達板。這些雷達陣列工作頻率為
24 和 66
GHz，為無人機提供某種視覺形式。這不僅展示了柔性混合電子技術的先進潛力，而且還擴大了該技術的應用范圍，證明它可以用于復雜的設備和高頻操作。
△作為“無人機應用靈活混合電子演示器”項目的一部分開發的具有多層電路的無人機。圖片由 NextFlex 提供。
沃爾說：“該項目的目標是展示柔性混合電子領域的先進技術，同時也真正拓展了這種技術的想象力。我想說，這可能至少是用增材電子打印制造的最復雜的電子設備之一。”
創建多層柔性電子產品的過程變得越來越容易，這一進展構成了 NextFlex 當前重點的重要組成部分。Nano
Dimension
等幾家公司已經在使用噴墨打印制造多層板，為這項技術的發展和多樣性做出了貢獻。這是特別有趣的，因為多層結構可以通過多種方式實現。例如，前面提到的雷達板不是使用噴墨打印制造的，而是采用了不同的方法，說明了多層柔性電子產品生產中可用的技術范圍。
電子 3D 打印領域正處于不斷發展和多樣化的關鍵時刻。NextFlex
等組織的主要職責之一是探索可在該領域使用的無數技術，并與其成員分享結果（包括優點和缺點）。與具有標準化方法的傳統 PCB 生產不同，電子 3D
打印是一種全新的技術，并能夠不斷激發新的創意方法。無論是通過各種打印技術還是層壓層，最佳方法仍未確定，這為該技術創造了一個有趣且重要的拐點。
△使用Optomec 的 Aerosol Jet 技術打印的互連件，表現出比傳統引線鍵合更好的性能。圖片由 Optomec 提供。
此外，電子打印行業的新參與者正在打破現狀。Optomec
等公司通過提供引線鍵合等傳統方法的替代方案，取得了重大進展。引線鍵合雖然成熟，但也面臨著挑戰，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，特別是高頻應用，吸引了多家公司的投資。由于其獨特的應用，柔性電子領域也繼續引起人們的廣泛關注。
沃爾說：“從制造的角度來看，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品，那么就開啟了卷對卷打印的全部可能性。如果你需要數百萬件東西，并且可以通過卷對卷工藝來完成，那么相對于大規模生產和低成本，你就擁有了真正的優勢。我們正在合作的一些公司正在該領域進行投資。”
芯片計劃
出于經濟和國家安全的原因，電子制造業向海外的遷移凸顯了其在美國復興的必要性。旨在加強美國電子行業的CHIPS 法案于 2022 年由拜登總統簽署成為法律，被視為增強國家經濟和安全利益的重要一步。
雖然該計劃 520 億美元資金的大部分預計將投入芯片代工廠，但約 110 億美元的很大一部分專門用于研發，其中先進封裝被確定為重點關注領域。這對NextFlex 來說是個好兆頭，該公司一直致力于將增材電子封裝作為現代制造的基石。
沃爾解釋道：“我對國會表示真正的敬意，因為他們認識到他們必須投資于供應鏈的其余部分（而不僅僅是代工廠）。如果我能制作一塊晶圓，那就太好了，但如果我接下來要做的就是把它裝進盒子里，然后運到亞洲進行包裝或組裝，那就違背了整個目的。但是
NextFlex 確保他們不會忘記，還應該支持一些前沿技術——不僅是傳統或先進的封裝，還包括一些新興的方法。這就是我們認為相對于 CHIPS
計劃的封裝部分而言，混合電子產品確實值得在談判桌上占有一席之地的地方。”
可持續發展
與 CHIPS 計劃密切相關的是可持續性。這不僅是因為制造業的重新本地化意味著降低與運輸相關的排放和能源成本，還因為作為該戰略中的一項關鍵技術，增材制造能夠實現更可持續的設計和生產。電子 3D 打印和其他形式的增材制造都是如此。
沃爾解釋道：“人們制造現代電子產品的整個方式都是昂貴的。它很混亂，需要很多步驟。當你必須蝕刻掉如此多的材料時，就會產生大量的廢物。由于沒有蝕刻、光刻以及所有其他工藝步驟，電子
3D 打印更加環保。廢物流大大減少。制造這些東西所需的電力大幅下降，它只需要打印出來就完成了。”
盡管面臨挑戰，Wall 對 3D
打印在電子制造領域的未來持樂觀態度。他承認目前增材工藝無法與現代光刻的分辨率相匹配。然而，他相信隨著技術的發展，3D
打印的功能也會不斷發展。用于打印極細線條的新興方法越來越顯示出前景，像NextFlex
這樣的機構對于開發這些技術以實現大規模生產至關重要。該研究所的作用是簡化這些技術創新，并為它們在行業中的可擴展應用做好準備。
全球各地的公司正在打印技術方面取得重大進展。波蘭公司XTPL、日本公司Super Inkjet以及美國
Optomec 和 IDS 都在突破增材制造的極限。Wall 強調了像 NextFlex
這樣的組織在為這些不同的技術發展創建一個一致的框架方面的重要性。
通過推動技術進步和促進合作，NextFlex 將自己定位為美國制造業復興中不可或缺的參與者。該組織正在為先進 3D 打印技術成為電子制造領域不可或缺的一部分的未來奠定基礎。這些技術的開發和最終實施不僅有望改變行業，還將重新定義 21 世紀的美國制造業。
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