3D打印电子产品技术发展现状探析*

周德俭

(桂林电子科技大学机电工程学院， 广西 桂林541004)

3D打印电子产品技术发展现状探析*

周德俭

(桂林电子科技大学机电工程学院， 广西 桂林541004)

应用3D打印技术制造产品具有快速、结构形体复杂度无限制等技术特性，非常适用于电子产品的单件、多品种小批量研制生产，以及采用传统制造方式难以实现的机电结合、结构功能一体的复杂组件的制造，3D打印技术在电子产品制造中的应用研究意义重大。文中在介绍3D打印技术及其在电子产品制造中的应用发展现状的基础上，对3D打印电子产品技术的发展特点、趋势和需求进行了分析，并以3D打印多层PCB技术为例，对其技术发展难点和解决途径进行了探讨。

3D打印技术；电子产品；多层PCB

引 言

电子产品及其技术发展速度迅猛，高集成度、高性能、微型化、个性化、更新快是其主要发展特征。集成电路和电子产品制造及其电气互联技术的进步，使电子产品核心部件——电路组件/模块的微型化、立体化、高密度化成为可能。但同时，当代组装制造技术的局限性，又使其面临现代电子产品更新换代的快速性制造要求、结构形体复杂产品制造要求等制造需求时，还是显得力不从心。例如，目前的电子产品制造工艺技术，还很难制作曲面PCB(印制电路板)；电路组件的互联、制造工艺过程复杂、周期长等问题还没有很好的解决途径。为保证各类新型电路组件/模块的互联、制造品质和效率，迫切需要与之适应的新工艺、新方法的应用。

3D打印(快速成型)制造过程的快速、结构形体复杂性无限制等技术特性使其尤其适用于电子产品的单件、多品种小批量研制，以及采用传统制造方式难以实现的机电结合、结构功能一体的复杂组件的制造。目前，3D打印技术在电子产品制造中的应用研究发展速度很快，3D打印电子产品技术正逐步发展成为一种电子产品制造新模式[1]，并将进一步丰富电子产品制造中的电气互联工艺技术体系。

1 3D打印电子产品技术的发展现状

1.1 3D打印技术发展历程及其应用领域

3D打印技术作为快速成型(制造)技术的主要工艺类型，是“增材”制造新模式的典型代表，已经成为世界各国竞相优先发展的重点，同时也已纳入了我国《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》等战略发展计划[1]。

从3D打印技术的发展历程来看，它具有技术发展速度快、技术应用面宽的特点，其技术应用领域已经覆盖车辆、船艇、航空航天、电子、医疗、艺术品、生活用品等各大制造产业[2-4]。1986年，Charles Hull开发了第1台商业3D印刷机。1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。2005年，首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。2010年11月，世界上第1辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。2011年6月，出现了全球第1款3D打印的比基尼。2011年7月，英国研究人员开发出世界上第1台3D巧克力打印机。2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第1架3D打印的飞机。2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。

2013年10月，全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀的Solid Concepts公司设计制造出3D打印金属手枪。2014年7月，美国海军试验了利用3D打印技术快速制造舰艇零件。2014年8月，北京大学研究团队成功地为1名12岁男孩植入了3D打印脊椎，这属于全球首例。2014年8月，美国国家航空航天局(NASA)进行了3D打印火箭喷射器的测试，验证了3D打印在火箭发动机制造上应用的可行性。2014年9月，NASA完成的成像望远镜，所有元件基本全部通过3D打印技术制造，成为首家尝试使用3D打印技术制造整台仪器的单位。2015年7月，日本筑波大学和大日本印刷公司组成的科研团队，研发出用3D打印机低价制作可以看清血管等内部结构的肝脏立体模型的方法。2015年10月，我国863计划3D打印血管项目取得重大突破，世界首创的3D生物血管打印机由四川蓝光英诺生物科技股份有限公司成功研制问世。

近年来，3D打印技术的发展势头更为迅猛。2016年，全球首座3D打印办公大楼在迪拜落成[4]；空客宣布计划运用3D打印技术打印整架飞机；惠普公司推出基于多射流熔融(Multi-Jet Fusion)技术的3D打印新机型；全球领先的3D打印机制造商Stratasys发布了迄今为止最先进、最精密的3D打印机J750；Carbon公司展示的3D打印新技术CLIP，使3D打印速度提高了25倍以上。国内仅2016年就分别在北京、上海、广州、青岛、长沙等地举办各类3D打印展会和论坛10余次，江苏威宝仕等公司推出了3D打印机新产品[5]。如今，全球3D打印技术专利剧增(图1)，产业市场规模已经超过60亿美元，预计未来几年将会有更快的发展势头(图2)[6]，其技术应用领域也将更为宽广，尤其是在电子产品制造、生物制造等领域的应用发展将会更为引人注目和具有特色。

图1 全球3D打印技术专利增长情况 图2 全球3D打印市场规模增长趋势

1.2 3D打印电子产品技术的应用研发现状

与车辆、船艇等制造领域相比，电子产品制造中3D打印技术的应用发展速度相对较慢。这是因为，以电子元器件、电路模块/组件、箱体/子系统为基本组成体构成的电子产品，其设备整机及其基本组成体都具有机、电(磁、波、光)结构功能一体的特征，基本组成件不仅形体结构复杂，而且往往由多种材质组成，既有机械性能要求又有电性能要求，3D打印技术在其制造中的应用发展受到材料、工艺、设备综合因素制约，有相当大的难度。

近年来，随着3D打印材料、工艺及设备技术的不断突破，3D打印技术在电子产品制造中的应用研究日趋活跃，应用面已经从初期的3D打印塑料、合成材料电器零配件为主，向3D打印电路、元件、基板、组件等多方向发展，部分技术已经逐步趋向实用化[7]。例如喷墨打印电路技术研发工作进展快速，无论是石墨、导电银浆等打印原材料开发，还是专用打印设备研发近年都不断有新进展，已有商品化喷墨打印专用设备，所打印的电路已经可以实用化，目前的研究工作已经深入到打印电路(宽、厚)精度控制技术，多层电路打印质量和电路导电性能控制技术阶段，3D打印制作元件、PCB、电磁组件的研究成果也不断增加[8-10]。

以色列新创公司Nano Dimension的Dragon Fly 20203D印表机近年在美国亮相，该设备能制作出20 cm见方、高度约3 mm、线迹宽度仅80 μm的多层电路板(图3)，依据层数不同，所需时间仅3～20 h[11]。加拿大Waterloo大学推出的Voltera V-One PCB 3D打印机赢得了2015年全球设计大奖(James Dyson奖)第1名，它使用具有高导电性的银纳米颗粒墨水打印电路，并用绝缘性油墨作为层间的掩膜。除了打印电路板，它还可作为一个焊膏分配器，并可进行回流焊[12]。中科院沈阳自动化研究所自主研发了纳米级钛酸锂油墨和喷墨打印设备(图4)，成功打印制造出柔性化锂离子电池[13]。

图3 3D印表机制作的小型电路板 图4 沈阳自动化研究所研发的打印设备

美国Voxel8公司开发出全球首款多材料3D打印机，能够直接打印嵌入式的电子产品。它具有2个打印头：1个使用熔融线材打印；另1个使用导电银墨水打印。打印时，其特制的油墨通过1个直径250 μm的专用喷嘴进行沉积，会在室温下很快干燥，不需要后处理。这些性质使得它能够在传统的热塑性材料上打印间距仅为0.8 mm的电路(图5)[14]。制造商Optomec获“微型气溶胶喷射和气溶胶喷射阵列”美国专利技术，该技术利用空气动力学原理实现纳米级材料的精确沉积成形，能打印制作精细的功能电路和嵌入式组件以及线宽和电路结构达到10 μm级的功能性电子芯片(图6)。该技术可以在大型结构或凹槽和孔洞空间中定位打印适形电子元件，也可以应用于大批量生产，比如打印触摸屏显示器。该技术还可以利用阵列中的每个微型打印头打印不同的材料，一次性制造更为复杂的多材料、多层元器件，比如晶体管、电容器、感应器和电阻器等[15]。我国光宝科技公司(LITE-ON)将增材制造系统供应商Optomec的AerosolJet技术用于电子产品的大批量生产。其生产工艺可以将传感器、天线等功能电子零部件打印到塑料部件、外壳以及金属压铸埋入成型的聚合物框架上，甚至还能打印到玻璃板和陶瓷材料上(图7)[16]。

图5 Voxe18公司3D打印机及其打印件 图6 Optomec气溶胶喷射3D打印机

近期，美国伊利诺伊州的工程材料公司(EMI)利用3D打印提升电子产品防腐技术，与其他防腐技术使用挥发物和油状物作防腐屏障不同，它是一种采用无挥发性铜基聚合物的固体防腐技术，能够在高温条件下和3D打印过程中保持稳定性[17]。Voxel8公司展示了由该公司3D打印机直接打印出来的电子产品样品，每个样品中都包含1个嵌入的电阻和使用该公司标准银墨水打印的LED灯(图8)。这种银墨水的体积电阻率低于5.0×10-7Ω·m，导电性能是导电性热塑线材的20 000倍、碳基墨水的5 000倍，十分适合3D打印电流比较大的电子部件。另外，该墨水是自支撑的，在室温下干得很快，可以产生高导电性的电极轨迹和连接而无需后处理[18]。

图7 光宝科技公司3D打印电子产品 图8 Voxe18公司3D打印电子样品

2 3D打印电子产品技术应用研发分析

2.1 3D打印电子产品技术的发展特点与趋势

从3D打印电子产品技术的应用研发现状可以看出，它具有发展速度越来越快、应用范围越来越宽、发展潜力大、应用需求旺盛、涉及的技术较复杂、研发难度大等特点。目前已研发的3D打印电子产品成果以单一材料打印为主，成型精度有限，技术还不成熟，打印电子产品的专用材料和设备开发成果少，应用面窄。电路、元件的3D打印技术应用研究成果逐步走向实用化，电路组件、电子产品的3D打印应用研究处于起步阶段，但成果层出不穷，并将进一步加快发展速度。3D打印材料、工艺、设备三大技术的研究发展齐头并进，以3D打印技术新模式取代或改进传统电子产品制造技术，实现复杂形体电子产品的快速制造成为技术发展的必然。

虽然与3D打印技术在其他制造领域的应用发展速度相比，它在电子产品制造领域的应用发展相对滞后，较长时期地停留在以3D打印塑料、合成材料电器零配件为主的技术发展初期阶段，但近年来这种现象明显改观，3D打印电路、元件、基板、组件等技术的发展速度很快，应用前景看好。这种发展势头得益于3D打印材料、工艺、设备基础技术的共同进步，也源于现代电子产品制造对3D打印技术应用发展的迫切需求。

2.2 3D打印电子产品技术的发展需求

电子产品制造对3D打印技术的应用需求主要体现在快速制造、复杂形体产品制造、传统工艺技术难以达到的新产品制造等方面。随着电子产品科技的进步，这种需求也越来越迫切。

以多层PCB制造为例。多层PCB传统制造技术的工艺链长、工序多而复杂、制造周期长、成本高、工艺和设备及相关技术要求高，需要有一定条件的专业厂家制作，适合大批量生产。多层PCB是现代电子产品的核心件，而现代电子产品的个性化、多样化以及更新换代快速的特点带来了多品种、小批量快速制造要求。尤其对新产品研制而言，更需要多层PCB产品的单件或小批量快速制造。将3D打印技术应用于多层PCB制造是实现单件、小批量、低成本快速制造的良好途径。

若在多层PCB中埋入元器件或制作金属夹层、散热通道等，则其形体会相当复杂，采用传统制造工艺技术制作类似的复杂形体产品，存在难度大、成本高、周期长、质量难以保证等问题。进一步，若为了顺应多层PCB在设备中的安装空间需求，需要PCB具有曲面或特殊形体，则传统制造工艺往往难以实现。更进一步，对于类似战机表面共形天线(图9)这样的在毫米级厚度中由多层异质材料组成的结构功能一体化电子新产品的制造，传统制造技术更是力不从心或难以实现。复杂形体产品制造、传统工艺技术难以实现的制造已经成为制约现代电子新产品微型化、结构功能一体化发展的关键因素，迫切需要引入3D打印技术，开辟解决问题的新途径。

图9 共形天线内部结构组成示意图

2.3 3D打印电子产品技术的发展难点与解决途径

电子产品由多种材料构成，机电一体，同时具有“机”和“电”两方面的性能要求，其制造过程复杂，技术难度大。应用3D打印技术进行电子产品制造在理论上可以解决快速制造问题和任意复杂形体制造问题，但在制造工艺技术的具体实现上却有相当大的难度，至今仍有诸多难题未能有效解决，需要进行专题研究。

以采用3D打印技术进行多层PCB制造为例。需要解决的问题首先是打印材料研发问题，所研发的材料除了可应用于3D打印电路层和绝缘层、符合“机”和“电”双重性能要求外，还必须符合电路层和绝缘层材料之间具有良好界面结合性能等特殊要求，还要具有固化处理方便等特性。目前已研发应用于打印电路的材料有石墨、导电银浆等，打印绝缘层的材料有聚乳酸、聚酰亚胺等，种类少，适用范围有限[10]。其次是3D打印工艺及设备问题。3D打印多层PCB一般可以选择2种实现途径：一是在同一设备上(单工位)完成多材料、多层打印；二是在组合机床或由多台设备组成的生产线上(多工位)分别完成不同材料、不同层打印。2种途径都有相当大的实现难度。以在同一设备上3D打印多层PCB为例，它面临多种原材料所需多注射头组合机构及其三维精密驱动控制技术、不同性质原材料及其材料性能保障技术、材料固化技术、不同性质原材料打印工艺技术、层与层之间的结合可靠性控制技术、打印电路精度及其电性能可靠性控制技术、同层异材的打印成形技术等重大技术难题[7]。目前已研发应用的3D打印电路产品技术及其专用设备少，技术成熟度低，而且尚处于技术研发初期阶段。上述难题大多尚处于待研阶段。

3D打印电子产品的技术难题是涉及打印原材料、工艺、设备的综合性技术问题，三者缺一不可，必须共同发展进步才能形成整体成果。同时，它也是涉及机械、材料、电子、测控、自动化等学科的多学科高新技术问题，有相当大的技术难度，需要有一定基础实力和水平的专业科研团队，投入较大的人力、财力进行研究才会有所成效。为此，突破难题的途径一是需要政府相关部门做好顶层设计，进行科学规划和组织、协调、引导，将其作为一个跨行业、跨学科联合攻关的系统工程有计划、有步骤地组织实施；二是以需求为牵引、政策为导向，用科研立项攻关等方法有针对性地重点突破其中的单项关键技术；三是创新研发机制，物色、扶持已有良好研发基础的科研单位(团队)，以其为核心创建跨行业、跨学科的3D打印电子产品技术联合研发基地，集中优势力量，以技术外引内联的方式充分利用各种综合资源进行3D打印材料、工艺、专用设备、标准以及相关技术的联合研发。

3 结束语

随着3D打印技术的快速进步，用其取代或更新传统电子产品制造技术以及微组装、立体组装等组装技术，进行多层PCB、复杂形体电子产品组件的快速制造已经成为可能，相关技术研发工作已经取得明显成果，技术发展速度很快。实现3D打印复杂电子产品需要打印原材料、工艺、设备等技术的共同发展进步，所涉及的技术领域宽、难度大，其中有待研发和突破的难题很多，解决难题尚需时日，但3D打印电子产品技术的发展与应用前景看好。

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专家介绍

周德俭( 1954-) ，男，桂林电子科技大学教授、博士生导师，西安电子科技大学外聘博士生导师。曾任桂林电子科技大学( 原桂林电子工业学院) 电子机械系主任、院长助理，桂林理工大学( 原桂林工学院) 副院长，广西科技大学( 原广西工学院) 院长、校长、校党委副书记，桂林电子科技大学正厅级调研员等职。

从事“电子电路表面组装技术( SMT) ”、“制造过程检测与控制技术”、“机电一体化技术”和“制造业信息化技术”领域教学和研究工作; 主持完成各类科研项目20 余项; 发表论文300 多篇; 主编出版著作、教材9 册; 获省部级科技进步奖、优秀教材奖10 余项，国家专利3 项，软件著作权5 项。兼任中国电子学会会士及电子机械工程分会副主任委员，《电子机械工程》杂志编委会副主任，国防科工委微电子组装开发应用中心理事，中国工艺协会电子工艺分会副理事长，广西制造业信息化专家组组长等职。曾获“机电部优秀科技青年”、“广西有突出贡献科技人员”等称号。

Development Situation and Analysis of 3D Printing Electronic Products Technology

ZHOU De-jian

(ElectromechanicalEngineeringCollege,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)

Due to having excellent technical characteristics, such as celerity and no limit to structure complex-ity, 3D printing technology is especially suitable for developing single piece, multi-variety and small batch elec-tronic products, and for developing complex components with characteristics of electro-mechanical combination and functional structure, which are difficult to be realized by traditional manufacturing methods. The research of application of 3D printing technology in electronic products manufacturing has a great significance. Firstly, this paper introduces 3D printing technology and current development situation of its application in manufacturing electronic products. Then the development characteristics, tendency and needs of 3D printing technology for electronic products are analyzed. Finally, the appropriate approaches for the technical difficulties of multilayer PCB 3D printing are discussed.

3D printing technology; electronic product; multilayer PCB

2016-08-18

TH164

A

1008-5300(2017)02-0013-05