3D 打印为电子制造业带来新的变革

导读：虽然有关电子 3D 打印的大部分研究和信息大都是局限在实验室层面，但不可否认的是这项研究正在悄悄地改变美国和国外的商品制造方式。此外，由于 CHIPS 计划，电子 3D 打印还得到联邦政府的推动，这将导致出现越来越多的电子产品制造新方法。在电子 3D 打印技术领域，NextFlex晶圆公司就是一家典型的代表公司。

在美国推广电子打印技术

NextFlex 成立于 2015 年，是全美17 家Manufacturing USA机构之一。虽然网络内的其他组织专注于网络安全、机器人技术或美国制造的3D打印等领域，但 NextFlex 的使命是推动打印柔性电子产品的发展。这样，该研究所经常发现自己在电子产品生产领域与增材制造 (AM) 行业重叠。

NextFlex晶圆厂运营总监 ArtWall 博士说：“如果你考虑传统的打印电路板，我们现在以一种非常不同的方式制造它们。我们通过打印来实现，这是一种增材工艺。没有蚀刻。没有光刻技术。打印电子产品具有多种不同的优势，包括使设备重量轻、成本低且灵活的能力。”

与 America Makes 和其他制造创新机构一样，NextFlex 处身于行业利益相关者的交汇点，将公司、政府机构、大学等联系起来，以推进最先进的技术。这包括执行项目规划、共享信息、进行职业培训和分配政府资金。通过培育协作生态系统，NextFlex 旨在利用其成员的集体专业知识来应对全行业的挑战并推动创新。

沃尔（Wall）博士表示：“我们代表了一个由工业界和学术界约一百个组织组成的联盟。然后，除了这数百个组织之外，还有许多联邦机构与我们合作。因此，我们围绕这种制造技术形成了这个社区。我们所做的另一项工作是在教育和劳动力发展领域，当我们考虑诸如 CHIPS 计划之类的事情时，这一点变得非常重要。NextFlex 是教育和劳动力发展领域最成功的机构之一，以至于其他七家机构已从我们这里获得了我们的教育计划 FlexFactor® 的许可，并将其调整到他们的技术重点领域。”

NextFlex 通过其技术工作组吸引行业、学术界和政府参与，旨在预测未来五年的技术进步方向。这不仅可以帮助成员明智地制定战略和投资，还可以确定需要解决以维持技术进步的制造挑战。此外，通过年度项目电话会议，NextFlex 使用联邦资金共同解决已发现的问题。他们向行业联盟征求解决方案，资助解决这些问题的工作，然后向所有成员和联邦政府发布调查结果。

△NextFlex 的技术中心占地10,000 多平方英尺，设有两间采用单张纸工艺的洁净室；灵活的工艺流程，以适应高品质、小批量的制造；以及用于设计、原型制作和生产试验级柔性和混合增材电子的商用打印、组装工具和设备。图片由NextFlex提供。

NextFlex组织总部位于加利福尼亚州圣何塞，还拥有自己的制造业务，涵盖设计、打印、组装、软件、固件和原型阶段的测试。在沃尔本人的领导下，该工厂的主要目标是将这项技术转化为制造。在早期阶段之后，随着需求的增加，会员公司已准备好促进大批量生产。目前，该组织正在处理涉及数千甚至数万个原型的项目。然而，当需求超过其产能时，例如每月 10,000 件，成员公司就会介入。目前正在进行将知识、材料、工艺和设备转移给这些公司进行大批量生产的过程。

在电子打印产品中添加添加剂

NextFlex 是在美国制造部的旗下，并由国防部资助，该公司认识到其使命的真正独特性在于电子产品的 3D 打印，而不一定在于这些电子产品的灵活性。因此，该研究所开始更多地将其工作称为混合电子产品，而不是柔性混合电子产品。这种增材制造领域内的变革性成果是能够应用到从飞机机翼到车门的任何地方打印电子产品，从而无需在一个表面上进行打印，然后将其粘贴到另一个表面上。因此，对增材方法的重视对于 NextFlex 的运营及其身份变得越来越重要。

最近的一个项目电话会议的结果突显了该技术的前沿性。NextFlex 邀请参与者将柔性电子产品的轻量化特性用于无人机或无人机应用。这一挑战还需要创建高度复杂的多层大面积打印电路。研究团队开发了两种特别复杂、高频、灵活的雷达板。这些雷达阵列工作频率为 24 和 66 GHz，为无人机提供某种视觉形式。这不仅展示了柔性混合电子技术的先进潜力，而且还扩大了该技术的应用范围，证明它可以用于复杂的设备和高频操作。

△作为“无人机应用灵活混合电子演示器”项目的一部分开发的具有多层电路的无人机。图片由 NextFlex 提供。

沃尔说：“该项目的目标是展示柔性混合电子领域的先进技术，同时也真正拓展了这种技术的想象力。我想说，这可能至少是用增材电子打印制造的最复杂的电子设备之一。”

创建多层柔性电子产品的过程变得越来越容易，这一进展构成了 NextFlex 当前重点的重要组成部分。Nano Dimension 等几家公司已经在使用喷墨打印制造多层板，为这项技术的发展和多样性做出了贡献。这是特别有趣的，因为多层结构可以通过多种方式实现。例如，前面提到的雷达板不是使用喷墨打印制造的，而是采用了不同的方法，说明了多层柔性电子产品生产中可用的技术范围。

电子 3D 打印领域正处于不断发展和多样化的关键时刻。NextFlex 等组织的主要职责之一是探索可在该领域使用的无数技术，并与其成员分享结果（包括优点和缺点）。与具有标准化方法的传统 PCB 生产不同，电子 3D 打印是一种全新的技术，并能够不断激发新的创意方法。无论是通过各种打印技术还是层压层，最佳方法仍未确定，这为该技术创造了一个有趣且重要的拐点。

△使用Optomec 的 Aerosol Jet 技术打印的互连件，表现出比传统引线键合更好的性能。图片由 Optomec 提供。

此外，电子打印行业的新参与者正在打破现状。Optomec 等公司通过提供引线键合等传统方法的替代方案，取得了重大进展。引线键合虽然成熟，但也面临着挑战，特别是高频下的阻抗匹配。Optomec 提供可以取代引线键合的解决方案，特别是高频应用，吸引了多家公司的投资。由于其独特的应用，柔性电子领域也继续引起人们的广泛关注。

沃尔说：“从制造的角度来看，电子 3D 打印也很有趣。如果你可以在柔性基材上打印电子产品，那么就开启了卷对卷打印的全部可能性。如果你需要数百万件东西，并且可以通过卷对卷工艺来完成，那么相对于大规模生产和低成本，你就拥有了真正的优势。我们正在合作的一些公司正在该领域进行投资。”

芯片计划

出于经济和国家安全的原因，电子制造业向海外的迁移凸显了其在美国复兴的必要性。旨在加强美国电子行业的CHIPS 法案于 2022 年由拜登总统签署成为法律，被视为增强国家经济和安全利益的重要一步。

虽然该计划 520 亿美元资金的大部分预计将投入芯片代工厂，但约 110 亿美元的很大一部分专门用于研发，其中先进封装被确定为重点关注领域。这对NextFlex 来说是个好兆头，该公司一直致力于将增材电子封装作为现代制造的基石。

沃尔解释道：“我对国会表示真正的敬意，因为他们认识到他们必须投资于供应链的其余部分（而不仅仅是代工厂）。如果我能制作一块晶圆，那就太好了，但如果我接下来要做的就是把它装进盒子里，然后运到亚洲进行包装或组装，那就违背了整个目的。但是 NextFlex 确保他们不会忘记，还应该支持一些前沿技术——不仅是传统或先进的封装，还包括一些新兴的方法。这就是我们认为相对于 CHIPS 计划的封装部分而言，混合电子产品确实值得在谈判桌上占有一席之地的地方。”

可持续发展

与 CHIPS 计划密切相关的是可持续性。这不仅是因为制造业的重新本地化意味着降低与运输相关的排放和能源成本，还因为作为该战略中的一项关键技术，增材制造能够实现更可持续的设计和生产。电子 3D 打印和其他形式的增材制造都是如此。

沃尔解释道：“人们制造现代电子产品的整个方式都是昂贵的。它很混乱，需要很多步骤。当你必须蚀刻掉如此多的材料时，就会产生大量的废物。由于没有蚀刻、光刻以及所有其他工艺步骤，电子 3D 打印更加环保。废物流大大减少。制造这些东西所需的电力大幅下降，它只需要打印出来就完成了。”

尽管面临挑战，Wall 对 3D 打印在电子制造领域的未来持乐观态度。他承认目前增材工艺无法与现代光刻的分辨率相匹配。然而，他相信随着技术的发展，3D 打印的功能也会不断发展。用于打印极细线条的新兴方法越来越显示出前景，像NextFlex 这样的机构对于开发这些技术以实现大规模生产至关重要。该研究所的作用是简化这些技术创新，并为它们在行业中的可扩展应用做好准备。

全球各地的公司正在打印技术方面取得重大进展。波兰公司XTPL、日本公司Super Inkjet以及美国 Optomec 和 IDS 都在突破增材制造的极限。Wall 强调了像 NextFlex 这样的组织在为这些不同的技术发展创建一个一致的框架方面的重要性。

通过推动技术进步和促进合作，NextFlex 将自己定位为美国制造业复兴中不可或缺的参与者。该组织正在为先进 3D 打印技术成为电子制造领域不可或缺的一部分的未来奠定基础。这些技术的开发和最终实施不仅有望改变行业，还将重新定义 21 世纪的美国制造业。