طرق للإلكترونيات ثلاثية الأبعاد: تقييم التقنيات والتطبيقات

تعد معدنة الأسطح ثلاثية الأبعاد مجالًا متناميًا له تطبيقات متنوعة. في هذه المقالة ، ستناقش الدكتورة خاشا غفار زادة ، مدير الأبحاث في IDTechEx ، بإيجاز بعض التقنيات والتطبيقات الخاصة بها. وبشكل أكثر تحديدًا ، سيناقش ويقارن بشكل أساسي هيكلية الليزر المباشر (LDS) ، والهباء الجوي ، والإلكترونيات المطبوعة ثلاثية الأبعاد (3DPE) ، وتشكيل اللقطة والإلكترونيات الداخلية (IME).

if (typeof jQuery == 'undefined') {document.write ('') ؛ }}

رسائل صندوق التحوط للربع الرابع 2019 والمؤتمرات والمزيد

تستند هذه المقالة إلى التقرير المحدث حديثًا "In-Mold Electronics 2020-2030: التكنولوجيا وتوقعات السوق واللاعبين" الذي يقدم تقييمًا تفصيليًا لتقنيات مختلفة للحصول على دوائر على شكل ثلاثي الأبعاد مع التركيز بشكل خاص على IME. يقدم هذا التقرير من شركة أبحاث السوق العالمية تقييمًا فنيًا لعمليات التصنيع ومتطلبات المواد ، وتوقعات السوق للتطبيقات واللاعبين ، ودراسة للطرق التنافسية إلى الإلكترونيات ثلاثية الأبعاد.

ما الذي يدفع هذه الاتجاهات؟

غالبًا ما يتم إنشاء الروابط الداخلية في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB). يمكن تصنيع هذه المركبات ثنائية الفينيل متعدد الكلور على ركائز مرنة ، بشكل رئيسي PI ، مما يتيح تحقيق دوائر رقيقة ومرنة ومتعددة الطبقات. يحتوي PI على درجة حرارة معالجة عالية نسبيًا مما يعني أنه متوافق مع عمليات إعادة التدفق القياسية. على هذا النحو ، فإن عملية التجميع مشابهة لتلك الموجودة في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الشائعة ، على سبيل المثال مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الجامدة القائمة على FR4. علاوة على ذلك ، يمكن تحقيق الدوائر متعددة الطبقات. على هذا النحو ، يمكن تحقيق الدوائر المعقدة عالية الكثافة التي تدعم جميع طرق حزم IC.

يمكن تركيب هذه الدوائر المرنة في مناطق ضيقة و / أو حول الأسطح غير المسطحة. ومع ذلك ، فهي ليست مرنة للغاية ولا تتوافق حقًا. على هذا النحو ، فإنها تحد من حرية التصميم. علاوة على ذلك ، فإنها تأخذ مساحة إضافية وستتطلب خطوات تجميع إضافية. وبالتالي ، هناك حاجة إلى إنشاء روابط بينية على كائنات ثلاثية الأبعاد على شكل تعسفي للتغلب على هذه العيوب. مكنت هذه التقنيات العديد من التطبيقات التي تتراوح من الهوائيات إلى الأجهزة القابلة للارتداء إلى قطع غيار السيارات والسلع البيضاء.

النهج: لا يوجد مقاس واحد يناسب الجميع

1. LDS (هيكلة الليزر المباشرة)

الهيكلة المباشرة LDS أو الليزر هي الآن تقنية راسخة. هنا ، يقوم الليزر بمسح نمط على ركيزة بلاستيكية خاصة تحتوي على معدن موصل مضمن أو إضافات أكسيد فلزي. عادة ما يكون معدل المسح حوالي 4m / s في حين أن عرض الخط النموذجي هو 150-200um على الرغم من أنه يمكن تنفيذ الليزر المركّز لتحقيق خطوط عرض أضيق ، على سبيل المثال ، 60um أو نحو ذلك. يزيل الليزر السطح في المناطق الممسوحة ضوئيًا ، ويكشف عن الأجزاء الموصلة التي يتم بعدها طلاء النحاس وبالتالي تمعدنه. تغيير التصميم رقمي وبالتالي لا يتطلب أي أداة إضافية.

تحتوي العملية على بعض أوجه القصور ، وهي: (أ) حجم الكائن مقيد (حجم العمل النموذجي حوالي 400 × 70 × 80 مم 3) ، (ب) يعمل على الأسطح المعدنية بالفعل ، (ج) يتطلب بوليمرات خاصة ، (د) اختيار والمكان ، عند الحاجة ، وسيتطلب التوزيع اللاصق المرتبط بالأجسام ثلاثية الأبعاد ، (هـ) يمكن أن تشغل خطوة الإنتاج مساحة كبيرة نسبيًا بسبب معدات الطلاء ، و (و) قد لا تكون الخطوط سميكة بما يكفي لدعم وظائف الطاقة (مقابل الإشارة) (ملحوظة: تكون الخطوط عادة أقل من 20um ويتم طلاءها بمعدل 5-8um / hr. يمكن للطلاء الجلفاني أن يعزز المعدلات إلى 1um / min).

ومع ذلك ، فقد نجحت هذه التكنولوجيا بالفعل ، خاصة في هوائيات الهواتف المحمولة. تم ترسيب هذه الهوائيات مباشرة على الجزء البلاستيكي ، مما يتيح التصميم ثلاثي الأبعاد والقضاء على FPCB الإضافي. يكمن التحدي في أن تصميمات الهوائي في الهواتف تتطور ، خاصة بالنسبة لهواتف 5G المحمولة ، مما قد يجبر هذه التقنية على الأرجح.

علاوة على ذلك ، فشلت هذه التكنولوجيا في اختراق أسواق أخرى بطريقة جادة. بالطبع ، تم عرض العديد من التطبيقات ، ويتم تصنيع العديد منها بأحجام صغيرة نسبيًا. لكن لا شيء كبير بما يكفي لتعويض الضغوط التنافسية الموجودة في أعمال الهوائي.

كان سوق توريد المعدات ، على وجه الخصوص ، في حالة من السقوط الحر نظرًا لوجود قدرة مثبتة كافية لخدمة الطلب الحالي وقصير المدى المتوقع وبالنظر إلى زيادة الموردين على الرغم من المطورين الأصليين الذين يسعون إلى إنفاذ حقوق الملكية الفكرية المطالب بها.

2. الهباء الجوي

كان ترسب الهباء الجوي منافسًا مباشرًا لـ LDS. كما أنه يوفر طريقة لتعدين الأشياء ثلاثية الأبعاد بالفعل. كما أنه يسمح بالتحكم الرقمي في النمط ، مما يتيح التحول السريع والجدوى حتى لعمليات الإنتاج الصغيرة. الحجم المدمج هنا ، مثل LDS ، صغير.

العملية تختلف عن LDS. هنا ، يتم تشكيل نفاثة عالية السرعة لضباب الجسيمات وتوجيهها إلى الجسم للتعدين. هذه النفاثة عالية السرعة ، على سبيل المثال ،> 50 م / ث ، لا تزال متوازنة للغاية ، مما يؤدي إلى قدرة عرضية ضيقة ، على سبيل المثال ، 10-20 ميكرون للآلات المعملية. وبالتالي تتكون الماكينة من رأس أو عدة رؤوس نفاثة أيروسول ، يتم مناورتها في مساحة ثلاثية الأبعاد باستخدام أذرع روبوتية ، ووحدة (وحدات) المعالجة. لذلك ، فإن العملية لها بصمة فيزيائية صغيرة جدًا.

يتكون الضباب من جزيئات ، بشكل رئيسي جزيئات حج بحجم النانو ، على سبيل المثال ، قطر 50-150 نانومتر أو نحو ذلك. ستحتاج هذه الأحبار إلى إظهار تشتيت أحادي الجسيمات عالي الحجم وإلا فإنها ستخلق تدرجًا في الطائرة ، مما يؤدي إلى عدم الانتظام. علاوة على ذلك ، ستحتاج الأحبار إلى إظهار التصاق جيد عبر مجموعة من ركائز البلاستيك الشائعة ، على سبيل المثال يمزج جهاز الكمبيوتر أو جهاز الكمبيوتر / ABS. سيحتاجون أيضًا إلى تحقيق موصلية عالية في درجات حرارة معالجة منخفضة بشكل متزايد. ستكون خطوة تحديد المعدل هي وقت المعالجة ، وبالتالي فإن تركيبات العلاج السريع مطلوبة. على الرغم من ذلك ، يُزعم أن TACT أقصر من LDS. بما أن الآثار الموصلة تتكون من الأحبار ، فهي ليست موصلة مثل النحاس المطلي.

كما حققت هذه التقنية نجاحًا في إنتاج الهوائي. القاعدة المركبة هي حوالي 16-18 آلة على مستوى الإنتاج أو نحو ذلك. لكن بعض الأجيال الأولى من المنتجات وصلت إلى نهاية عمرها. يبقى أن نرى ما إذا كان يمكن أن تكون هناك موجات جديدة من الهوائي أو فرص تطبيقات مماثلة للرذاذ في السنوات القادمة. سيكون هذا هو التحدي الذي يحدد مستقبل تعدين الهباء الجوي ثلاثي الأبعاد.

3. إلكترونيات مطبوعة ثلاثية الأبعاد

الطباعة ثلاثية الأبعاد هي سوق رئيسية بالفعل. يتم استخدامه في النماذج الأولية وبشكل متزايد في الإنتاج. قائمة المواد تغطي المواد البلاستيكية والمعادن وكذلك السيراميك.

غالبًا ما تؤدي الكائنات البلاستيكية المطبوعة ثلاثية الأبعاد دورًا ميكانيكيًا فقط. على هذا النحو ، يمكننا أن نعتبرها هياكل "غبية". لذلك ، فإن القدرة على دمج الإلكترونيات في الكائن ثلاثي الأبعاد ستمكّن المصممين من طباعة الكائنات ثلاثية الأبعاد "الذكية".

لتحقيق ذلك ، يجب تركيب المكونات الإلكترونية على الكائن الثلاثي الأبعاد أو داخله. إذا كان سيتم تركيبها على السطح الخارجي ، فيمكن أن يتم الاختيار والجمع بعد الانتهاء من الطباعة ثلاثية الأبعاد. إذا كان سيتم وضعها داخل الكائن ، فيجب أن تقترن العمليتان ، ويجب أن يتم التجميع كجزء من عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

في جميع الحالات ، سوف تتطلب المكونات اتصالات بينية. سيكون هذا للإشارة وكذلك لنقل الطاقة. للحصول على أفضل استفادة من الإمكانيات التي توفرها الطباعة ثلاثية الأبعاد ، يجب أن تكون هذه الترابطات مضمنة داخل الهيكل (وليس السطح الخارجي فقط) وستحتاج إلى تغطية مساحة ثلاثية الأبعاد (وليس فقط تعدين مستوى ثنائي الأبعاد داخل الكائن ثلاثي الأبعاد) .

تحقيق هذا يفتح العديد من إمكانيات تصميم المنتج الجديد. سيكون لها سرعة إنتاج منخفضة ؛ ومع ذلك يمكن أن توفر فرصًا ممتازة للتصميم وتخصيص المنتج. تتبع شركات وكيانات متعددة استراتيجيات مختلفة لتحقيق ذلك. على وجه الخصوص ، يحاول البعض تبسيط عملية تصميم البرنامج وإنشاء مكتبة من الأجزاء الإلكترونية المتوافقة مع التوصيل والتشغيل. أخيرًا ، لاحظ أن البعض يستخدمون المواد البلاستيكية الموصلة كمادة وسيطة للطباعة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك ، فإن هذه الخيوط المحملة بالإضافات لها موصلية كافية لتطبيقات مثل التفريغ الكهروستاتيكي ومن غير المرجح أن تكون جيدة بما يكفي للدائرة. لمعرفة المزيد ، يرجى زيارة www.IDTechEx.com/IME.

4. صب طلقة

تقنية أخرى هي صب طلقة. هنا ، يتم استخدام نوعين من الراتينج مع أحدهما يحتوي على محفز موصل (Fe أو أكثر شيوعًا Pd) والآخر خالٍ من المحفز. يتم تشكيل الجزئين فوق بعضهما البعض مثل الأجزاء المكشوفة فقط من الراتنج المحتوي على المحفز. يتم بعد ذلك وضع الجزء المصبوب على شكل ثلاثي الأبعاد من خلال التقسية والتنظيف والطلاء والتشطيب لإنشاء الجزء المعدني النهائي على شكل ثلاثي الأبعاد. هناك تطبيقات لهذا ، بما في ذلك بعض مضخات الأنسولين.

5. الالكترونيات العفن

الإلكترونيات الداخلية (IME) هي طريق آخر لإنشاء أجزاء معدنية على شكل ثلاثي الأبعاد تقضي على استخدام مركبات PCB إضافية. هنا ، تتم طباعة الأحبار الفنية والرسومات على فيلم واحد أو فيلمين مسطحين ، على سبيل المثال ، الكمبيوتر الشخصي ، ويتم انتقاء ووضع الدوائر المتكاملة الجامدة. يمكن بعد ذلك تشكيل هذه الورقة المسطحة والوظيفية ثلاثية الأبعاد قبل تشكيلها بالحقن.

هذه التكنولوجيا ، التي هي في بعض النواحي تطور للزخرفة داخل القالب ، هي في الواقع مختلفة تمامًا عن تلك المذكورة أعلاه. يمكن أن يكون معدل الإنتاج وأحجام المنتج أعلى وأكبر هنا ، على التوالي. يمكن أن يحدث الالتقاط والمكان على الأسطح ثنائية الأبعاد ، مما يسهل العملية ويسرعها. وبالتالي يمكن أن تكون العملية أكثر إنتاجية ، مما يؤدي إلى انخفاض التكاليف لكل وحدة. على هذا النحو ، يمكن لهذه التقنية استهداف أسواق مختلفة للغاية. علاوة على ذلك ، فإن الإلكترونيات مدمجة هيكليًا حقًا ، مما يعني أنه يمكن الحفاظ على الرسومات الجمالية والخارجية للجزء. أخيرًا ، يمكن أيضًا دمج ميزات أخرى مثل أدلة الضوء هيكليًا.

وقد طُلبت العديد من الابتكارات لإحضار التكنولوجيا إلى هذه الخطوة بما في ذلك (أ) الأحبار الموصلة القابلة للمط ، (ب) المواد اللاصقة الخاصة المصممة لتحمل ظروف العملية ، و (ج) الأدلة الضوئية الرفيعة لنشر الضوء. علاوة على ذلك ، فإن تطوير المعرفة العملية أمر حيوي للغاية.

تواجه هذه التقنية أيضًا بعض التحديات ، والتي تمثل جميعها ابتكارات مادية وفرص تحسين العملية: (أ) يجب أن تكون الموثوقية عالية جدًا لأن الطبيعة المضمنة للإلكترونيات تقضي على فرص الإصلاح بعد النشر ، (ب) الخطوط الموصلة تحمل الإشارات نظرًا الموصلية المنخفضة لها ، (ج) التصميم ليس واضحًا نظرًا لأن العديد من المواد ومواد المعالجة يجب أن تؤخذ في الاعتبار وبالتالي لا تزال تمثل فنًا ، (د) للإنتاج منحنى تعلم حاد ولا يوجد سوى القليل من الوحدات النمطية حتى الآن.

ومع ذلك ، فإن هذه التكنولوجيا ، في تقييم IDTechEx ، على طريق النجاح ، على الرغم من بعض النكسات السابقة ، على سبيل المثال استدعاء منتج فورد. وتوقعت IDTechEx أن هذا السوق يمكن أن يتجاوز مليار دولار بحلول عام 2029 على الرغم من الإقلاع البطيء. سيأتي هذا النجاح في خطوات أبسط أصغر أولاً ، مما يعني أن الجيل الأول من المنتجات سيكون صغير الحجم نسبيًا مع متطلبات الدائرة المنخفضة المعقدة ومتطلبات الموثوقية المريحة. ستصل تطبيقات السيارات من 2022-2023 فصاعدًا بكميات ملحوظة.

تُظهر اللوحة باللون الأحمر أمثلة على المنتجات باستخدام قولبة لقطتين ، LDS ، ورذاذ. تعرض اللوحة السفلية منتجات ونماذج أولية لـ IME. المصادر متنوعة بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر Insulet ، Zollner ، SelectConnect Technologies ، BMW ، Kromberg & Schubert ، GE ، Lite-On ، Atra ، TactoTek ، Geekly ، JWSpeaker ، Jabil ، GiS ، إلخ. لمعرفة المزيد حول تقرير IDTechEx "الإلكترونيات الداخلية العفن 2020-2030: التكنولوجيا وتوقعات السوق واللاعبين" يرجى زيارة www.IDTechEx.com/IME.

.fb_iframe_widget_fluid_desktop iframe {عرض: 100٪! مهمة ؛ }}

المنشور التالي إلى الإلكترونيات ثلاثية الأبعاد: ظهر تقييم التقنيات والتطبيقات أولاً على ValueWalk.