設(shè)想一下，在沒有鉆通孔及金屬電鍍麻煩的情況下制造PCB；設(shè)想一下,，具有近乎完美對(duì)準(zhǔn)的PCB。如果把PCB帶入下一發(fā)展階段,，設(shè)想一下在3D空間中繪制電子產(chǎn)品,。

　　可以通過增材制造電子技術(shù)（AdditivelyManufactured Electronics，簡(jiǎn)稱AME）方法來實(shí)現(xiàn)這一切,，只需要開啟3D思考模式,。AME將使我們不再受已經(jīng)習(xí)慣的2D限制，拓展視野,，從而達(dá)到更高的性能水平,。

　　本文將探討兩種基本功能，即在3D空間中構(gòu)建電子產(chǎn)品的基石,，而AME技術(shù)和3D設(shè)計(jì)功能正是在這兩種基石上融合而成,。

　　AME的第一基石：絕緣和導(dǎo)電材料

　　十多年前，我們看到了打印電子技術(shù)（PrintedElectronics,，簡(jiǎn)稱PE）的興起,，即在預(yù)先定義的載板上打印導(dǎo)電走線。載板是固定的，可以是平面或3D形狀,，打印工藝可以是噴墨,、氣溶膠噴射或任何將導(dǎo)體放置在載板上的其他方法。

　　圖1:AME 打印工藝的優(yōu)點(diǎn)之一是能夠構(gòu)建由導(dǎo)電電子器件和絕緣結(jié)構(gòu)組合而成的復(fù)雜 3D 部件,，所有這些都在單個(gè)打印步驟中完成,。

　　AME不同于PE，其可使用一種以上材料,。AME的最簡(jiǎn)單配置由兩種材料組成：一種是導(dǎo)電材料,，另一種是絕緣材料、介質(zhì)材料,。通過增加不同導(dǎo)電和絕緣材料以及犧牲材料的組合來構(gòu)建通道和不同的復(fù)雜結(jié)構(gòu),，AME有可能發(fā)展到兩種以上材料。

　　圖2:AME創(chuàng)建簡(jiǎn)單,、復(fù)雜的3D PCB設(shè)計(jì)的顯微剖面圖

　　為什么需要3D PCB結(jié)構(gòu),？

　　AME的第一階段是通過構(gòu)建多層板（multilayer boards ，簡(jiǎn)稱MLB）,、鍍通孔（plated through-holes ,，簡(jiǎn)稱PTH）和微通孔來模仿傳統(tǒng)PCB 2D結(jié)構(gòu)，以證明AME可以取代“傳統(tǒng)”PCB工藝,。這當(dāng)然是可行的,，但并未實(shí)現(xiàn)3D AME的全部潛力和功能。讓我們回顧以下3個(gè)案例,。

　　圖3:PCB設(shè)備支出（來源：Primark2021）

　　1,、在PCB傳統(tǒng)工藝中，所需的層數(shù)越多,，PCB就越復(fù)雜,，成本就越高，交付時(shí)間也就越長(zhǎng),。在AME中,，添加層無需額外的成本；事實(shí)上,，是對(duì)層數(shù)沒有限制,。真正的問題是，“需要繼續(xù)在有限層結(jié)構(gòu)中構(gòu)建產(chǎn)品嗎”,？

　　2,、PTH是長(zhǎng)且成本高的工藝，需要鉆孔,、電鍍,、蝕刻和廢棄物處理。它對(duì)層之間的對(duì)準(zhǔn)很敏感，隨著層數(shù)的增加,，層對(duì)準(zhǔn)變得更加困難,。在AME中，幾乎沒有對(duì)準(zhǔn)問題,。整個(gè)工藝由單個(gè)工具和單個(gè)打印工藝實(shí)現(xiàn),。結(jié)果接近完美對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)誤差可忽略不計(jì),，且具有采用相同工具的機(jī)械可重復(fù)性。如果不需要在PTH中插入引腳,，AME可以以相同的成本和時(shí)間使用堆疊填充的焊盤內(nèi)通孔電鍍（via-in-pad plated over,，簡(jiǎn)稱VIPPO）和、或交錯(cuò)方式重新構(gòu)建電子部件,。

　　3,、微通孔制造是成本最高的工藝。它由激光鉆孔,、通孔電鍍,、清洗組成，及在許多情況下甚至還包括導(dǎo)電樹脂填充,。在AME中,，構(gòu)建導(dǎo)電填充通孔沒有額外的成本。實(shí)際上,，AME工藝在表示通孔連接的層之間構(gòu)建支柱,。這些都是在同一打印工藝中實(shí)現(xiàn)的，無需更換工具進(jìn)行鉆孔,。同時(shí),，對(duì)準(zhǔn)接近完美。

　　圖4:3D AME新功能：通過用3DT互連取代通孔,，實(shí)現(xiàn)更高密度

　　傳統(tǒng)鉆孔和電鍍：成本最高的工藝

　　在PCB制造過程中,，層對(duì)準(zhǔn)、鉆孔和電鍍工藝的結(jié)合會(huì)導(dǎo)致良率大幅降低,。這些工藝非常復(fù)雜,，是每年P(guān)CB資本支出中最高的資本支出費(fèi)用。行業(yè)鉆孔及電鍍的平均資本支出占PCB總資本支出的32%以上,。隨著技術(shù)變得越來越復(fù)雜及走線越來越密集,，這一比值甚至?xí)摺ME不需要鉆孔,、板層壓,、電鍍和許多其他濕制程工藝。

　　圖5:不同的3D AME對(duì)角互連（3DT）可取代PCB傳統(tǒng)通孔

　　目前PCB傳統(tǒng)VIA技術(shù)與AME 3DT替代技術(shù)

　　隨著（機(jī)械或激光）鉆孔量的增加，完成PCB訂單所需的成本越來越高,，交付周期越來越長(zhǎng),。

　　圖6:將傳統(tǒng)通孔轉(zhuǎn)換為3D AME 3DT可將PCB尺寸減少30%

　　從板設(shè)計(jì)層面看，鉆孔工藝涉及許多技術(shù)考慮因素,。例如,，需要？標(biāo)連接盤,、誘捕連接盤,。放置這些焊盤是為了克服PCB工藝的錯(cuò)位和公差，但添加這些焊盤的后果是它們占用了大量PCB“面積”,。

　　此外,，通孔結(jié)構(gòu)是寄生阻抗不匹配的根源。它們的最終幾何形狀不同,，很難始終如一地預(yù)測(cè)其高頻性能,。

　　AME使我們能夠消除通孔，而實(shí)現(xiàn)層之間的連續(xù)連接,。我們稱之為3D走線（3D trace,，簡(jiǎn)稱3DT）。但它不需要額外的,？標(biāo)連接盤,、誘捕連接盤，并且其高頻性能明顯更勝一籌,。

　　圖7:傳統(tǒng)通孔連接與3DT的對(duì)比

　　用3DT取代通孔

　　我們采用了現(xiàn)有設(shè)計(jì),。在第一階段，我們按原樣構(gòu)建,，但使用AME設(shè)計(jì),。在第二階段，我們用3DT取代了通孔,，尺寸減小了30%,，電氣性能更好。

　　我們對(duì)比了傳統(tǒng)通孔結(jié)構(gòu)與3DT結(jié)構(gòu)的射頻性能,，3DT高頻特性顯示出比基于鉆孔布線,、通孔布線的PCB設(shè)計(jì)更佳的巨大優(yōu)勢(shì)。

　　通過AME 3DT結(jié)構(gòu),，我們獲得了明顯更好的S11和S21性能（圖8）

　　圖8:帶有4個(gè)GND通孔的PCB與AME 3DT對(duì)角線走線的實(shí)施獲得了更好的S11同,、S21，以及輸入反射,、正向傳輸

　　我們進(jìn)行了下一階段的工作,，將3DT轉(zhuǎn)換為AME同軸電纜,，該同軸電纜可以作為結(jié)構(gòu)打印工藝的一部分而不是傳統(tǒng)PCB工藝中的通孔。因此,，高頻性能比傳統(tǒng)通孔性能要好得多,。

　　圖9和圖10:與傳統(tǒng)通孔相比，具有同軸電纜的3D AME具有優(yōu)異的高頻性能,。

　　通過AME實(shí)現(xiàn)的3D電子裝置

　　3D AME使設(shè)計(jì)師能夠?yàn)殡娮友b置構(gòu)建不同的外形因素,，并以更合適的方式將其與所需的機(jī)械裝置相匹配。

　　圖11:有空腔和埋元器件的3D結(jié)構(gòu)

　　它還實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的單次打印工藝,，而傳統(tǒng)PCB生產(chǎn)則需要許多工序,，甚至是有些不可能實(shí)現(xiàn)的。

　　圖12:通過AME實(shí)現(xiàn)的完整3D設(shè)計(jì),，沒有層或互連結(jié)構(gòu)

　　本案例將3D AME提升到具有更佳性能,、埋元器件和屏蔽的完整3D裝置的新水平。它構(gòu)建了具有更強(qiáng)機(jī)械性能的外形因子,。

　　3D AME的第二個(gè)基石：3D設(shè)計(jì)工具

　　如何設(shè)計(jì)3D電子裝置？今天,，ECAD和MCAD是兩個(gè)并行的過程,，它們之間的集成通常有限或根本不存在連接。當(dāng)前的ECAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要具有關(guān)鍵的新3D功能,，以實(shí)現(xiàn)順暢的3D設(shè)計(jì),。

　　圖13:現(xiàn)有ECAD與MCAD系統(tǒng)之間連接有限或根本不存在連接

　　未來的CAD系統(tǒng)需要具有針對(duì)3D機(jī)電CAD設(shè)計(jì)的通用ECAD、集成ECAD和MCAD功能（3D AME功能）,。他們應(yīng)該能夠?qū)?D電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的3D AME仿真,。3DT、打印線圈,、電容器和其他3D電子器件等元器件需要成為3D電子仿真的組成部分,。

　　圖14:集成系統(tǒng)可利用3D設(shè)計(jì)的強(qiáng)大功能

　　3D行業(yè)項(xiàng)目

　　行業(yè)已有幾個(gè)項(xiàng)目，包括分別由Cadence Systems,、DassaultSystems和Siemens EDA完成的兩個(gè)開發(fā)項(xiàng)目,。還有其他CAD系統(tǒng)供應(yīng)商正在努力為AME提供3D編輯功能，但可能需要一段時(shí)間才能有開發(fā)成果,。因此,，Nano Dimension公司推出了自己的軟件套件FLIGHT，它可通過集成ECAD和MCAD系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)3D AME設(shè)計(jì)功能,。

　　圖15:3D AME設(shè)計(jì)的行業(yè)項(xiàng)目

　　總結(jié)

　　我們回顧了3D AME應(yīng)用的兩個(gè)主要基石：第一個(gè)基石是組合絕緣及導(dǎo)電材料，這是3D結(jié)構(gòu)打印技術(shù)的基礎(chǔ),，第二個(gè)基石是3D設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng),。

　　圖16:FLIGHT軟件套件將支持如今的3D AME設(shè)計(jì)

　　AME為機(jī)電設(shè)計(jì)集成提供了新的功能,，使設(shè)計(jì)師能夠打印線圈、電容器,、同軸互連等埋嵌式元器件,。與傳統(tǒng)工藝相比，高頻性能得到增強(qiáng),，具有更好的阻抗控制和精度,。

　　在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，與傳統(tǒng)的多工序PCB和其他電子裝置相比,，AME將許多復(fù)雜的階段簡(jiǎn)化為單個(gè)打印步驟,。

　　我們探討了從電子裝置中移除通孔的優(yōu)勢(shì)，使更密集的裝置能夠使用相同的走線寬度,，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)明顯更佳的RF性能,。

　　雖然我們看到行業(yè)對(duì)更復(fù)雜電子產(chǎn)品的需求及對(duì)更快實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)的需求不斷增長(zhǎng)，但3D AME無疑是電子行業(yè)的發(fā)展方向,。

更多信息可以來這里獲取==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<