為什么AME需要3D PCB結(jié)構(gòu)呢？

設(shè)想一下，在沒(méi)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(guò)增材制造電子技術(shù)（AdditivelyManufactured Electronics，簡(jiǎn)稱AME）方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一切，只需要開(kāi)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(guò)增加不同導(dǎo)電和絕緣材料以及犧牲材料的組合來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(wú)需額外的成本；事實(shí)上，是對(duì)層數(shù)沒(méi)有限制。真正的問(wèn)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(méi)有對(duì)準(zhǔn)問(wèn)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(méi)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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)越復(fù)雜及走線越來(lái)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(lái)越高，交付周期越來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)AME實(shí)現(xiàn)的完整3D設(shè)計(jì)，沒(méi)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(guò)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(wú)疑是電子行業(yè)的發(fā)展方向。

審核編輯：劉清