IDTechEx-Bericht: 3D-Elektronik ermöglicht eine bessere Integration

Gepostet von Mitarbeitern | 14. April 2022

3D-Elektronik ist ein aufstrebender Fertigungsansatz, der die Integration von Elektronik in oder auf der Oberfläche von Objekten ermöglicht. Während es seit langem zum Anbringen von Antennen und einfachen leitenden Verbindungen auf der Oberfläche von spritzgegossenen Kunststoffobjekten verwendet wird, werden mithilfe neuer Techniken zunehmend komplexere Schaltkreise aus verschiedenen Materialien hinzugefügt.

Darüber hinaus ermöglicht die additive 3D-Elektroniktechnologie die Integration kompletter Schaltkreise in ein Objekt und bietet zahlreiche Vorteile, darunter eine vereinfachte Herstellung und neuartige Formfaktoren. Mit der 3D-Elektronik ist zum Hinzufügen elektronischer Funktionalität nicht mehr der Einbau einer starren, planaren Leiterplatte in ein Objekt und die anschließende Verkabelung der entsprechenden Schalter, Sensoren, Stromquellen und anderer externer Komponenten erforderlich.

Es gibt drei Hauptansätze für die 3D-Elektronik, die im neuen IDTechEx-Bericht „3D Electronics/Additive Electronics 2022-2032: Applying electronics to a 3D surface, In-Mold Electronics, and Fully Additive 3D Electronics“ jeweils ausführlich erörtert werden.

Der etablierteste Ansatz ist die Laserdirektstrukturierung (LDS), bei der ein Additiv im spritzgegossenen Kunststoff durch einen Laser selektiv aktiviert wird. Dadurch entsteht ein Muster, das anschließend durch stromloses Plattieren metallisiert wird. LDS verzeichnete vor etwa einem Jahrzehnt ein enormes Wachstum und wird jedes Jahr zur Herstellung von Hunderten Millionen Geräten verwendet, von denen etwa 75 % Antennen sind. Diese Metallisierungsmethode lässt sich jedoch nur auf spritzgegossene Bauteile mit einem Additiv anwenden und ermöglicht nur die Abscheidung einer einzigen Metallschicht, was den Schaltungsaufwand begrenzt.

Angesichts dieser Einschränkungen sind andere Ansätze auf dem Vormarsch. Das Extrudieren von leitfähiger Paste, einer viskosen Suspension aus mehreren leitfähigen Flocken, wird bereits für einen kleinen Teil der Antennen verwendet und ist der Ansatz der Wahl für Systeme, die ganze Schaltkreise auf 3D-Oberflächen aufbringen. Aerosol-Jetting und laserinduzierter Vorwärtstransfer (LIFT) sind weitere aufkommende digitale Abscheidungstechnologien, die jeweils höhere Auflösungen und eine schnelle Abscheidung einer breiten Palette von Materialien ermöglichen.

In-Mold-Elektronik (IME), bei der die Elektronik vor dem Thermoformen in eine 3D-Komponente gedruckt/montiert wird, erleichtert den Übergang zu einer stärkeren Integration der Elektronik, insbesondere dort, wo kapazitive Berührungserkennung und Beleuchtung erforderlich sind. Durch die Möglichkeit, integrierte Funktionalitäten in Komponenten mit thermogeformten 3D-Oberflächen zu integrieren, bietet IME gegenüber herkömmlichen mechanischen Schaltern zahlreiche Vorteile, darunter eine Reduzierung des Gewichts und des Materialverbrauchs um bis zu 70 % sowie eine deutlich einfachere Montage.

IME ist eine Erweiterung des etablierten In-Mold-Decoring (IMD), bei dem Kunststoffplatten mit einer dekorativen Beschichtung durch Thermoformen und anschließendes Spritzgießen in drei Dimensionen umgewandelt werden. IME unterscheidet sich von IMD durch den anfänglichen Siebdruck leitfähiger thermoformbarer Tinten, gefolgt von der Aufbringung elektrisch leitfähiger Klebstoffe und der Montage von oberflächenmontierten Bauteilen (SMDs), derzeit hauptsächlich LEDs.

Das langfristige Ziel für IME besteht darin, eine etablierte Plattformtechnologie zu werden, ähnlich wie es heute bei starren Leiterplatten der Fall ist. Sobald dies erreicht ist, müssen Sie zur Herstellung einer Komponente/Schaltung lediglich eine elektronische Designdatei senden. Dies erfordert neben einer größeren Akzeptanz der Technologie klare Designregeln, Materialien, die etablierten Standards entsprechen, und vor allem die Entwicklung elektronischer Designtools.

Der wohl innovativste Ansatz zur additiven Elektronik ist die vollständig 3D-gedruckte Elektronik, bei der dielektrische Materialien – normalerweise Thermoplaste – und leitfähige Materialien nacheinander abgeschieden werden. In Kombination mit platzierten SMD-Bauteilen entsteht ein Schaltkreis, möglicherweise mit einer komplexen Mehrschichtstruktur eingebettet in ein 3D-Kunststoffobjekt. Das Kernwertversprechen besteht darin, dass jedes Objekt und jeder eingebettete Schaltkreis in einem anderen Design hergestellt werden kann, ohne dass jedes Mal Kosten für die Herstellung von Masken und Formen anfallen.

Vollständig 3D-gedruckte Elektronik eignet sich gut für Anwendungen, bei denen eine Reihe von Komponenten kurzfristig hergestellt werden müssen. Die Technologie ist auch für Anwendungen vielversprechend, bei denen eine individuelle Form und gleichmäßige Funktionalität wichtig sind, wie etwa Hörgeräte und Prothesen. Die Möglichkeit, verschiedene Komponenten mit derselben Ausrüstung herzustellen und die damit verbundene Entkopplung von Stückkosten und Volumen könnte auch einen Übergang zur On-Demand-Fertigung ermöglichen.

Die Herausforderung für vollständig 3D-gedruckte Elektronik besteht darin, dass die Herstellung grundsätzlich ein viel langsamerer Prozess als das Spritzgießen ist, da jede Schicht nacheinander aufgetragen werden muss. Während der Druckprozess durch den Einsatz mehrerer Düsen beschleunigt werden kann, eignet er sich am besten für Anwendungen, bei denen die individuelle Anpassung einen spürbaren Vorteil bietet. Auch die Gewährleistung der Zuverlässigkeit stellt eine Herausforderung dar, da nachträgliche Reparaturen mit eingebetteter Elektronik nicht möglich sind. Eine Strategie besteht darin, mithilfe der Bildanalyse jede Schicht zu überprüfen und Reparaturen durchzuführen, bevor die nächste Schicht aufgetragen wird.

Der neue IDTechEx-Bericht bewertet die konkurrierenden Technologien, die es ermöglichen, Leiterplatten durch integrierte Elektronik zu ersetzen, wodurch Platz und Gewicht gespart und die Fertigungskomplexität verringert werden. Es umfasst elektronische Funktionalität in 3D-Oberflächen, In-Mold-Elektronik (IME) und vollständig 3D-gedruckte Elektronik.

Der Bericht enthält mehrere Unternehmensprofile, die auf Interviews mit wichtigen Akteuren in den verschiedenen Technologien basieren. IDTechEx hat außerdem 10-Jahres-Marktprognosen für jeden Technologie- und Anwendungssektor entwickelt, die sowohl nach Umsatz als auch nach Region abgegrenzt sind. Der Berater prognostiziert einen allmählichen Rückgang von LDS und ein Wachstum bei extrudierter Paste für Antennen der Unterhaltungselektronik sowie einen zunehmenden Einsatz von Extrusion und Aerosol, insbesondere für Automobilanwendungen. Das stärkste Wachstum wird für IME prognostiziert, das laut IDTechEx weit verbreitet im Autoinnenraum und in den Bedienfeldern von Haushaltsgeräten eingesetzt werden wird.

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