據(jù)麥姆斯咨詢介紹，3D電子技術(shù)是一種將電子元器件集成于目標(biāo)對(duì)象表面或內(nèi)部的新興方法。盡管長(zhǎng)期以來(lái)該技術(shù)一直被用于向3D塑料注塑體表面添加天線和簡(jiǎn)單的導(dǎo)電互連功能，但是利用新的技術(shù)可將越來(lái)越復(fù)雜的電路集成到由多種材料制成的物體表面或內(nèi)部。此外，模內(nèi)電子（IME）和3D打印電子設(shè)備可將完整的電路集成到一個(gè)對(duì)象中，從而提供多種生產(chǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，例如簡(jiǎn)化制造和新穎外形等。利用3D電子技術(shù)，為終端產(chǎn)品添加各種電子功能變得更加容易，不再需要將剛性的平面PCB集成到物體中，然后再將相關(guān)的開關(guān)、傳感器、電源和其它外部組件連接起來(lái)。

本報(bào)告對(duì)3D電子技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的闡述，相關(guān)信息主要來(lái)源于IDTechEx與各個(gè)領(lǐng)域的主要公司實(shí)施的訪談活動(dòng)。針對(duì)不同的應(yīng)用，每種3D電子技術(shù)需要進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)的權(quán)衡，本報(bào)告通過(guò)大量的案例研究，表明了在汽車、消費(fèi)電子設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)該采用的制造技術(shù)。此外，通過(guò)對(duì)3D電子技術(shù)及其要求的詳細(xì)分析，我們明確了相關(guān)材料和制造方法的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。本報(bào)告分析的所有3D電子技術(shù)都表達(dá)在下圖中，該路線圖顯示了它們從概念到商業(yè)化的進(jìn)程。

各種3D電子技術(shù)發(fā)展成熟度路線圖

各種3D電子方法的金屬化技術(shù)、材料和主要應(yīng)用

直接應(yīng)用于3D表面的電子技術(shù)

在3D對(duì)象表面添加電子功能的最佳方法是激光直接成型（Laser Direct Structuring，LDS）。激光直接成型是指利用計(jì)算機(jī)按照導(dǎo)電圖形的軌跡控制激光的運(yùn)動(dòng)，將激光投照到模塑成型的三維塑料器件上，在幾秒鐘的時(shí)間內(nèi)，活化出電路圖案。激光直接成型技術(shù)大約在十年前有了巨大的發(fā)展，為生產(chǎn)智能手機(jī)天線提供了高柔性，給產(chǎn)品三維立體設(shè)計(jì)提供了極大靈活性。

激光直接成型最常見的應(yīng)用領(lǐng)域是無(wú)線天線和載流電路。利用激光直接成型技術(shù)，可以將手機(jī)天線集成到手機(jī)內(nèi)部的一個(gè)功能性塑料元件上，從而消除了對(duì)單獨(dú)金屬天線的需求。在集成手機(jī)天線應(yīng)用中，激光直接成型的好處發(fā)揮得淋漓盡致：既實(shí)現(xiàn)了部件整合和產(chǎn)品小型化，又減少了部件組裝工作，這對(duì)于大批量生產(chǎn)和降低手機(jī)成本至關(guān)重要。此外，激光直接成型技術(shù)還很容易與快速成型相結(jié)合，以配置不同的天線布局。

泰科電子（TE）利用激光直接成型技術(shù)將高頻機(jī)電功能集成于一個(gè)元件，為客戶的應(yīng)用系統(tǒng)節(jié)省了寶貴空間。與印刷電路板（PCB）上受限的2D功能相比，激光成型可實(shí)現(xiàn)3D設(shè)計(jì)/布線功能。激光直接成型技術(shù)還能夠提高天線性能，因?yàn)樘炀€可以放置在設(shè)計(jì)中具有更多空間的位置來(lái)提供更好的帶寬和效率。激光直接成型工藝包含三步：首先，使用其中一種激光直接成型樹脂通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)單射模塑工藝對(duì)天線進(jìn)行模塑成型；其次，所需的圖案直接通過(guò)3D激光系統(tǒng)在天線上成型；最后，使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)該圖案進(jìn)行電鍍，此過(guò)程的電鍍僅附著到已通過(guò)激光激活的塑料區(qū)域，從而產(chǎn)生可導(dǎo)電的圖案。

使用激光直接成型技術(shù)生產(chǎn)的3D天線元件（來(lái)源：泰科電子）

盡管激光直接成型技術(shù)的圖案形成速度快且已被廣泛采用，但它仍然存在一些缺點(diǎn)，所以表面金屬化的替代方法仍有發(fā)展空間。激光直接成型是一種分為“兩個(gè)步驟（激光燒蝕+金屬化）”的制造工藝，可能需要將零件發(fā)送到其它地方進(jìn)行電鍍，因此有暴露知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）的風(fēng)險(xiǎn)。激光直接成型技術(shù)在批量生產(chǎn)中的最小分辨率約為75微米，因此限制了電路的密度，并且只能在模制塑料上使用。最重要的是，激光直接成型僅允許單層金屬化，從而大大限制了電路的復(fù)雜性。

鑒于上述限制，將導(dǎo)電跡線（Conductive Traces）應(yīng)用于3D對(duì)象表面的其它制造方法正在興起與普及。例如，導(dǎo)電性糊劑（一種包含導(dǎo)電性粉末的粘性懸浮液）及導(dǎo)電圖形的制造方法已經(jīng)用于小部分天線領(lǐng)域，并且是將整個(gè)電路沉積到3D表面的首選方法。

氣溶膠噴射（Aerosol Jetting）是另一種新興的金屬化方法，其中將相對(duì)較低粘度（通常為導(dǎo)電性油墨）霧化，然后將該噴霧與惰性載氣混合并從噴嘴中噴出。氣溶膠噴射具有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）分辨率高達(dá)10微米，（2）噴嘴可以放置在距表面幾毫米的位置，從而有助于對(duì)具有復(fù)雜表面幾何形狀的3D表面進(jìn)行構(gòu)圖。缺點(diǎn)是復(fù)雜的霧化和輸送過(guò)程的成本，以及對(duì)不同油墨重新優(yōu)化工藝的要求。

現(xiàn)有的激光直接成型技術(shù)的數(shù)字沉積方法的優(yōu)點(diǎn)是，介電材料可以采用同一打印系統(tǒng)進(jìn)行沉積，從而可以實(shí)現(xiàn)跨接以形成更復(fù)雜的電路系統(tǒng)。絕緣和導(dǎo)電粘合劑也可以沉積，使得SMD器件可以貼裝到對(duì)象表面上。

模內(nèi)電子和功能性嵌片注塑工藝

模內(nèi)電子（IME）是傳統(tǒng)模內(nèi)注塑裝飾（IMD）技術(shù)與柔性印制電路的結(jié)合，可制得帶有不同復(fù)雜程度嵌入式電路的3D形狀。這是全球新興的3D結(jié)構(gòu)電子浪潮的一部分，其制造工藝更加環(huán)保，需要的原材料更少，不需要組裝和外殼封裝，便可生產(chǎn)出可靠性更高的產(chǎn)品。模內(nèi)電子工藝將電氣功能通過(guò)印刷和表面貼裝集成于柔性薄膜上制備功能化薄膜，再通過(guò)模內(nèi)覆膜工藝制成產(chǎn)品。

模內(nèi)電子制造工藝

模內(nèi)電子產(chǎn)品既具有模內(nèi)裝飾工藝的美觀與環(huán)保，又一體成型實(shí)現(xiàn)了功能與結(jié)構(gòu)裝飾的無(wú)縫結(jié)合，因此被廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)及家電等領(lǐng)域。在汽車智能座艙大趨勢(shì)下，模內(nèi)電子可以帶來(lái)更美觀、多功能的全新人機(jī)交互界面（HMI），因此成為汽車內(nèi)飾界的熱點(diǎn)。

雖然模內(nèi)電子的優(yōu)點(diǎn)很多，包括：輕巧、節(jié)省空間、堅(jiān)固耐用、上市更快以及高通量處理能力。但是，該技術(shù)并非沒(méi)有缺點(diǎn)，例如：形狀限制、良率、軟件不成熟、環(huán)境穩(wěn)定性以及后處理問(wèn)題等。本報(bào)告詳細(xì)介紹并分析了這些優(yōu)點(diǎn)和障礙，并提供了材料領(lǐng)域針對(duì)功能墨水、基板以及粘合劑的未來(lái)解決方案。

全3D打印電子技術(shù)

3D打印和印刷電子是兩個(gè)典型的增材制造技術(shù)案例，而全3D打印電子技術(shù)是將二維印刷電子器件與3D打印技術(shù)相結(jié)合，基于逐層沉積的材料制造3D電子產(chǎn)品。該項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)大了多功能增材制造工藝的影響，包括通過(guò)單一的增材制造系統(tǒng)制造具有更廣泛功能的電子組件和系統(tǒng)。全3D打印電子技術(shù)的核心價(jià)值主張是，可以將每個(gè)對(duì)象和嵌入式電路按照不同的設(shè)計(jì)進(jìn)行制造，而不必每次都制造掩模和模具。

全3D打印電子所面臨的挑戰(zhàn)是其制造過(guò)程比注塑成型要慢得多，因?yàn)槊恳粚佣夹枰樞虺练e。雖然可以使用多個(gè)噴嘴來(lái)加快3D打印過(guò)程，但速度仍是“軟肋”，其最明顯的優(yōu)勢(shì)還是在于可定制性化。另外，確保產(chǎn)品可靠性也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)槭褂们度胧诫娮赢a(chǎn)品無(wú)法進(jìn)行事后維修——一種策略是使用圖像分析方法檢查制造過(guò)程中的每一層并在下一層沉積之前進(jìn)行任何電路修補(bǔ)。

綜合分析和市場(chǎng)預(yù)測(cè)

本報(bào)告詳細(xì)討論了3D電子產(chǎn)品的各種制造方法，評(píng)估了不同技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)，以及潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。報(bào)告根據(jù)對(duì)不同技術(shù)的主要參與者的采訪和交流，形成了有價(jià)值的觀點(diǎn)。我們還將針對(duì)每項(xiàng)技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行10年的市場(chǎng)預(yù)測(cè)和應(yīng)用分析。其中，消費(fèi)電子天線的激光直接成型市場(chǎng)會(huì)逐漸下降，而氣溶膠噴射市場(chǎng)會(huì)逐步增長(zhǎng)，尤其是在汽車應(yīng)用中。我們預(yù)計(jì)模內(nèi)電子市場(chǎng)增長(zhǎng)最快，因?yàn)槟?nèi)電子將在汽車內(nèi)飾和白色家電控制面板中獲得廣泛采用。

3D電子技術(shù)分類

各種3D電子技術(shù)的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)