IDTechEx レポート: 3D エレクトロニクスにより高度な統合が実現

投稿者: スタッフ | 2022 年 4 月 14 日

3D エレクトロニクスは、物体の内部または表面上でのエレクトロニクスの統合を可能にする新しい製造アプローチです。 射出成形されたプラスチックの物体の表面にアンテナや単純な導電性相互接続を追加するために長い間使用されてきましたが、新しい技術を利用して、さまざまな材料で作られたより複雑な回路がますます追加されています。

さらに、3D アディティブ エレクトロニクス技術により、完全な回路をオブジェクト内に統合できるため、製造の簡素化や新しいフォーム ファクターなどの複数のメリットが得られます。 3D エレクトロニクスを使用すると、電子機能を追加するために、剛性の平面 PCB をオブジェクトに組み込み、関連するスイッチ、センサー、電源、その他の外部コンポーネントを配線する必要がなくなりました。

3D エレクトロニクスには 3 つの主要なアプローチがあり、それぞれが新しい IDTechEx レポート「3D エレクトロニクス/アディティブ エレクトロニクス 2022 ～ 2032: 3D 表面へのエレクトロニクスの適用、インモールド エレクトロニクス、および完全アディティブ 3D エレクトロニクス」で詳しく説明されています。

最も確立されたアプローチはレーザー ダイレクト ストラクチャリング (LDS) です。この方法では、射出成形プラスチック内の添加剤がレーザーによって選択的に活性化されます。 これによりパターンが形成され、その後無電解めっきを使用して金属化されます。 LDS は約 10 年前に驚異的な成長を遂げ、毎年数億台のデバイスの製造に使用されており、その約 75% がアンテナです。 ただし、このメタライゼーション方法は、添加剤を含む射出成形コンポーネントにのみ適用でき、単一の金属層のみを堆積できるため、回路の複雑さが制限されます。

これらの制限を考慮すると、他のアプローチが普及しつつあります。 複数の導電性フレークからなる粘稠な懸濁液である導電性ペーストの押出成形は、すでに一部のアンテナに使用されており、回路全体を 3D 表面に堆積するシステムに最適なアプローチです。 エアロゾル ジェッティングとレーザー誘起前方転写 (LIFT) も新しいデジタル蒸着技術であり、それぞれ、より高い解像度と幅広い材料の高速蒸着を備えています。

3D コンポーネントに熱成形する前に電子部品を印刷/実装するインモールド エレクトロニクス (IME) は、特に静電容量式タッチ センシングと照明が必要な場合に、エレクトロニクスのさらなる統合への移行を促進します。 IME は、熱成形 3D 表面を備えたコンポーネントに統合機能を組み込むことを可能にすることで、重量と材料消費量を最大 70% 削減し、組み立てを大幅に簡素化するなど、従来のメカニカル スイッチと比較して複数の利点を提供します。

IME は、確立されたインモールド装飾 (IMD) の拡張であり、装飾コーティングを施したプラスチック シートを熱成形とその後の射出成形によって 3 次元に変換します。 IME は、最初に導電性熱成形可能インクをスクリーン印刷し、その後に導電性接着剤を堆積し、表面実装デバイス (SMD)、現在は主に LED を実装する点で IMD とは異なります。

IME の長期的な目標は、今日のリジッド PCB とほぼ同じように、確立されたプラットフォーム テクノロジになることです。 これが達成されれば、電子設計ファイルを送信するだけでコンポーネント/回路を作成できるようになります。 この技術の受け入れが進むとともに、これには明確な設計ルール、確立された標準に準拠する材料、そして重要なことに、電子設計ツールの開発が必要になります。

おそらく、積層型エレクトロニクスに対する最も革新的なアプローチは、完全に 3D プリントされたエレクトロニクスであり、誘電体材料 (通常は熱可塑性プラスチック) と導電性材料が順番に堆積されます。 配置された SMD コンポーネントと組み合わせると、3D プラスチック オブジェクトに埋め込まれた複雑な多層構造を持つ回路が生成される可能性があります。 核となる価値提案は、毎回マスクや金型を製造する費用をかけずに、各オブジェクトと組み込み回路を異なる設計に合わせて製造できることです。

完全に 3D プリントされたエレクトロニクスは、さまざまなコンポーネントを短期間で製造する必要がある用途に最適です。 この技術は、補聴器や補綴物など、カスタマイズされた形状やさらには機能が重要となる用途にも有望です。 同じ装置を使用してさまざまなコンポーネントを製造できること、およびそれに関連する単位コストと数量の分離により、オンデマンド製造への移行も可能になる可能性があります。

完全に 3D プリントされたエレクトロニクスの課題は、各層を順番に堆積する必要があるため、製造が基本的に射出成形よりもはるかに時間がかかるプロセスであることです。 印刷プロセスは複数のノズルを使用して高速化できますが、カスタマイズによって明確な利点が得られるアプリケーションを対象とするのが最適です。 組み込み電子機器では事後修理が不可能であるため、信頼性を確保することも課題です。 1 つの戦略は、画像解析を使用して各層をチェックし、次の層が堆積される前に修復を実行することです。

新しい IDTechEx レポートでは、PCB を統合エレクトロニクスに置き換え、スペースと重量を節約し、製造の複雑さを軽減する競合技術を評価しています。 3D サーフェス、インモールド エレクトロニクス (IME)、および完全な 3D プリント エレクトロニクスの電子機能をカバーします。

このレポートには、さまざまなテクノロジーにわたる主要企業へのインタビューに基づいた複数の企業プロフィールが含まれています。 IDTechEx はまた、収益と分野の両方に基づいて、テクノロジおよびアプリケーション分野ごとに 10 年間の市場予測を作成しました。 このコンサルタントは、LDS が徐々に減少し、家電アンテナ用の押出成形ペーストが増加し、特に自動車用途で押出成形とエアロゾルの使用が増加すると予測しています。 最も大幅な成長が見込まれるのは IME であり、IDTechEx は自動車の内装や白物家電のコントロール パネルに広く採用されると予測しています。

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