Данная публикация завершает цикл образовательных статей о методах трехмерной печати, применяемых для изготовления современных печатных плат (ПП). Приводятся уточненные результаты анализа методов 3D-печати ПП и электронных узлов, предлагаются области их применения и называются возможные целевые группы, заинтересованные в их освоении.
Введение
С нашей точки зрения, развитие технологий подчиняется концепциям развития науки, сформулированным К. Поппером и Т. Куном.
Согласно теории фальсификации К. Поппера, развитие научного знания представляет собой непрерывный процесс ниспровержения одних теорий
и замены их другими, более удовлетворительными, причем проверку научной осмысленности и достоверности новой теории необходимо проводить посредством поиска опровергающих ее фактов. Таким образом, в отношении дальнейшего развития технологий ПП столь смелые идеи, как возможность изготовления ПП методами 3D-печати, должны подвергнуться конструктивной критике, в роли которой для данного случая будут выступать исследовательские работы, посвященные проверке получаемых параметров изделий и их соответствия имеющейся
нормативной документации (НД), что вполне соответствует духу концепции развития научного познания К. Поппера.
В свою очередь, развитие науки, согласно парадигмальной теории Т. Куна, представляет собой скачкообразный процесс, заключающийся в смене парадигм, или совокупности фундаментальных знаний, методов и образцов решения задач. При зарождении науки она проходит допарадигмальный период развития, характеризующийся наличием большого числа школ и различных направлений. Затем формируется общепризнанная парадигма, в рамках которой развивается так называемая «нормальная» наука, проводятся поддерживающие ее исследования и накапливаются «аномалии», то есть проблемы, которые парадигма не может решить. По мере накопления «аномалий» период «нормальной» науки сменяется периодом кризиса, который либо разрешается методами «нормальной» науки, либо приводит к полной или частичной замене парадигмы. Таким образом, в отношении ПП применяемые технологии их изготовления могут быть отнесены к общепринятой парадигме, а к аномалиям — ряд следующих потребностей:
- уменьшение размера плат и ширины печатных проводников (элементов топологии);
- сокращение отходов производства;
- встраивание компонентов внутрь платы;
- интеграция структурных элементов.
Для решения выявленных «аномалий» вполне подходит зарождающаяся парадигма — технология трехмерной печати, что означает наступление кризиса, выходом из которого может быть доказательство возможности применяемых технологий решить эти потребности или перейти к новой технологии.
Так или иначе технологии трехмерной печати развиваются и начинают занимать определенное место в технологических процессах промышленных предприятий, о чем свидетельствует количество разрабатываемых стандартов (рис. 1). Пока наибольший интерес для стандартизации представляют методы печати из металлов и пластиков как альтернативы литейному производству.
Тем не менее в данной статье остановимся на подведении итогов о возможности или невозможности изготовления ПП методами 3D-печати. Под понятием «стандартные технологии» (СТ) будут подразумеваться технологические процессы, применяемые в настоящий момент для изготовления ПП.
Краткий анализ методов 3D-печати
В предыдущих статьях цикла из нескольких десятков методов 3D-печати по первичным критериям были выбраны 10 возможных методов печати ПП, при более детальном анализе которых оказалось, что половина из них уже
опробована для печати ПП. Сравнительный анализ методов приведен в таблице 1.
![Таблица 1. Сравнительный анализ методов 3D-печати для изготовления печатных плат
1 Нить калиброванного диаметра, получаемая непрерывным экструдированием пластмассы и композиций на ее основе, обычно наматываемая на катушку. ГОСТ Р [59100-2020].](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/3614639/pub_63e8cb70044e0147da3911e0_63e8ce905252e75a1c29988b/scale_1200)
Отдельно стоит выделить два метода 3D-печати, которые не были приведены в таблице: многофункциональное нанесение (МФН, Multi-Functional Additive Manufacturing, MFAM) и цифровое осаждение материала (Digital Material Deposition, DMD).
МФН был разработан относительно недавно и позволяет изготавливать жесткие ПП. Для изготовления применяются чернила (диэлектрические — на основе акрилатных соединений, проводящие — с частицами серебра или графена), подложка не требуется. Сведения о возможном классе точности напечатанных ПП отсутствуют, как и коммерческое оборудование.
Метод цифрового осаждения материала был запатентован в 2020 году [10] и до этого момента не участвовал в рассмотрении. Данный метод позволяет изготавливать жесткие ПП с шириной проводника до 80 мкм и расстоянием между ними до 60 мкм [11]. Для изготовления применяют чернила и пасты вязкостью 1–80 000 мПа∙с (диэлектрические, проводящие — с частицами серебра, меди, углерода) [11]. Информацией о результатах применения цифрового осаждения материала располагают только держатели патента — фирма, разрабатывающая специализированные на печати ПП 3D-принтеры. По мнению авторов, данный метод может являться усовершенствованным аналогом ПНМ.
Область применения
Возможность применения 3D-печати для изготовления изделий электроники была много раз показана зарубежными исследователями путем создания таких демонстраторов технологии, как транзисторы, резисторы, индукторы, суперконденсаторы, различные датчики (деформации, температуры), носимая электроника, антенны и т. д. (табл. 2).
Как правило, подобные демонстраторы проверяются лишь на подтверждение выполнения одной-двух критических для данного типа изделия функций. Например, Х. Ота (H. Ota) с соавторами [12] продемонстрировал возможность изготовления гибкого смарт-объекта в виде перчатки для термотерапии со встроенными в нее программируемыми нагревателем и датчиком температуры. Для создания устройства применялся метод ПНФ для формирования каналов, которые с помощью шприца были заполнены галинстаном. Основное назначение
перчатки — воздействие тепла на точку травмы пациента для усиления кровотока и уменьшения боли. В качестве доказательств работоспособности перчатки и возможности регулировки температуры авторы приводят инфракрасные изображения перчатки, которую носят во время передачи тепла; показан результирующий температурный профиль и измерения встроенного датчика температуры. Приведенная информация подтверждает выполнение устройством его основных функций и выглядит весьма впечатляюще, но представляет собой лишь необходимый, но не достаточный набор данных. Отсутствие испытаний перчатки на устойчивость к перегибам не позволяет заключить, как долго можно носить изделие (каков ресурс сжимания и разжимания кулака), отсутствие
испытаний на устойчивость к механическим воздействиям — что будет, если случайно удариться рукой в перчатке о твердую поверхность и т. д.
Тем не менее иногда встречаются статьи, посвященные испытаниям напечатанных образцов. Например, Д. Ребаун (J. Reboun) с соавторами [13] провели испытания на устойчивость к перегибам тестовых образцов в соответствии с IPC-TM‑650 (№ 2.4.3). Тестовый образец имел небольшое отличие топологии от приведенной в стандарте и представлял собой серебряный проводник, напечатанный методом АНМ и спеченный на фольге PET. В результате проведенных испытаний было выявлено, что
сопротивление образцов практически одинаково в процессе проведения нескольких тысяч перегибов, но после возрастает, а в проводящих дорожках образуются трещины. Отказ обычно происходил между 9000 и 12 000 циклов.
Доступность в России
Оборудование
Номенклатура 3D-принтеров, представленных на рынке, постоянно расширяется, и 3D-принтеры, ориентированные на изготовление ПП, не являются исключением. На российском рынке номенклатура специализированного оборудования для ПП ограничена 10 зарубежными моделями: 1 — АНМ (США), 5 — КНМ (1 — Израиль, 3 — США, 1 — Япония), 2 — ПНМ (Канада, США), 2 — цифровое осаждение материала (Франция).
Подобные 3D-принтеры имеют программное обеспечение, разработанное для нужд электроники. В частности, имеют возможность загрузки привычных разработчикам ПП форматов 2D-файлов.
В связи с тем что ПНФ является одними из самых доступных и распространенных методов, рынок 3D-принтеров представлен моделями не только зарубежных, но и отечественных производителей. Однако ни одна модель не адаптирована для нужд электроники. Применяемое в оборудовании программное обеспечение будет стандартным, что может
вызвать затруднения при изготовлении ПП, так как потребуется создание 3D-модели.
Расходные материалы
В основном расходные материалы производятся за рубежом и поставляются вместе со специализированным 3D-принтером. Как правило, производитель оборудования запрещает применение материалов сторонних организаций, не включенных в список рекомендуемых поставщиков, под угрозой снятия своего оборудования с гарантийного обслуживания. Если в условиях импортозамещения химические реактивы, необходимые для процессов создания проводящих рисунков и межслойных соединений ПП, уже имеют аналоги отечественного производства, то в отношении чернил для АНМ, КНМ и ПНМ аналогов нет,
однако попытки их создания продолжаются.
В 2014 году группа исследователей из ИХТТМ СО РАН разработала для использования в 3D-печати экстракционно-полиольный метод синтеза поверхностно-модифицированных наночастиц (в том числе серебра и меди), который позволяет получать порошки металлов со средним размером частиц 10 нм – 10 мкм [20]. С помощью данного метода изготовлены серебряные чернила из отечественных материалов, которые были успешно протестированы. Полученные результаты опубликованы в [21].
Также, согласно открыто опубликованным источникам на 2017 год, существовал единственный отечественный производитель, который изготавливает наночернила, содержащие серебро, золото, платину и графен (в разработке), прошедшие тестирование и включенные в список рекомендуемых поставщиков некоторых производителей оборудования для печати электроники с помощью КНМ [22, 23].
В отношении филаментов для ПНФ ситуация с импортозамещением напоминает имеющуюся для базовых материалов ПП: отечественные аналоги есть, но к изготавливаемым из них ПП обычно предъявляют менее
жесткие требования, чем к ПП из зарубежных материалов. Проводящие, полиамидные, керамические, высокотемпературные, стекло- и угленаполненные филаменты, представляющие наибольший интерес для электроники, могут быть изготовлены как в России, так и в Китае. Однако не все необходимые свойства материала для изготовления ПП могут
быть указаны, в связи с чем потребуется провести испытания филаментов для уточнения недостающих параметров с последующей оценкой возможности применения.
По сути, ПНФ является единственным методом 3D-печати ПП, который сегодня практически полностью импортозамещен.
Проблемные вопросы
Технология трехмерной печати, как и любая другая, не лишена недостатков. Однако большинство существующих проблем взаимосвязаны и являются следствием недостаточной изученности технологии. Рассмотрим некоторые из них.
Зрелость технологии
3D-печать как технология изготовления ПП имеет первый уровень готовности технологии (УГТ) по ГОСТ Р 58048, то есть основные принципы технологии изучены и опубликованы.
Такой уровень не позволяет сделать вывод о целесообразности применения данной технологии в промышленных масштабах в связи
с недостатком данных о возможностях технологии. В соответствии с ГОСТ Р 58048, для принятия решения о начале мелкосерийного (опытного) производства рекомендуемый УГТ должен быть не ниже УГТ7 — другими
словами, работоспособность прототипа ПП должна быть продемонстрирована в условиях эксплуатации.
Большинством существующих исследовательских работ качественно оценивается работоспособность напечатанной ПП (например, горит или не горит светодиод), реже приводятся значения сопротивления полученных
печатных проводников. Сравнительные испытания напечатанных ПП с изготавливаемыми по СТ проведены не были либо являются закрытой информацией.
В связи с этим необходимо проведение ряда научно-исследовательских и опытно-технологических работ, направленных на установление объективных данных о получаемых параметрах напечатанных ПП путем проведения стандартных испытаний ПП, указанных в ГОСТ 23752 или других НД.
Нормативная база
В целом количество стандартов, посвященных трехмерной печати (в том числе аддитивным технологиям), с каждым годом возрастает. Однако все еще отсутствуют НД, описывающие типовые технологические процессы изготовления, методики контроля напечатанных изделий, входной контроль расходных материалов, методики прогнозирования надежности.
Расходные материалы
Номенклатура расходных материалов для нужд изготовления ПП крайне ограничена. В большинстве случаев сведения, необходимые для оценки возможности применения материала для изготовления ПП, отсутствуют. В свою очередь исследовательские работы показывают, что используемые
в 3D-печати проводящие материалы имеют относительно высокое значение сопротивления (табл. 3), что накладывает некоторые
ограничения при применении. Тем не менее грамотный подбор режимов постобработки может значительно снизить получаемое удельное сопротивление.
Монтаж компонентов
В большинстве случаев существующие 3D-принтеры не рассчитаны на проведение манипуляций во время печати, то есть извлечение изделия из камеры и возвращение на то же самое место. О чем свидетельствует отсутствие какой-либо системы определения местоположения части напечатанного изделия или подложки. Это усложняет процедуру встраивания компонентов внутрь платы. Кроме того, в большинстве случаев монтаж компонентов осуществляется вручную, что закономерно
снижает точность их расположения.
Однако сейчас уже предпринимаются попытки решения данной проблемы. Пока существует два коммерчески зафиксированных способа.
Первый — использование направляющих совместно с шаблоном с разметкой или без него. Рабочая платформа 3D-принтера имеет отверстия, расположенные с определенным шагом, для крепления двух направляющих, ограничивающих подвижность подложки по одной из взаимно перпендикулярных осей. Также имеется шаблон с разметкой
(Sacrificial Layer), разделяющей платформу на сектора и обозначающей типовые размеры подложек, обычно поставляемых вместе с оборудованием. Таким образом, оператор размещает на рабочей платформе шаблон, на него накладывает подложку в соответствии
с разметкой и закрепляет ее с помощью направляющих. Разумеется, точность данного подхода невелика и лишает 3D-печать одного из ее преимуществ (из-за привязки к типовым размерам) — гибкости производства.
Второй — сменный инструмент. 3D-принтер может иметь рабочий орган, позволяющий заменять печатную головку инструментом для установки компонентов, оснащенным видеокамерой. Точность данного подхода выше, чем у предыдущего, но применимость может быть ограничена размером (до метрического типоразмера компонента поверхностного монтажа 1608) и шагом выводов компонента (до 0,4 мм).
Не прибегая к изменению конструкции 3D-принтера, мы предлагаем решить данную проблему следующим способом, являющимся аналогом ранее применяемой штифтовой технологии для совмещения элементов смежных слоев ПП. Конструкция ПП, предполагаемая к печати, должна иметь некоторое количество сквозных неметаллизированных базовых отверстий (БО), расположенных в соответствии с выбранной системой базирования (например, L‑конфигурация или по перпендикулярным осям). Возможны два варианта расположения «штифтов» относительно рабочего поля платы: на специально добавленном технологическом поле (увеличит расход материала) или за периметром ПП (в виде специальных легкоудаляемых площадок). ПП печатается до слоя, после печати которого предполагается извлечение изделия из камеры. Печать прерывается, и изделие извлекается. Запускается часть управляющей программы, отвечающая за печать «штифтов» в месте расположения центра БО, в количестве, равном количеству базовых отверстий. «Штифты» представляют собой цилиндрические столбики, высотой и диаметром чуть менее диаметра и высоты БО. После проведения манипуляций с ПП она
возвращается на рабочую платформу в место предыдущей печати путем совмещения БО с напечатанными «штифтами». Печать возобновляется. Следует отметить, что «штифты» рекомендуется печатать после извлечения ПП во избежание их повреждения во время отсоединения напечатанной части с помощью дополнительных инструментов. Размер «штифтов» выбирают таким образом, чтобы было удобно совместить плату и они не препятствовали возобновлению печати. Обеспечиваемая точность будет напрямую зависеть от зазора между диаметрами БО и «штифта» (чем меньше зазор, тем выше точность) и, к сожалению, в любом случае будет невысока (ориентировочно ±50 мкм [32] и хуже). Возможный вариант реализации применения такого способа представлен на рис. 2.
Пайка
Из-за физико-химических свойств применяемых расходных материалов при изготовлении печатных узлов необходимо использовать низкотемпературные припои с температурой пайки не более +200 °C. Например, производитель 3D-принтера для реализации ПНМ на подложке рекомендует применять паяльную пасту состава Sn42/Bi57,6/Ag0,4 с температурой плавления +180…+200 °C [7], а конкурирующий с ним производитель 3D-принтера для реализации КНМ — с температурой плавления не более +140 °C [5]. Рекомендуемый состав паяльной пасты обычно не приводится, но предполагается, что это:
- бессвинцовые сплавы, содержащие висмут (например, Sn47/Bi52/Ag1 или Sn48/Bi52) или индий (например, Sn48/In52), поскольку оба этих металла понижают точку плавления;
Ввиду того, что свинец оказывает вредное воздействие на организм человека, сплавы на его основе применять не рекомендуется. Кроме того, выбор припоя также будет зависеть от его совместимости с покрытиями
монтируемых компонентов.
Стоит помнить, что применение низкотемпературных припоев уменьшает диапазон рабочих температур и уменьшает устойчивость к механическим воздействиям получаемой ПП, которые являются одними из важных параметров изделий специального назначения.
Кроме того, на данный момент пайка проводится вручную, что снижает точность монтажа и воспроизводимость по качеству изготовленного печатного узла.
Ремонтопригодность
На данном этапе напечатанные ПП можно отнести к классу неремонтопригодных изделий, что неприемлемо для изделий специального назначения [33].
Перспективы
Печатная плата — достаточно сложное и довольно требовательное к точности изготовления изделие, поэтому ее производство и разработка становится весьма трудоемким процессом. Уже сейчас 3D-печать является
одной из перспективных технологий для прототипирования (макетирования) ПП и может оказать существенное влияние на структуру
процесса. Рассмотрим возможную новую структуру подробнее.
При модернизации или создании нового изделия у разработчика может возникнуть несколько вариантов будущей конструкции, которые аналитически (с помощью моделирования в программе для конструирования) прошли проверку на выполнение заложенных
требований. Затем возможна программная симуляция процесса печати всех вариантов конструкции для исключения технологически малореализуемых конструкций с последующим измерением виртуально напечатанного изделия для внесения необходимых правок в модель. Таким образом, все описанные действия происходят только на компьютере разработчика, без затрат на производственные ресурсы. Такой цифровой подход к конструированию возможен благодаря простоте моделирования
процесса, состоящего из двух основных операций (печати и постобработки) вместо десятка разнородных по физической и химической
сути операций, применяемых для реализации СТ. Кроме того, дополнительная программная проверка конструкций позволит значительно сократить время на разработку и количество
итераций изготовления прототипов, а значит, и минимизировать материальные затраты.
Затем изготавливается прототип (макет) будущего изделия либо для выбора одного-единственного варианта конструкции, либо для подтверждения выполнения технических требований, указанных в техническом задании на разработку изделия, путем проведения испытаний.
Даже если цифровой подход к проектированию не будет реализован, изготовление прототипов с помощью 3D-печати получит немало
общеизвестных преимуществ: короткий производственный цикл, низкий расход материалов, гибкость производства (вследствие выпуска малых партий изделий с минимальными затратами времени на переналадку), сокращение сроков разработки новых изделий, отсутствие требований к безопасности производственного процесса и климатическим условиям, малые производственные помещения.
В отношении производства 3D-печать позволит создавать не только уже существующие конструкции ПП, но и ПП с изогнутыми, скрученными волноводами СВЧ-диапазона; с разветвленной системой микроканалов; внутренним монтажом компонентов и полимерными оптическими волноводами [33].
Отдельно следует отметить перспективы применения взаимодействия 3D-печати ПП с компьютерной томографией. 3D-модель, являющаяся необходимым атрибутом для печати, будет выступать в качестве эталона при сравнении модели напечатанного изделия, полученного томографом, что значительно упростит работу контролера.
Печать в космическом пространстве
Одним из направлений развития ПП может стать возможность их изготовления в космическом пространстве.
Наиболее перспективными в данном аспекте являются методы на основе экструзии материала, поскольку в результате проведения ряда испытаний было доказано, что микрогравитация не оказывает существенного влияния
на механические и теплофизические свойства образцов, изготовленных на Международной космической станции (МКС), по сравнению с образцами, изготовленными на Земле [34, 35]. Исследования были проведены в 2014 году НАСА (National Aeronautics and Space Administration, NASA) совместно с американской корпорацией Made in Space (MIS) в рамках программы “3D Printing in Zero-G” («3D-печать в невесомости»), заключающейся в тестировании в условиях микрогравитации на МКС возможностей специально разработанного 3D-принтера на основе ПНФ. Полученные результаты были опубликованы в статьях [36–39].
М. П. Снайдер с соавторами [40] провели исследования в условиях моделирования микрогравитации в ходе серии параболических полетов и определили, что для обеспечения работоспособности коммерческих 3D-принтеров на основе ПНФ в данных условиях необходимо провести некоторые модификации их конструкции.
Кроме того, сейчас некоторые зарубежные исследования направлены на оценку возможностей применения других методов 3D-печати в условиях микрогравитации. Например, В. Ли с соавторами [41] на основе анализа рабочих принципов метода ПНМ предположил возможность реализации процесса в условиях космического пространства за счет регулировки смачиваемости сопла и подложки.
Особенности конструирования ПП
Общие нормы проектирования для напечатанных ПП пока не установлены, но некоторые производители вместе с оборудованием предоставляют свои рекомендации. Зарубежный опыт показывает, что существующие нормы вполне могут быть успешно применены для 3D-печати. Однако нужно
помнить, что они были разработаны с учетом процессов, применяемых в СТ, и заложенные в них допуски могут быть избыточными или недостаточными для 3D-печати. Рассмотрим некоторые аспекты проектирования ПП в отношении ее основных элементов проводящего
рисунка.
Печатные проводники
Соединение проводников под острым углом считается недопустимым из-за скапливания травильного раствора и последующего утонения проводника [42], которое приведет к неравномерному распределению тока (как следствие, перегреву проводника), но данное требование, вероятно, потеряет свой смысл при 3D-печати.
Недопустимость поворота на 90° при смене направления проводника связана с несколькими причинами:
- на высоких частотах данная часть схемы будет работать как антенна [42];
- может возникнуть отражение сигнала из-за изменения ширины пути прохождения тока [43, 44];
- в вершине угла ширина трассы увеличивается в 1,414 раза, что приводит к рассогласованию характеристик линии передачи, особенно распределенной емкости и собственной индуктивности трассы [43, 44];
- особенность технологического процесса травления [42], указанная в предыдущем примере.
Уменьшение угла до 45° и скругление сводит негативные влияния к минимуму. Причем второй вариант предпочтительнее, так как поддерживает постоянной ширину проводника и минимизирует отражения [43]. Кроме того, его довольно легко реализовать с помощью 3D-печати.
Для 3D-печати хорошо подойдет змееобразный (изотропный) стиль трассировки, заключающийся в выполнении поворотов вокруг препятствий дугообразными сегментами и размещении проводников под произвольным углом [44]. Такой подход позволит сократить длину проводников и, как следствие, уменьшить искажения сигнала и повысить
плотность трассировки [44].
Переходные отверстия
В СТ для электрического соединения проводящих слоев применяют металлизированные, заполненные пастой и гальванически заращенные отверстия.
3D-принтер может обеспечить формирование металлизированного отверстия двумя коммерчески зафиксированными способами. Первый — применение медных пустотелых заклепок (Rivets), которые вбиваются в заранее просверленные в подложке отверстия и соединяются с напечатанной контактной площадкой (рис. 3). Такой способ характерен
для методов, требующих для своей реализации подложку. Кроме того, обычно номенклатура поставляемых с оборудованием заглушек весьма ограничена и составляет 2–6 типоразмеров, из которых минимальный 0,4 мм (для диаметра просверленного отверстия 0,6–0,7 мм). Второй — формирование проводящих стенок отверстия с помощью проводящего материала слой за слоем. Минимальный диаметр созданного данным способом отверстия может достигать 0,4 мм.
3D-печать позволяет сформировать напечатанное отверстие, аналогичное заращиваемому. В этом случае 3D-принтер будет слой за слоем печатать круглые контактные площадки диаметром, равным диаметру отверстия. Стоит учитывать, что для напечатанного отверстия будут характерны процессы усадки, как и для заполненного (тип V по IPC 4761). Минимальный диаметр созданного данным способом отверстия может составить до 0,2 мм.
Контактные площадки (КП) отверстий
Нормы расчета диаметра КП и величина гарантийного пояска в основном обусловлены проблемами совмещения слоев ПП. В данном случае имеет место дилемма, называемая в теории решения изобретательских задач
противоречием: диаметр КП должен быть как можно меньше, чтобы повысить плотность трассировки, и диаметр КП должен быть как можно больше, чтобы гарантировать совмещение отверстия с площадкой.
В СТ каждое переходное отверстие обязательно должно иметь на соответствующем слое КП, иначе не обеспечить электрическое соединение, которое создается во время металлизации просверленного отверстия за счет гальванического осаждения меди на КП и на стенки отверстия. В свою очередь в 3D-печати отсутствует необходимость в КП
для переходного напечатанного отверстия, поскольку отверстие формируется одновременно с проводником. Таким образом, для некоторых отверстий нормы для КП и гарантийного пояска могут быть упразднены или значительно уменьшены.
Следует также помнить, что проблемы топологической точности будут актуальны и для 3D-печати (например, КП, из которых будет сформировано напечатанное отверстие, должны быть совмещены), особенно в случае
внутреннего монтажа компонентов.
Полигоны
Сетчатые полигоны используются в основном для балансирования по плотности меди относительно воображаемого центра симметрии, необходимого для предотвращения коробления и равномерного распределения полимерного связующего многослойных ПП при прессовании [47], а также они улучшают адгезию защитной паяльной маски [48]. Сплошные (залитые) полигоны могут быть применены в качестве шины питания или «земли».
Для 3D-печати целесообразно применение сплошных проводящих полигонов в качестве шины «земли» и питания, а сетчатых — для
увеличения теплоотвода ПП.
Возможные потребители
В настоящее время 3D-печать уже может использоваться несколькими категориями организаций. Рассмотрим некоторые преимущества технологии, которые в большей степени могут быть полезны организациям.
Образовательным учреждениям, готовящим высококвалифицированных конструторов и технологов печатных плат, внедрение 3D-печати позволит давать больше практического опыта студентам при разработке ПП из-за
быстрой возможности получения информации о допущенных ошибках. При этом не придется выделять специальное помещение большой площади с определенными климатическими условиями и требованиями безопасности.
Предприятиям, занимающимся выпуском ПП 1‑го и 2‑го классов применения малыми партиями и/или классом точности 3 и ниже, технология предлагает короткий производственный цикл, низкий расход материалов и минимальные затраты времени на переналадку.
Предприятиям, выполняющим опытно-конструкторские и исследовательские работы, внедрение 3D-печати позволит сократить
сроки разработки новых изделий и обеспечит конфиденциальность принятых конструкторских и технологических решений.
Для крупных конгломератов или организаций, ориентированных на выпуск изделий специального назначения, возможность применения должна быть проверена подразделением, занимающимся разработкой и внедрением новых технологий.
Заключение
Уже сейчас изготовленные демонстраторы технологии показывают жизнеспособность 3D-печати для создания различных изделий
электроники. Однако проведенным исследованиям не хватает комплексности. В связи с этим осложняется внедрение трехмерной печати на промышленных предприятиях. Тем не менее на сегодня зарубежные коммерческие 3D-принтеры позволяют изготавливать ПП до 5‑го класса точности — типового класса точности для большинства российских предприятий.
Предполагается, что дальнейшее развитие 3D-печати в России будет сопряжено с проведением ряда научно-исследовательских и опытно-технологических работ, положительный результат которых найдет отражение в разработанной по их результатам нормативной документации.
Литература
1. ПНС‑2021. Программа национальной стандартизации на 2021 год, утверждена приказом Росстандарта от 27.10.2020 № 1775.
2. Cai F. Aerosol jet printing for 3‑D multilayer passive microwave circuitry. 44th European Microwave Conference, 2014.
3. Брошюра 3D-принтера Aerosol Jet HD2. www.optomec.com/aj-hd2/
4. Meier H. et al. Inkjet printed, conductive, 25 μm wide silver tracks on unstructured polyimide // Physica Status Solidi Applications and Materials
Science. 2009. Vol. 206. Iss. 7.
5. Воруничев Д. С., Воруничева К. Ю. Текущие возможности технологии прототипирования многослойных печатных плат на 3D-принтере // Российский технологический журнал. 2021. № 9 (4).
6. Chen R., Gruebele A., Liu C. Low-Cost and robust printing of resistance thermometer sensors using the Voltera. ENGR 241 Project Report. Stanford University.
7. Брошюра 3D-принтера Voltera V‑One. www.voltera.io/store/v‑one
8. Nelson M. D., Ramkumar N., Gale B. K. Flexible, transparent, sub‑100 µm microfluidic channels with fused deposition modeling 3D-printed
thermoplastic polyurethane // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2019. Vol. 29. Iss. 9.
9. Seifert T. et al. Additive manufacturing technologies compared: morphology of deposits of silver ink using Inkjet and Aerosol Jet Printing // Industrial & Engineering chemistry research. 2015. Vol. 54.
10. FR3081753B1. Systeme de depot matiere et procede associe. 2020. www.patents. google.com/patent/FR3081753B1/en?oq=FR+3081753
11. Digital material Deposition. Selective Patterns & Material Structuration for printed electronics. KELENN technology, 2021.
12. Ota H. et al. Application of 3D Printing for smart objects with embedded electronic sensors and systems // Advanced Materials Technologies. 2016. Vol. 1.
13. Reboun J. et al. Bending endurance of printed conductive patterns on flexible substrates. 39th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE). 2016.
14. Valentine A. D. et al. Hybrid 3D Printing of soft electronics // Advanced Materials. 2017. Vol. 29. Iss. 40.
15. Renn M. J. et al. Localized laser sintering of metal nanoparticle inks printed with aerosol jettechnology for flexible electronics // Journal of Microelectronics and Electronic Packaging. 2017. No. 14.
16. Walpuski B., Sloma M. Accelerated Testing and Reliability of FDM-Based Structural Electronics // Applied sciences. 2022. No. 12.
17. Diao J. et al. Flexible supercapacitor basedon Inkjet-printed graphene @ polyaniline nanocomposites with ultrahigh capacitance. Macromolecular.
Materials and Engineering. 2018.
18. Torrisi F. et al. Inkjet-printed graphene electronics // ACS Nano. 2012. Vol. 6. Iss. 4.
19. Aga R. S., Jr. Lombardi III J. P., Bartsch C. M. Performance of a Printed Photodetector on a Paper Substrate // IEEE Photonics Technology
Letters. 2014. Vol. 26. No. 3.
20. Важнейшие результаты завершенных фундаментальных исследований в 2014 г. www.solid.nsc.ru/science/results/2014/
21. Titkov A. I. et al. Conductive inks for Inkjet Printing based on composition of nanoparticles and organic silver salt // Inorganic Materials: Applied Research. 2015. Vol. 6. No. 4.
22. Ткачев С. В. Дисперсии наночастиц в водно-органических растворителях как основа серебряных наночернил для 2D-печати //
Наносистемы. 2016. Т. 8. № 2.
23. Корнилов Д. Ю. Принтерные технологии в электронике. Материалы и устройства для печати // Наносистемы. 2017. Т. 9. № 2.
24. Efimov A. et al. Aerosol jet printing of silver lines with a high aspect ratio on a heated silicon substrate // Materials. 2020. Vol. 13.
25. Gieser H. A. et al. Rapid prototyping of Electronic Modules Combining Aerosol Printing and Ink Jet Printing. 3rd Electronics system integration
technology conference ESTC, 2010.
26. Perelaer J. et al. One-step inkjet printing of conductive silver tracks on polymer substrates // Nanotechnology. 2009. No. 20.
27. Smith P. J. et al. Direct ink-jet printing and low temperature conversion of conductive silver patterns // Journal of Materials Science. 2006. No. 41.
28. Hong C. M., Wagner S. Jet printing of copper lines at 200 °C maximum process temperature // Materials research society symposium proceeding. 2000. No. 558.
29. Roberson D. A. et al. Microstructural and process characterization of conductive traces printed from Ag particulate inks // Materials. 2011. No. 4.
30. Zhou W. Fabrication of conductive paths on a fused deposition modeling substrate using inkjet deposition // Rapid Prototyping Journal. 2016. Vol. 22. Iss. 1.
31. Flowers P. F. 3D printing electronic components and circuits with conductive thermoplastic filament // Additive Manufacturing. 2017. No. 18.
32. Пахнин А. Формирование структуры сложных многослойных печатных плат // Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. 2011. № 2.
33. Боброва Ю. С., Мануков Д. А. 3D-печать в производстве печатных плат // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2019. № 7.
34. Prater T. et al. 3D Printing in Zero G Technology Demonstration Mission: complete experimental results and summary of related material modeling efforts // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.
2019. Vol. 101.
35. Prater T. et al. Analysis of specimens from phase I of the 3D Printing in Zero G Technology Demonstration Mission // Rapid Prototyping Journal. 2017. Vol. 23(6).
36. Prater T. J. et al. Summary report on phase I results from the 3D Printing in Zero-G Technology Demonstration Mission // Marshall Space Flight Center. 2016. Vol. 1.
37. Prater T. et al. NASA’s In-Space Manufacturing initiative: initial results from International Space Station Technology Demonstration and Future Plans. NASA Technical Report Server. 2016. www.ntrs.nasa.gov/citations/20160009726
38. Prate T., Werkheiser N., Ledbetter F. Summary report on phase I and phase II results from the 3D Printing in Zero-G Technology Demonstration Mission // Huntsville: Marshall Space Flight Center. 2018. Vol. II.
39. Prater T. J. et al. A ground-based study on extruder standoff distance for the 3D Printing in Zero Gravity Technology Demonstration Mission. Huntsville: Marshall Space Flight Center, 2017.
40. Snyder M. P., Dunn J. J., Gonzalez E. G. Effects of Microgravity on Extrusion based Additive Manufacturing. AIAA SPACE 2013 Conference and Exposition. San Diego, 10–12 september, 2013.
41. Li W., Lan D., Wang Y. Exploration of Direct-Ink-Write 3D Printing in Space: Droplet Dynamics and Patterns Formation in Microgravity // Microgravity
Science and Technology. 2020. Vol. 32.
42. Целостность сигналов на печатной плате и волновое сопротивление проводников. Учет ЭМС при разработке высокочастотных печатных плат. www.interweber.ru/tablets/celostnost-signalov-na-pechatnoiplate-i‑volnovoe-soprotivlenie-provodnikovuchet-ems-pri-razrabotke.html
43. Картер Б. Техника разводки печатных плат //Chip News. 2004. № 7.
44. Зырин И. Трассировка под произвольными углами с огибанием препятствий дугами — Snake routing // Технологии в электронной
промышленности. 2020. № 5.
45. Working with rivets. www.support.voltera.
io/working-with-rivets 46. Favorit Through Hole Rivets. www.vpcinc.
com/Category/Favorit-Through-Hole-Rivets‑104.cfm
47. Медведев А., Мылов Г. Печатные платы. Причины коробления // Технологии в электронной промышленности. 2012. № 2.
48. Крылов В. П. Технологии и подготовка производства печатных плат. Учебн. пос. Владимир, Изд-во Владим. гос. ун-та, 2006.
Авторы:
Ольга Смирнова olga.smirnova.nik@gmail.com
Юлия Боброва ju.s.bobrova@bmstu.ru
Константин Моисеев k.moiseev@bmstu.ru
Статья опубликована в журнале Технологии в электронной промышленности, № 4’2022
По теме:
Анализ методов 3D-печати для изготовления печатных плат: Многофазное экструзионное отверждение (MJS)
Анализ методов 3D-печати для изготовления печатных плат: Многофункциональное нанесение (MFAM)
Струйное нанесение наночастиц (NJP)
Анализ методов 3D-печати для изготовления печатных плат: Послойное ламинирование материала (LOM)
Анализ методов 3D-печати для изготовления печатных плат:метод капельного нанесения материала.
