據(jù)麥姆斯咨詢介紹，3D電子技術是一種將電子元器件集成于目標對象表面或內部的新興方法。盡管長期以來該技術一直被用于向3D塑料注塑體表面添加天線和簡單的導電互連功能，但是利用新的技術可將越來越復雜的電路集成到由多種材料制成的物體表面或內部。此外，模內電子（IME）和3D打印電子設備可將完整的電路集成到一個對象中，從而提供多種生產(chǎn)和應用優(yōu)勢，例如簡化制造和新穎外形等。利用3D電子技術，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，然后再將相關的開關、傳感器、電源和其它外部組件連接起來。

本報告對3D電子技術進行詳細的闡述，相關信息主要來源于IDTechEx與各個領域的主要公司實施的訪談活動。針對不同的應用，每種3D電子技術需要進行優(yōu)缺點的權衡，本報告通過大量的案例研究，表明了在汽車、消費電子設備和醫(yī)療設備領域應該采用的制造技術。此外，通過對3D電子技術及其要求的詳細分析，我們明確了相關材料和制造方法的創(chuàng)新機會。本報告分析的所有3D電子技術都表達在下圖中，該路線圖顯示了它們從概念到商業(yè)化的進程。

各種3D電子技術發(fā)展成熟度路線圖

各種3D電子方法的金屬化技術、材料和主要應用

直接應用于3D表面的電子技術

在3D對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算機按照導電圖形的軌跡控制激光的運動，將激光投照到模塑成型的三維塑料器件上，在幾秒鐘的時間內，活化出電路圖案。激光直接成型技術大約在十年前有了巨大的發(fā)展，為生產(chǎn)智能手機天線提供了高柔性，給產(chǎn)品三維立體設計提供了極大靈活性。

激光直接成型最常見的應用領域是無線天線和載流電路。利用激光直接成型技術，可以將手機天線集成到手機內部的一個功能性塑料元件上，從而消除了對單獨金屬天線的需求。在集成手機天線應用中，激光直接成型的好處發(fā)揮得淋漓盡致：既實現(xiàn)了部件整合和產(chǎn)品小型化，又減少了部件組裝工作，這對于大批量生產(chǎn)和降低手機成本至關重要。此外，激光直接成型技術還很容易與快速成型相結合，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將高頻機電功能集成于一個元件，為客戶的應用系統(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，激光成型可實現(xiàn)3D設計/布線功能。激光直接成型技術還能夠提高天線性能，因為天線可以放置在設計中具有更多空間的位置來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標準單射模塑工藝對天線進行模塑成型；其次，所需的圖案直接通過3D激光系統(tǒng)在天線上成型；最后，使用行業(yè)標準方法對該圖案進行電鍍，此過程的電鍍僅附著到已通過激光激活的塑料區(qū)域，從而產(chǎn)生可導電的圖案。

使用激光直接成型技術生產(chǎn)的3D天線元件（來源：泰科電子）

盡管激光直接成型技術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，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)送到其它地方進行電鍍，因此有暴露知識產(chǎn)權（IP）的風險。激光直接成型技術在批量生產(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雜性。

鑒于上述限制，將導電跡線（Conductive Traces）應用于3D對象表面的其它制造方法正在興起與普及。例如，導電性糊劑（一種包含導電性粉末的粘性懸浮液）及導電圖形的制造方法已經(jīng)用于小部分天線領域，并且是將整個電路沉積到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，其中將相對較低粘度（通常為導電性油墨）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明顯的優(yōu)點：（1）分辨率高達10微米，（2）噴嘴可以放置在距表面幾毫米的位置，從而有助于對具有復雜表面幾何形狀的3D表面進行構圖。缺點是復雜的霧化和輸送過程的成本，以及對不同油墨重新優(yōu)化工藝的要求。

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

模內電子和功能性嵌片注塑工藝

模內電子（IME）是傳統(tǒng)模內注塑裝飾（IMD）技術與柔性印制電路的結合，可制得帶有不同復雜程度嵌入式電路的3D形狀。這是全球新興的3D結構電子浪潮的一部分，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。模內電子工藝將電氣功能通過印刷和表面貼裝集成于柔性薄膜上制備功能化薄膜，再通過模內覆膜工藝制成產(chǎn)品。

模內電子制造工藝

模內電子產(chǎn)品既具有模內裝飾工藝的美觀與環(huán)保，又一體成型實現(xiàn)了功能與結構裝飾的無縫結合，因此被廣泛應用于汽車、飛機及家電等領域。在汽車智能座艙大趨勢下，模內電子可以帶來更美觀、多功能的全新人機交互界面（HMI），因此成為汽車內飾界的熱點。

雖然模內電子的優(yōu)點很多，包括：輕巧、節(jié)省空間、堅固耐用、上市更快以及高通量處理能力。但是，該技術并非沒有缺點，例如：形狀限制、良率、軟件不成熟、環(huán)境穩(wěn)定性以及后處理問題等。本報告詳細介紹并分析了這些優(yōu)點和障礙，并提供了材料領域針對功能墨水、基板以及粘合劑的未來解決方案。

全3D打印電子技術

3D打印和印刷電子是兩個典型的增材制造技術案例，而全3D打印電子技術是將二維印刷電子器件與3D打印技術相結合，基于逐層沉積的材料制造3D電子產(chǎn)品。該項技術擴大了多功能增材制造工藝的影響，包括通過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打印電子技術的核心價值主張是，可以將每個對象和嵌入式電路按照不同的設計進行制造，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)是其制造過程比注塑成型要慢得多，因為每一層都需要順序沉積。雖然可以使用多個噴嘴來加快3D打印過程，但速度仍是“軟肋”，其最明顯的優(yōu)勢還是在于可定制性化。另外，確保產(chǎn)品可靠性也是一項挑戰(zhàn)，因為使用嵌入式電子產(chǎn)品無法進行事后維修——一種策略是使用圖像分析方法檢查制造過程中的每一層并在下一層沉積之前進行任何電路修補。

綜合分析和市場預測

本報告詳細討論了3D電子產(chǎn)品的各種制造方法，評估了不同技術的優(yōu)劣勢，以及潛在的應用領域。報告根據(jù)對不同技術的主要參與者的采訪和交流，形成了有價值的觀點。我們還將針對每項技術和應用領域進行10年的市場預測和應用分析。其中，消費電子天線的激光直接成型市場會逐漸下降，而氣溶膠噴射市場會逐步增長，尤其是在汽車應用中。我們預計模內電子市場增長最快，因為模內電子將在汽車內飾和白色家電控制面板中獲得廣泛采用。

3D電子技術分類

各種3D電子技術的市場規(guī)模預測