PCB向来被称作“电子工业之母”，在整个电子产品体系中发挥了承载与连接的作用，小到芯片模块，大到电源模组，都承载在PCB上实现互联互通，PCB的重要程度可见一斑。传统的PCB生产采用蚀刻+积层制作法，加工流程步数长，诸如多阶HDI（High Density Interconnection）等高难度板，生产时长与产出良率更是许多制造工厂的瓶颈。在这种背景下，同样是以积层法凭借电脑建模、快速成型而时兴的3D打印技术，是否可以对PCB传统生产模式进行一次变革呢？

2020年5月19日，德国慕尼黑和佛罗里达州博卡拉顿（GLOBE NEWSWIRE），传感器解决方案供应商HENSOLDT与3D打印电子（AME）/印刷电子（PE）供应商Nano Dimension合作，利用Nano Dimension公司新开发的介电聚合物油墨和导电油墨，HENSOLDT公司成功地组装出了世界上第一块10层3D打印PCB，电路板的两面都焊接了高性能的电子结构。

一石激起千层浪，行业相关的群体，便自然绕不过对这个问题的思考：3D打印是否会颠覆PCB传统生产模式？

 什么是PCB以及PCB传统生产流程

1. 什么是PCB

PCB 全称Printed Circuit Board，也有叫法称为PWB（Printed Wiring Board），即印刷线路板，是电子工业的重要部件之一。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机、通信电子设备、军用武器系统，只要有集成电路等电子元件，为了使各个元件之间的电气互连，都要使用PCB。换句话说，可以将PCB抽象地比喻成高级电线，电子系统中所有元器件连接在一起，从而实现整个系统的互联互通；在结构上，常规PCB主要由覆铜板（CCL）、半固化片（Prepreg）压合而成，成型后先在其外层涂上阻焊（solder mask），使非连接线路间可以绝缘以及防止焊接时粘锡膏，再对需要焊接部分的线路区域进行表面处理（Surface finish），避免PCB表面氧化的同时为焊接元器件提供焊接基底。

PCB各层内设计的线路为其提供同一水平层的横向连接，再通过层间的钻孔（Drilling），为其提供层与层之间的纵向连接，从而实现横纵的互联互通。

自20世纪30年代奥地利人研发出第一款PCB以来，PCB的结构基本每隔十年便出现一次大的进度，且迭代周期在缩短，设计难度更高、应用场景更为广泛，发挥的作用也早已不局限于简单的电性能连接。

2. PCB传统生产流程步骤

如下是一个PCB四层板的基本加工流程步，根据加工工艺不同，总流程数在23~25步之间，而双面板的流程步，则是去除如下虚线框的流程，大致在17步左右。

 目前主要下游市场及需求类型与规模

1. 目前主要下游市场

经过将近一个世纪的发展，PCB以及渗透到电子行业的各个领域中，甚至可以说，需要电路连接的器件，便少不了PCB的身影，且在现有的技术背景下，尽管不同行业对PCB需求的峰值期层次不齐，但整体而言，PCB总需求是波动向上的。

2. 各细分行业所需PCB类型及历年需求规模

目前PCB需求来源的主体是计算机、通讯、消费电子、汽车和封测几大领域，参考近几年的行业发展动态，计算机需求整体保持稳定，通讯相关的PCB需求在5G建设完成后，也将回归到相对稳定的增长，相较而言，消费电子、汽车以及封测，以及因5G基础设施完善带来的物联网产品，或将成为未来几年市场增长来源。

其中消费电子用PCB将采用更为细密的布线以及多阶HDI、刚挠设计，汽车产品突出的新能源、ADAS方向，在PCB设计上主要以厚铜和特殊材料+普通FR4混压一阶HDI设计为主，传统车身电子的PCB则将继续延续2~6层的普通设计；封测的PCB或将朝着更小BGA pitch、更高层数、板厚相对控制更为严格的方向发展；而对于物联网产品用PCB，自然是沿着更高频高速、小型化的变革路线。

归纳下来，以上涉及到的PCB产品，突出四大特点：多种材料混压、细密线路、深微孔、小型化。

面对需求庞大且不断增长的市场，现今PCB的生产依旧主要依靠经验丰富的工程师和操作工，而且PCB生产流程过长，在保证良率的情况下，如何降低时间成本和经济成本，成了许多PCB大厂头疼的问题，目前全球范围内已经先后有PCB大厂开启了智能化改造，往数字生产转型。

数字生产的核心是基于合理的产线布局，通过智能程序而非操作工人，控制产线的启停与运转，在设计合理的情况下，可以大幅提升生产效率，解放部分人力操作工。

该模式的数字工厂，旨在提高生产效率和降低生产成本，两个目的在某种程度上都实现了，然而数字工厂依旧离不开冗长的产线，加工工艺也依旧是原来的一套，这对于机器的维护以及发生故障后问题的排查，还是会带来不少的麻烦。

3D打印令人心潮澎湃之处在于其对整个PCB生产产业的颠覆可能性，厂房内不再是冗长的产线，取而代之的是一台台相对独立的3D打印机，整个生产模式为之一变。

 3D打印的现有技术能力

3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

自1986年，美国科学家Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机以来，3D打印技术不断发展，根据其使用打印原材的不同，衍生出了多种打印技术，进一步扩宽了3D打印的边界。

按照上表列出的要素，那么我们简单罗列一下，当尝试打印一块PCB时，会遇到的问题是什么呢？首先便是材料的选用，PCB用材可以简单的分为介质和导体两大类，介质指的是PCB中的非导体，如树脂、玻璃纤维等，导体则主要是铜，因此尝试用3D打印机打印PCB之前，首先便是需要准备好合适的介质与导体，在这里需要说明一下，传统PCB制作选用的原料，主要是因为其物理特性能满足性能与加工的要求，实际可用材料，并不局限与以上列举的三种。当下常见的3D打印中，主要以物理模型为主，单次打印涉及的材料往往是同一种，而在PCB打印中，则至少需要两种材料：介质材料和导电材料。这便需要3D打印机拥有至少两个材料处理装置。

其次，3D打印设备的成像精度，尤其是随着PCB布线愈发细密的趋势下，如何实现高精度的成像，并精准地3D打印出建立的模型，也是对现阶段设备的一个挑战。3D打印10层PCB的成功，说明3D打印高层PCB，在技术操作层面是可行的，尤其是对于当下普通低层PCB的需求，3D打印的下一步大概就是向低成本和批量化生产的方向发展，而3D打印PCB迈向更为精密复杂的领域，也只不过是时间的问题。

目前业内领先的3D打印公司Nano Dimension，已开始面向市场，提供3D打印PCB服务，在普通PCB样品生产的时效、成本和设计上，都不输于传统PCB厂商。

Nano Dimension的服务宣传页

 小结

回望PCB近百年的发展史，从最初的单面PCB样品，再到高多层PCB量产，技术的革新的时间间隔在不断缩短，现有的3D打印技术理论上已经具备了生产多层PCB的能力，而且PCB从业者不得不承认的一点是，普通多层PCB仍旧是当下许多传统行业采用最广的PCB设计，那么在未来的五至十年里，这部分市场是否会被拥有稳定3D打印技术的厂商蚕食？倘若再把时间轴调成二十年，高端PCB市场的PCB厂商，又是否守得住阵地？毕竟技术的更迭，往往一条指数增长曲线。那么，传统PCB厂就不得不认真去思考这个问题：该如何去应对这一场可能颠覆行业的变革？

参考资料：

1.中国电子电路行业协会 (cpca.org.cn)

2.WHO WE ARE | prismark-partners

3. https://www.nano-di.com/

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从价值创造的角度来看待范式转移的潜力和技术发展前景，本期，3D科学谷与谷友来一起领略悄悄掀起了范式转移一角的PCB线路板的3D打印。

©Voltera

掀起范式转移一角

如今，PCB仍采用传统的减材工艺制造，通常PCB的整个表面都镀有铜，不需要铜的区域则从板上蚀刻掉。这就像将一块木头的很多材料去除掉以得到所需的形状和结构，在此过程中有很多浪费。

3D打印-增材制造与减材的方式刚好相反，可以根据需要构建材料，不是先蚀刻掉FR4基板上的铜，而是从薄的FR4基板开始，然后用导电墨水添加铜迹线。这带来了材料的节约，3D打印-增材制造可以减少多达90％的材料成本和浪费，并释放了设计和创新的自由。而在3D科学谷看来，正是这种特点，使得3D打印PCB具备了范式转移的潜能。

 节约材料、更环保

根据Autodesk-欧特克，采用增材制造工艺制造的电路板可提供：

- 更高的板密度，走线分布在较小的区域。

- 一致的走线定义和走线宽度可以改善信号完整性。

- 更薄，更灵活的电路非常适合可穿戴应用。

- 电气和机械性能更加一致。

- 具有柔性/刚性电路和变化的走线厚度的电子产品具有更好的质量控制。

电子产品有两种增材制造解决方案-3D打印和2D打印。在3D打印中，电路板是使用各种导电墨水，凝胶和以纳米颗粒水平制造的基材逐层从头开始打印的。

根据3D科学谷发布的《3D打印与电子产品白皮书》，电子方面的打印机包括喷墨技术，材料挤出技术以及Aerosol Jet技术等。

 硬件与软件共发展

PCB的3D打印仍然是非常新的，主要是由于材料复杂性和挤出要求。

l Nano Dimension

根据3D科学谷的了解，2019年DragonFly Pro 3D打印系统已经制造出世界上第一个通过3D打印的PCB侧装技术。DragonFly的精密增材制造系统能够在PCB的顶部，底部和侧面3D打印和焊接元件。这种制造能力为PCB增加了宝贵的空间，从本质上讲，这意味着设计工程师可以通过在电路板侧面安装时添加元件来增加电路板的功能，而不会增加PCB本身的尺寸。

DragonFly LDM 打印技术是Nano Dimension 于2019年7月24日推出的突破性系统。DragonFly LDM凭借屡获殊荣的DragonFly Pro系统的功能，采用了最新的专有专有技术，可实现24/7全天候不间断3D打印。改进之处包括新的高级打印头软件管理算法以及每几个小时自动清洁打印头的功能。

l Voltera

根据3D科学谷的了解，另一方面在增材制造领域，还有2D喷墨式打印。这些机器使用的打印头可在平坦的水平基板上打印导电迹线。

Voltera是2D PCB打印领域的领导者之一，该公司生产V-One PCB打印机。该打印机可以生产双面PCB原型，分配焊膏，甚至可以用作组件组装的回流焊炉。

©Voltera

V-One中使用的墨水是90％的银，即使在高达5 GHz的频率下，也非常适合数字和低功率应用。Voltera软件允许从Autodesk Fusion 360的EAGLE导入现有的CAM文件。将设计加载到软件中后，只需确定板上的2个功能部件进行对齐即可完成工作。

l Autodesk Fusion 360

需要注意的是这些桌面型PCB 3D打印机需要与设计实现无缝衔接。

Autodesk Fusion 360的Eagle软件是一款强大实用的PCB印刷电路板设计软件，软件包含了原理图编辑器、PCB编辑器和自动布线器等模块。

更多关于电子结构件的3D打印，请参考3D科学谷的《3D打印与电子产品白皮书 1.0》

l AMPOWER与3D科学谷正在合作面向全球欧洲、美洲、亚洲市场发布的2020年全球增材制造研发市场报告，欢迎中国企业积极参于有关3D打印领域设备、软件、材料的研发市场调查，敬请扫码参与调研。

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现在英国拉夫堡大学被授予390万英镑用于开发高频通信用的柔性线路板。资金来源于英国工程和物理科学研究理事会（EPSRC），资金主要用于SYMETA（Synthesizing 3D Metamaterials）合成3D超材料，用于创造全新的、更加生态的方式来制造可用于射频、微波和太赫兹波的高频电路，是一种突破性的低成本制作电子器件的方法，从研究中将受益的行业包括航空、航天、医疗和军事等。

超材料是工程复合材料，具有一定的电磁特性且通常不会在自然界中发现，超材料也将消除对传统的电路板的制造中通常使用的苛刻的化学品的需要，从而提高环境效益。SYMETA项目团队将尝试将各种颗粒材料，包括金属、聚合物、陶瓷等，与3D打印技术结合起来。这些材料将与金属导电物被3D打印复合成各种形状的对象，而这些对象具备导电线路的功能。

SYMETA项目团队得到的这390万英镑只是EPSRC准备投向旨在解决重大工程和科学问题研究项目的2100万英镑资金的一部分。EPSRC旨在支持英国成为欧洲最具创新能力的地方，英国相信2100万英镑投资将会把英国的研究人员汇集起来解决所面临的最紧迫的工程领域的挑战。

3D打印柔性线路板不仅是EPSRC高度重视。先前，2015年8月美国空军和美国化学学会公布的使用3D打印技术开发出小型紧凑的、功能强大的柔性电路板技术就引起多方重视。并且America Makes制定的美国增材制造技术路线图也将3D打印柔性线路板列为重点领域。