电子增材制造:全球产业链重构变局中的新机遇

以下内容来源于梦之墨

近年来,受逆全球化、贸易保护主义抬头、新冠疫情等多重因素的叠加影响,全球产业链供应链安全稳定运行受到重大冲击,突发的俄乌冲突更是使已受重挫的全球产业链供应链遭遇新的打击。

过去,全球化背景下形成的各国高度相互依赖的产业链供应链暴露出其脆弱性,“断链”与“脱钩”风险持续攀升。发达国家纷纷开始重新审视制造业外包等“去工业化”政策,采取多种措施重振本土制造业、促进制造业回流。增材制造技术已成为多国政府共同认可地提升工业制造能力和解决供应链问题的关键途径。

从数据看,增材制造市场规模近些年一直呈现规模增长趋势,但主要集中于结构件的制造。而在电子增材制造领域,实现产业化应用的企业寥寥无几。作为工业经济增长重要支柱的电子制造业,具有周期长、链条长、分工细且复杂等特点,在当前时局下更易受影响,易断易掉。

如何在黑天鹅事件不断爆发的动荡时局中生存发展是亟待解决的问题,而大力发展电子增材制造将是当前时局下的一个关键突破口。

block 本文的核心观点

  1. 新形势下,逆全球化趋势对制造业提出了向“网”式、“去中心化”方向发展的需求。增材制造可提供个性化、本地化、轻量化的解决方案,正在成为“智能制造”时代可有效保障供应链弹性和安全性的关键技术和生产方式。
  2. 在全球严把“双碳”目标、俄乌冲突导致能源价格大幅上涨的背景下,制造业如何进一步“节能”、“减排”变得更为紧迫。高耗能高污染的电子制造产业只有通过全面的技术升级才能突破阻力,如今看来在电子制造业中引入增材制造模式将是解决该问题的有效途径。
  3. 纵观全球电子产业链迁移史,无不是技术与成本的角力。作为高端制造技术,电子增材制造在提升产业附加值的同时还兼顾了效率、成本、环保等重要优势,把握当前时机实现产业化将是占据供应链主导地位的关键。

电子增材制造模式可有效,保障供应链安全性和弹性

2018年以来,伴随着贸易保护主义抬头、中美贸易摩擦、新冠肺炎疫情、俄乌冲突等多因素影响,全球化背景下形成的各国高度相互依赖的产业链供应链暴露出其脆弱性,全球产业链供应链“断链”与“脱钩”风险持续攀升。

过去全球产业链供应链配置的内在的逻辑是效率优先,如今主要经济体纷纷出台政策措施加强对产业链供应链的“国家干预”,保障产业链供应链安全成为关系国家长远发展的战略考虑。

全球产业链供应链逐渐向某区域内或一国及周边地区收缩和集聚,呈现区域化、本土化趋势发展,去中心化的本地生产成为未来重要的生产方式。而增材制造技术已成为多国政府共同认可的可有效解决供应链问题的关键途径。

将增材制造理念引入电子制造领域。增材制造是快速成型技术的一种,通过材料逐步堆积累加的方法实现生产,是近些年在高速发展的新兴技术,属于高端制造行业。但目前市场中多以结构型增材制造为主,专注于电子增材制造产业的企业寥寥无几。事实上,电子制造由于其周期长、链条长、分工细且复杂等特点,在当前时局下更易受影响,易断易掉。

作为信息时代的核心组成部分,保障电子制造产业供应链的安全性和弹性已成为各国重点关注的问题之一。

将增材制造引入电子制造领域,即运用优化的图形印刷作为增材制造工艺,使功能性导电材料在衬底上一次成形,无需后续减材制程。相较于传统的电子制造方法如蚀刻法等后期去除材料的方式,增材制造生产工艺简化、生产设备及所需材料大幅减少且生产过程近于零污染排放,具有轻量化、灵活化、绿色环保等天然优势,可快速实现去中心化的本地生产模式。

相比之下,传统的电子制造模式工序繁琐、大型设备较多,因而生产场地建设周期长、人工需求量大及动辄几亿、几十亿的资金投入,需要较长时间才能具备本土承接能力。

以2022年某重大FPC产业项目为例,基于传统制造工艺建设高精密柔性电路板生产线3条,总投资约15亿人民币,厂房面积10万平方米,购置RTR压膜机、曝光机、钻孔机、激光切割机等设备400多台(套) ,年产能1000万㎡。

而在相同产能建设标准下,电子增材制造无论从资金投入还是占地面积上看都可降低近一个数量级,可以采用“厂边厂”乃至“厂中厂”的配套模式实现全球式快速布局,形成区域内、短链式的生产和服务,是有效保障供应链弹性和安全性的快速解决方案。

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  低耗低排的绿色制造模式,是电子制造产业发展的必然

近年来,在全球应对气候变化形势的推动下,越来越多的国家政府正在将碳减排行动转化为国家战略,”低能耗,低排放,低污染”的低碳经济已然成为世界各国未来经济发展的共同选择。

电子制造作为工业生产中的重要一环,属于高耗能、高排放、高污染产业,如果不采取节能减排的技术改造措施,将很难满足未来发展的要求。

一方面,能源的短缺导致生产的“限电限产”,而突发的俄乌冲突引发全球能源价格的飙升为高能耗产业带来更大压力,高耗能行业绿色升级需求下的工业技改势在必行。

相比于传统电子制造工艺,电子增材制造模式可有效降低能源消耗,满足低碳排放需求。基于电子增材制造的生产方式是通过直接印刷/打印的工艺,将电路直接集成到基底表面。生产过程大大简化、使用设备耗能低、原材料利用率高,可有效节省近90%的材料浪费,降低碳排放60%以上。

以双面线路板为例,经过测算,传统蚀刻法生产每平米等效二氧化碳排放约为144kg,而液态金属印刷的等效排放仅为63kg,每百万平米产能可减少二氧化碳排放8.1万吨,也相当于节省了3.24万吨煤和3.24万吨净水。

另一方面,伴随着电子制造过程中化学品的大量使用及污染物的排放,电子工业对环境的影响已经使各国不得不对专门制定环保要求的法律、法规,电子工业进入了诸多环保要求限定的环境壁垒时代,电子制造技术亟待全面实现绿色转型。

生产印刷电路板涉及许多化学品消耗密集型的工艺,PCB的生产过程中含有许多重金属,包括铜、镍和铅等,并随着废水排放出去。同时还会排出大量的废气,其中主要污染物为苯、甲苯、二甲苯丁酮、乙酸乙酯等有机废气,这也是PM2.5的来源之一,这些污染物通过大量释放到环境中,对环境和公众健康造成威胁。

water map2013年江苏太湖流域附近蔚蓝地图数据库显示的水质截屏图

(来源:IPE 的水质监测地图 。红圈、棕色圈和黑圈表示水质差到“不适合人体接触”。罗马数字表示基于中国国家政府统计的水质分类。)

相比于传统的电子制造模式,电子增材制造工艺制程大幅简化、生产过程无废水废料排放过程,使用的导电材料如液态金属无毒无害,可完全满足工业生产低能耗、低排放标准,满足未来长远发展要求。

Electric vs traditional

 把握全球电子产业链迁移,新时机布局电子增材制造

随着技术的发展、分工的深化,全球电子产业链在不断迁移,逐渐形成价值链分工局势。而纵观电子产业迁移史,无不是技术及成本共同作用的结果。过去十几年间,中国因其人工及资源红利在全球电子产业中的地位不断提升,生产制造规模达世界第一,但整体还处于产业链附加值低的后半段。

随着新一轮以电子信息产业为核心的全球科技革命和产业变革的掀起,电子产业链的再一次重构已经开始,产业链呈现外迁态势。

总体来看,我国电子制造业正面临着发达国家“高端回流”和发展中国家“中低端分流”的双向挤压。一方面,高端制造领域出现向发达国家“逆转移”的态势,制造业重新成为全球经济竞争的制高点,各国纷纷制定以重振制造业为核心的再工业化战略。

另一方面,越南、印度等一些东南亚国家依靠资源、劳动力等优势,也开始在中低端制造业上发力,以更低的成本承接劳动密集型制造业的转移。

电子制造领域在进一步控制成本的同时还需要主动进行技术升级和转型、聚焦高附加值的产业链环节,匹配新的产业发展需求。作为高端制造技术的电子增材制造工艺可以实现大面积、高产速、低成本的批量化生产,其产品还具有柔性、大面积功能化分布等诸多优势,高度契合电子产业发展趋势,这将开拓传统电子制造手段无法企及的潜在应用市场。

product map

电子增材制造技术满足新兴产业的发展需求。电子行业是典型的技术驱动型行业,随着电子产品向着小型化、轻便化、柔性化方向发展,对电子功能组件、连接件等结构的紧凑性、集成度要求越来越高,传统刚性电子电路部件已无法完全满足新的产业发展需求,柔性电子技术成为电子技术领域的研究热点。

在平面柔性电子应用方向,采用电子增材制造技术可实现电子线路在柔性基材、超薄基材乃至可拉伸基材上的直接打印/印刷,从而实现超柔性、耐弯折以及弹性电路产品,如FPC功能件/连接件、透明显示屏、柔性传感器等。满足产品柔性化功能要求的同时,还可以结合卷对卷生产实现大面积、高产速的批量化生产。

FPCFPC柔性电路及卷对卷批量化生产模式

此外,在三维结构电路应用方向,电子增材制造技术也独具优势。通过采用转印方式,实现将复杂功能电路直接印制于电子组件表面或内部,而无需另行连集成电路板,进一步节省了产品内部空间,让电子产品结构愈发紧凑,如手机中框天线、蓝牙耳机天线等,可以实现三维结构表面共形电路的高产量工业化规模制造。

Mobilephone wire手机共形天线

电子增材制造技术可实现复杂结构中电路随形形变这一特性,还将进一步推动创新型产品的研究,为消费电子、移动通信、汽车电子、医疗电子等领域带来无限可能。

目前电子增材制造产业还处于发展初期,真正实现产业应用并形成一定规模的企业寥寥无几。梦之墨公司经过近几年的技术创新与积累,打通了原材料与电子增材制造工艺的整个环节,并达成了小规模的应用,成为该领域的践行者及开拓者。

当然,新兴产业发展从来都不是一蹴而就的,从最初技术的萌芽到产业化创造出巨大的经济价值往往需要经过曲折漫长的历程。例如FPC产业,自20世纪60年代最早应用于航天及军事等高精尖领域开始,经历了几十年的发展,直到21世纪初才随着消费电子的迅速发展真正实现大规模应用,从而进入高速发展期。

电子增材制造技术作为电子制造产业升级和转型的新兴技术,符合时代发展要求,随着应用端需求不断扩大地推动以及技术、上下游供应链的逐步完善及成熟,也将实现大规模生产,迈入高速发展期。当前,正是布局电子增材制造领域的良好时机。

block 总结

在世界经济大变局时机下,电子制造领域作为信息化时代的核心组成部分,要有效保障其供应链产业链的弹性及安全性,同时满足低碳经济及产业发展新要求,需要引入新型电子增材制造技术。大力发展电子增材制造技术、布局电子增材制造产业,无论是在短期内应对时局动荡,还是从长远发展考虑、占据电子制造产业价值链主导地位都具有十分重要的意义。目前,已有企业在该领域实现应用落地,但从整个产业发展看,整体还处于发展初期,正是开始布局的好时机。

文章来源:梦之墨


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