電子設計における積層造形の重要性

フォトリソグラフィ工程を含む従来の製造方法には、危険な化学物質の準備やレアアース材料の無駄使いなど、大きな欠点があります。持続可能で効率的な製造技術の目標は、ラピッドプロトタイピングや完全に機能する電子デバイスに適合することです。

そのため、さまざまな電子設計システムで積層造形（AM）のニーズが高まっています。トランジスタ、シリコン制御整流器、ダイオード、発光ダイオード（LED）、オペアンプ、受動素子などの部品は、その機能性ゆえに製造工程が複雑です。

図1：Creality Ender-3 S1 Proは、エンクロージャ、マウント、テストや製品組み立てのための治具に使用できます。（画像提供：Creality）

今日、電子部品の3Dプリントは設計と製造を大幅に変革し、レイヤ機能を備えた複雑な製品を製造する可能性を提供しています。このアプローチは、材料の無駄、時間のボトルネック、セットアップコストの削減などの利点があるため、AMとプリンテッドエレクトロニクスにおける次のフロンティアと考えられています。

さらに、サプライチェーンが複雑化し、電子部品に対する要件がダイナミックに変化する中、AMを採用する企業は、余剰なく需要に正確に対応する製品のロットを正確に製造することができます。このような計画的な生産により、減法製造技術よりも電子廃棄物の発生が少なくなります。

積層造形エレクトロニクス（AME）は、多層電子基板内の信号反射や電磁干渉に対するソリューションです。AMEは、同じ3Dプリントシステムで導電性材料と非導電性材料を使用し、保護エンクロージャに埋め込むことができる3次元回路を作製します。そのため、電子設計者は、相互接続の損失を最小限に抑え、基板全体のサイズを縮小する効率的なスペース活用の恩恵を受けることができます。

成功には、適切な3Dプリント技術を使用する必要があります。たとえば、FDMはコスト効率に優れ、SLAは微細なディテールに適しており、SLSは強度の高いコンポーネントに適しています。3Dプリント材料にも違いがあります。PLAは基本的なモデルを作るのに適しており、ABSは耐久性を持つ部品を作るのに適しています。

電子設計者が3Dプリントを活用する方法

AM電子部品に関しては、接触3Dプリントと非接触3Dプリントの2つの方法があります。設計者は、工業規模で電子部品を製造するために、インクとターゲット基板との直接接触させてインクを転写する接触プリントを使用できます。

図2：MG ChemicalsのPLA 3Dプリントフィラメントは高解像度アプリケーションに適しており、ABSは柔軟性と高い耐熱性を備えています。（画像提供：MG Chemicals）

しかし、このような複雑な電子回路のラピッドプロトタイピングには、新たな市場が生まれています。非接触インクジェットプリントに舵を切る技術者が増えています。単純な回路基板を少量で試作するのに適していると考えられています。この技術により、高いスループットとコスト削減を実現できますが、プリントプロセス中に下層が損傷する可能性があるという問題があります。

AMの効率は飛躍的に向上し、電子設計者が回路設計のイノベーションに集中できるようになりました。選択的レーザー焼結（SLS）やマルチジェットフュージョン（MJF）などの技術は、以前は欠点であったこれらの基板の製造が可能になりました。電子ケーシングとブレッドボードの十分なバッチサイズは、従来のプロセスと比較して、AMで迅速に製造することができます。

追加情報： 3Dプリントとは何か、どのように機能するのか

IoTアプリケーションの分野に目を向けると、設計者はセンシング、処理、アクチュエーションシステムなどの高度な機能を備えた組み込みデバイスにAMを活用することができます。特に、医療、ロボット、航空宇宙分野での小型化システムに大きな注目が集まっています。

NASAやそのグレン研究センターなどの宇宙機関は、宇宙船に組み込む組み込みシステムを構築しました。AMは、3Dプリントされた構造体に多機能コンポーネントを組み込むことができるため、小型化された作製デバイスを、面積が制限されたシステムに導入することができます。

積層製造エレクトロニクスの未来

3Dプリンタで製造された電子デバイスは、パワーエレクトロニクス、センサ、バッテリ、太陽電池、伸縮可能なエレクトロニクス、ウェアラブル機器など、幅広く使用されています。従来の製造方法が抱える信号の完全性や熱管理の問題を克服するために、新しい方法が採用されています。

将来的には、産業レベルのアプリケーションで3Dプリント機能性エレクトロニクスがさらに採用されるでしょう。