Met dank aan de printplaat beweegt elektronica zich nog steeds in een tweedimensionale wereld. Bijgevolg is de vormfactor vaak de grootste uitdaging in een ontwerptraject. Met complex gevormde printplaten of dure flexen kun je wel de hoogte in, maar meer dan multi-2D wordt het niet. Daar komt bij dat het huidige productieproces complex, arbeidsintensief en allesbehalve duurzaam is. Terwijl het in feite niet meer is dan elektrisch geleidend en isolerend materiaal rangschikken en verbindingen leggen tussen componenten. Precies wat 3D-printen belooft te doen: het juiste materiaal op de juiste plek deponeren. Dus waarom geen full-3D elektronicaproductie? Een verkenning die vooral procesontwikkelaars wil prikkelen.

Elektronica productie complex

Wat is het toch een gedoe: het produceren van elektronica. Het scoort hoog op complexiteit en arbeidsintensiteit (reden waarom het mondiale zwaartepunt in Zuidoost-Azië ligt) en laag op duurzaamheid. Denk aan het verkwistende energie- en materiaalverbruik en de ongezonde inzet van chemicaliën in de verschillende processen, de tijdrovende handling tussen de diverse productiestappen en de geavanceerde, kostbare machineparken in de complete keten. En het wordt alleen maar lastiger onder invloed van de voortschrijdende miniaturisering en de aanhoudende prijsdruk.

Met de huidige productietechnologieën en materialen loopt de elektronicaproductie bij de voortschrijdende miniaturisatie tegen grenzen aan. Het plaatsen en solderen van miniatuurcomponenten wordt een steeds grotere uitdaging. Denk ook aan de toenemende dissipatie per oppervlakte-eenheid: hoe krijg je al die warmte nog uit je print? En als de pitch blijft afnemen, worden de fysische eigenschappen van de gebruikte materialen een bottleneck. Bovendien is het merkwaardig, en hoogst inefficiënt, dat alle te gebruiken materialen moeten worden afgestemd op de temperatuur van het soldeerproces. De meeste producten zullen deze temperatuur maar één keer in hun levenscyclus meemaken.

Onder invloed van de miniaturisering en de voortgaande integratie van uiteenlopende functionaliteit in elektronicaproducten is de vormfactor een van de grootste uitdagingen geworden bij het ontwerpen en produceren van elektronica. Voor het ruimteprobleem zijn uiteenlopende oplossingen bedacht, zoals flex-rigid of stacked pcb’s (Figuur 1). Daarmee is de beschikbare 3D-ruimte efficiënter te benutten, maar meer dan ‘multi-2D’ wordt de elektronica niet.

Figuur 1: Een flex-rigid oplossing. De elektronica (printafmetingen 25 bij 28 mm) die 3T in ‘multi-2D’ heeft gerealiseerd voor een pyranometer van Kipp & Zonen. Met 3D-printing zouden in plaats van vierkante millimeters opeens kubieke millimeters ter beschikking komen, met alle ontwerpvrijheid van dien.

Halfslachtig 3D

Laten vorm(vrijheid) en integratie van functies nu juist de belangrijkste argumenten zijn voor 3D-printen. Met name voor kunststofproducten, en (nog) in mindere mate voor producten van metaal, worden die voordelen al volop benut. Complexere vormen zijn mogelijk en samengestelde producten worden vervangen door één enkel onderdeel met dezelfde (mechanische) functionaliteit. Dus waarom niet voor elektronica?

Dat hebben er natuurlijk meer bedacht en er gebeurt op elektronicagebied al het nodige onder de noemer van 3D-printen. Er is in Nederland zelfs een 3D Printing Electronics Conference, die dit jaar z’n primeur had. TNO en het Holst Centre zijn actief op dit gebied. De EU, die graag elektronicaproductie in Europa wil behouden of zelfs weer uitbreiden, heeft projecten lopen als Plasmas (Printed Logic for Applications of Screen Matrix Activation Systems). Daarnaast zijn er initiatieven zoals de Argentum van Cartesian op Kickstarter, een desktopprinter waarmee met een druk op de knop printplaten zijn af te drukken.

Figuur 2: Een pcb met een 3D-geprinte vorm. Assemblage gebeurt ‘gewoon’ op een (weliswaar gekromd) 2D-vlak. Foto: TNO

Het gros van de initiatieven blijft echter hangen in de oude productieprocessen. En als de pcb/drager dan een 3D-geprinte vorm heeft (Figuur 2), is de assemblage daarop vervolgens toch gewoon het plaatsen van componenten op een (weliswaar gekromd) 2D-vlak. Iets wat nog niet zo eenvoudig is, want 3D-standaardprocessen voor pastadepositie, bestukken en solderen zijn nog nauwelijks beschikbaar; er is gewoon geen 3D-infrastructuur, ook niet in de ontwerpsfeer. Daar kun je natuurlijk in investeren, maar het is de vraag of dit toekomst heeft. De beperkingen van de standaard 2D-elektronica worden met deze halfslachtige inzet van 3D-printen namelijk niet fundamenteel doorbroken.

Drie stappen

De doorbraak zit hem volgens mij in het integreren van zo veel mogelijk productiestappen in het 3D-printen. Zo veel mogelijk, want je ontkomt er (voorlopig?) niet aan met discrete componenten als ic’s te blijven werken. Een elektronicaproduct met een specifieke functie is in mijn visie een combinatie van een 3D-geprint ‘deelproduct’ van willekeurige vorm, met geïntegreerde ‘pockets’ voor discrete componenten (Figuur 3).

Een pick-and-place-robot plaatst de componenten in de pockets, en wel op hun kop, met de ‘pootjes’/interconnects naar boven en in één vlak. Deze stap blijft dus (voorlopig) in 2D gebeuren; daarvoor zijn zowel de ontwerp- als de plaatsingstools reeds beschikbaar. Een 3D-printer legt vervolgens de verbindingen tussen de componenten en het nog resterende, te printen product. De 2D-laag met discrete componenten wordt als het ware gesandwicht tussen twee 3D-elektronicablokken. In principe zijn meerdere van dergelijke 2D-componentlagen mogelijk, naar analogie met het stapelen van chips, dat een tijdje geleden hot was. Het resulterende product is te omschrijven als een integrated print (IP).

Figuur 3: Schematische weergave van een 3D-geprint elektronicablok met daarin pockets voor de te plaatsen discrete componenten.

Het hele pcba-productieproces (traditioneel printfabricage, pastadepositie, bestukken, solderen, bekabelen, et cetera) bevat zo nog maar drie stappen (Figuur 4): eerste deel product printen, componenten plaatsen, verbindingen en tweede deel product printen. Aanzienlijk minder complex dus. Dit maakt het mogelijk om de productiekosten drastisch te verlagen, maar ook om de beperkingen van de huidige processen voor een groot deel te elimineren.

3D print stappenFiguur 4: De stappen in 3D-elektronicafabricage

Elementen meeprinten

Een groot voordeel van een echte 3D-aanpak is dat de vormfactor niet meer de beperkende factor is en niet meer hoeft te worden afgestemd op de elektronica, maar dat je omgekeerd de elektronica eenvoudig kunt aanpassen aan de vormfactor van het product. Je kunt de 3D-elektronica immers in een willekeurige vorm printen. Allerlei componenten en sensoren kunnen in de IP worden meegeprint – al is dit voor ic’s nog een stap te ver.

Voor de koeling zijn er bijvoorbeeld geen afzonderlijke, lompe koelelementen meer nodig die in de namontage op de printplaat worden geschroefd en altijd in de weg zitten. Nee, deze elementen print je meteen mee in een geoptimaliseerde geometrie en met een directe connectie naar de te koelen punten. Het bespaart materiaal en levert een beter koelresultaat op. Desgewenst kunnen kanalen voor waterkoeling worden geprint op dezelfde manier als waarop tegenwoordig microfluïdische systemen (voor chemische reactie en analyse op kleine schaal) worden geprint.

Rf-afscherming kun je realiseren door verbindingen simpel als twisted pairs te printen. De uitlijning van sporen wordt beter dan voorheen tussen de verschillende lagen van een print uit een standaardproces; dat is gunstig voor de rf- of magnetische eigenschappen van de elektronicamodule.

Stuk eenvoudiger

Dankzij de ontwerpvrijheid in 3D ben je de beperkingen van een bord met, zeg, maximaal zestien lagen kwijt. Verbindingen kun je nu op een willekeurige manier leggen, niet gebonden aan een laag. Het aantal paden waarlangs connecties kunnen lopen, is bij wijze van spreken oneindig groot; de ontwerpcomplexiteit neemt navenant af.

Een ander groot voordeel ligt in de prototyping. Van oudsher wordt 3D-printen geassocieerd met het snel maken van prototypes (bijvoorbeeld voor kunststofproducten). Nu komen ook voor elektronica snel prototypes beschikbaar en dat kan het ontwerpproces bespoedigen dan wel de ruimte bieden om veel meer opties te onderzoeken. Kortom: met 3D-printen wordt het eenvoudiger om klantverwachtingen te overtreffen.

Natuurlijk tellen ook de kostenbesparingen en de duurzaamheidswinst die met 3D-printen zijn te behalen. De complexe pcb-fabricage met haar chemische processen is overbodig geworden. Veel discrete componenten zijn niet meer nodig omdat je ze kunt 3D-printen. Voorts elimineer je het complexe assemblageproces voor pcba’s voor een belangrijke deel; niet volledig, want plaatsing van discrete componenten blijft vooralsnog nodig in de nieuwe aanpak. Ook de montage van de elektronica in het eindproduct wordt een stuk eenvoudiger, al was het maar omdat de vormfactorproblematiek grotendeels is opgelost. Vanuit duurzaamheidsoogpunt telt nog dat 3D-printen (of additive manufacturing, de meer generieke term) veel zuiniger met materiaal omspringt dan traditionele processen.

Nieuwe wereld

Dit alles is natuurlijk gemakkelijk opgeschreven. Aan het 3D-printen van elektronica zitten nog veel haken en ogen. Zo lijkt reparatie onmogelijk c.q. onrendabel en voor het testen zullen er nieuwe strategieën en methodes moeten komen.

Het printen vergt bovendien nog de nodige procesontwikkeling, alleen al vanwege de combinatie van verschillende materialen (met verschillende smeltpunten), zoals kunststof voor de isolatie, koper voor de verbindingen en aluminium voor de koeling. Op zich zijn er geschikte processen bekend, met name selective laser sintering en direct metal laser sintering. Maar is het bijvoorbeeld mogelijk – met het oog op de aanwezige kunststoffen – om het smeltpunt van metalen voldoende te verlagen door ze als micro- of zelfs nanopoeder aan te bieden (melting point depression)? En is dat poeder nog te hanteren en ongevaarlijk (denk aan de zorgen over nanotechnologie)?

Ik ben er echter van overtuigd dat als de elektronicawereld niet blijft hangen in het multi-2D-denken de ontwikkeling van echt 3D-printen van elektronica een boost kan krijgen. Dan gaat er een heel nieuwe wereld open, aan technische en ook financiële mogelijkheden. Dan kost een op zich simpele elektronicamodule voor een uitdagende vormfactor nog slechts een tientje, en geen honderd euro vanwege de huidige uitvoering met meerdere printen en flexen. Dat en nog veel meer kan realiteit worden als we eens echt full-3D gaan denken.

Richard Bruins is consulting engineer supply chain services bij 3T in Enschede en is daar verantwoordelijk voor productietechnologie. Hij neemt onder meer deel aan de Nevat EMS Technologiegroep.

Bron: Bits&Chips, 7 november 2014