为什么AME需要3D，PCB结构呢

很多朋友对为什么AME需要3D，PCB结构呢不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

想象制造PCB没有钻通孔和电镀金属的麻烦；想象一个几乎完美对齐的PCB。如果你把PCB发展到下一个阶段，想象一下在3D空间画电子产品。这一切都可以通过增材制造电子(简称AME)的方法实现，只需打开3D思维模式。AME会让我们不受我们习惯的2D的限制，开阔我们的视野，达到更高的表演水平。

本文将讨论两个基本的功能，即在三维空间中构建电子产品的基石，而AME技术和三维设计功能就集成在这两个基石上。AME的第一块基石：绝缘与导电材料十多年前，我们看到了印刷电子(PrintedElectronics，简称PE)的兴起，即在预先定义好的载体上印刷导电痕迹。载体是固定的，可以是平面的或3D的。印刷过程可以是喷墨、喷雾或任何其他将导体放置在载体上的方法。

图1:1:AME印刷工艺的优势之一是，它可以在一个单一的印刷步骤中构建由导电电子设备和绝缘结构组成的复杂的3D组件。AME不同于PE，它可以使用一种以上的材料。AME最简单的构型由两种材料组成：一种是导电材料，另一种是绝缘材料和介电材料。通过添加导电和绝缘材料以及牺牲材料的不同组合来构建通道和不同的复杂结构，AME可以发展到两种以上的材料。

图2:为什么2:AME需要3D PCB结构来创建简单和复杂的3D PCB设计的微观轮廓？AME的第一阶段是通过构建多层板(MLB)、镀通孔(PTH)和微孔来模仿传统PCB 2D结构，以证明AME可以取代“传统”PCB工艺。这当然是可行的，但是它没有实现3D AME的全部潜力和功能。我们来回顾以下三个案例。图3:多氯联苯设备支出(资料来源：Primark2021)

1、在传统的PCB技术中，需要的层数越多，PCB越复杂，成本越高，交货时间越长。在AME，加层不需要额外的费用；其实层数是没有限制的。真正的问题是，“您是否需要继续在有限的层结构中构建产品？”？

这是一个漫长而昂贵的过程，需要钻孔、电镀、蚀刻和废物处理。对层间对齐非常敏感，随着层数的增加，层间对齐变得更加困难。在AME，几乎没有对齐问题。整个过程通过单个工具和单个印刷过程来实现。结果接近完美的对准，对准误差可以忽略不计，并且对于相同的工具具有机械可重复性。

如果不需要将引脚插入PTH，AME可以通过使用过孔-in-pad电镀over(简称VIPPO)和/或交错模式，以相同的成本和时间重建电子元件。

3、微孔制造是最昂贵的工艺。它包括激光钻孔、通孔电镀、清洗，甚至在许多情况下填充导电树脂。在AME，没有额外的成本来建造导电填充通孔。事实上，AME工艺在代表通孔连接的层之间建立支柱。这些都是在同一个打印过程中实现的，不需要换工具钻孔。与此同时，校准接近完美。图3dame的新功能：用3DT互连代替过孔，可以实现更高的密度。

传统钻孔和电镀：PCB制造工艺中最昂贵的工艺，层对准、钻孔和电镀工艺的结合会导致良率大幅降低。这些工艺非常复杂，是PCB每年最高的资本支出。行业内钻孔和电镀的平均资本支出占PCB总资本支出的32%以上。随着技术越来越复杂，布线越来越密集，这个比例会更高。AME不需要钻孔，板层压，电镀和许多其他湿制造过程。

图5:不同的3D AME对角线互连(3DT)可以取代传统的PCB通孔。目前，传统的PCB过孔技术和AME 3DT替代技术。随着钻孔(机械或激光)的增多，完成PCB订单的成本越来越高，交货周期越来越长。图6:将传统的通孔转换为3D AME 3DT可以将PCB尺寸缩小30%。

从板设计的角度来看，钻孔技术涉及许多技术考虑。比如，需要对连接板进行标记，对连接板进行陷印。放置这些焊盘是为了克服PCB工艺的错位和公差，但增加这些焊盘的后果是占用了大量的PCB“面积”。此外，过孔结构是寄生阻抗失配的来源。它们的最终几何形状不同，因此很难持续预测它们的高频性能。

AME使我们能够消除通孔，实现层间的连续连接。我们称之为3D trace (3DT)。但不需要额外的标准连接焊盘和陷波连接焊盘，高频性能明显更好。图7:传统通孔连接与3DT的比较；用3DT代替通孔；我们采用了现有的设计。在第一阶段，我们按原样建造，但与AME一起设计。第二阶段，我们用3DT代替了通孔，尺寸缩小了30%，电气性能更好。

我们比较了传统通孔结构和3DT结构的射频性能，3DT高频特性显示出基于钻孔和通孔布线的PCB设计的巨大优势。通过AME 3DT结构，我们实现了明显更好的S11和S21性能(图8)。图8:四个GND通孔和AME 3DT对角走线的PCB实现了更好的S11、S21、输入反射和正向传输。

下一阶段，我们将把3DT转换成AME同轴电缆，它可以作为结构印刷工艺的一部分，代替传统PCB工艺中的通孔。所以高频性能比传统通孔性能好很多。图9和图10:与传统通孔相比，同轴电缆3D AME具有出色的高频性能。AME公司实现的3D电子设备3D AME，使设计师能够为电子设备构建不同的形状因子，并以更合适的方式将它们与所需的机械设备相匹配。

图11:有空腔和埋元器件的3D结构

它还实现了复杂3D结构的单次打印工艺，而传统PCB生产则需要许多工序，甚至是有些不可能实现的。

图12:通过AME实现的完整3D设计，没有层或互连结构

本案例将3D AME提升到具有更佳性能、埋元器件和屏蔽的完整3D装置的新水平。它构建了具有更强机械性能的外形因子。

3D AME的第二个基石：3D设计工具

如何设计3D电子装置？今天，ECAD和MCAD是两个并行的过程，它们之间的集成通常有限或根本不存在连接。当前的ECAD设计系统需要具有关键的新3D功能，以实现顺畅的3D设计。

图13:现有ECAD与MCAD系统之间连接有限或根本不存在连接

未来的CAD系统需要具有针对3D机电CAD设计的通用ECAD、集成ECAD和MCAD功能（3D AME功能）。他们应该能够对3D电子结构进行精确的3D AME仿真。3DT、打印线圈、电容器和其他3D电子器件等元器件需要成为3D电子仿真的组成部分。

图14:集成系统可利用3D设计的强大功能

3D行业项目

行业已有几个项目，包括分别由Cadence Systems、DassaultSystems和Siemens EDA完成的两个开发项目。还有其他CAD系统供应商正在努力为AME提供3D编辑功能，但可能需要一段时间才能有开发成果。因此，Nano Dimension公司推出了自己的软件套件FLIGHT，它可通过集成ECAD和MCAD系统，实现3D AME设计功能。

图15:3D AME设计的行业项目

总结

我们回顾了3D AME应用的两个主要基石：第一个基石是组合绝缘及导电材料，这是3D结构打印技术的基础，第二个基石是3D设计CAD系统。

图16:FLIGHT软件套件将支持如今的3D AME设计

AME为机电设计集成提供了新的功能，使设计师能够打印线圈、电容器、同轴互连等埋嵌式元器件。与传统工艺相比，高频性能得到增强，具有更好的阻抗控制和精度。

在机械结构上，与传统的多工序PCB和其他电子装置相比，AME将许多复杂的阶段简化为单个打印步骤。

我们探讨了从电子装置中移除通孔的优势，使更密集的装置能够使用相同的走线宽度，同时能够实现明显更佳的RF性能。

虽然我们看到行业对更复杂电子产品的需求及对更快实现复杂设计的需求不断增长，但3D AME无疑是电子行业的发展方向。

审核刘清

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