Informe IDTechEx: la electrónica 3D permite una mayor integración

Publicado por personal | 14 de abril de 2022

La electrónica 3D es un enfoque de fabricación emergente que permite la integración de la electrónica dentro o sobre la superficie de los objetos. Si bien se ha utilizado durante mucho tiempo para agregar antenas e interconexiones conductivas simples a la superficie de objetos de plástico moldeados por inyección, cada vez se agregan más circuitos complejos hechos de una variedad de materiales utilizando nuevas técnicas.

Además, la tecnología de electrónica aditiva 3D permite integrar circuitos completos dentro de un objeto, ofreciendo múltiples beneficios que incluyen fabricación simplificada y factores de forma novedosos. Con la electrónica 3D, agregar funcionalidad electrónica ya no requiere incorporar una PCB plana rígida en un objeto y luego conectar los interruptores, sensores, fuentes de alimentación y otros componentes externos relevantes.

Hay tres enfoques principales para la electrónica 3D, cada uno discutido en detalle en el nuevo informe IDTechEx, "Electrónica 3D/Electrónica aditiva 2022-2032: Aplicación de la electrónica a una superficie 3D, electrónica en molde y electrónica 3D totalmente aditiva".

El enfoque más establecido es la estructuración directa por láser (LDS), en la que un láser activa selectivamente un aditivo en el plástico moldeado por inyección. Esto forma un patrón que posteriormente se metaliza utilizando un revestimiento sin electricidad. LDS experimentó un gran crecimiento hace aproximadamente una década y se utiliza para fabricar cientos de millones de dispositivos cada año, alrededor del 75% de los cuales son antenas. Sin embargo, este método de metalización solo se puede aplicar a componentes moldeados por inyección con un aditivo y solo permite depositar una sola capa de metal, lo que limita la complejidad del circuito.

Dadas estas limitaciones, otros enfoques están ganando terreno. La extrusión de pasta conductora, una suspensión viscosa que comprende múltiples escamas conductoras, ya se usa para una pequeña proporción de antenas y es el enfoque de elección para los sistemas que depositan circuitos completos en superficies 3D. El chorro de aerosol y la transferencia directa inducida por láser (LIFT) son otras tecnologías emergentes de deposición digital que tienen, respectivamente, resoluciones más altas y una deposición rápida de una amplia gama de materiales.

La electrónica en molde (IME), en la que la electrónica se imprime/monta antes del termoformado en un componente 3D, facilita la transición hacia una mayor integración de la electrónica, especialmente donde se requiere iluminación y detección táctil capacitiva. Al permitir la incorporación de funcionalidades integradas en componentes con superficies 3D termoformadas, IME ofrece múltiples ventajas en relación con los interruptores mecánicos convencionales, incluida la reducción del peso y el consumo de material de hasta un 70 % y un montaje mucho más sencillo.

IME es una extensión de la bien establecida decoración en molde (IMD), en la que las láminas de plástico con un revestimiento decorativo se convierten en tres dimensiones mediante termoformado y posterior moldeo por inyección. IME se diferencia de IMD por la serigrafía inicial de tintas conductoras termoformables, seguida de la deposición de adhesivos eléctricamente conductores y el montaje de dispositivos de montaje superficial (SMD), principalmente LED en la actualidad.

El objetivo a largo plazo de IME es convertirse en una tecnología de plataforma establecida, muy parecida a como lo es hoy en día la PCB rígida. Una vez que se logre esto, producir un componente/circuito será simplemente una cuestión de enviar un archivo de diseño electrónico. Junto con una mayor aceptación de la tecnología, esto requerirá reglas de diseño claras, materiales que se ajusten a los estándares establecidos y, lo que es más importante, el desarrollo de herramientas de diseño electrónico.

Podría decirse que el enfoque más innovador de la electrónica aditiva es la electrónica totalmente impresa en 3D, en la que los materiales dieléctricos, generalmente termoplásticos, y los materiales conductores se depositan secuencialmente. Combinado con componentes SMD colocados, esto da como resultado un circuito, potencialmente con una estructura multicapa compleja incrustada en un objeto de plástico 3D. La propuesta de valor central es que cada objeto y circuito integrado se puede fabricar con un diseño diferente sin el gasto de fabricar máscaras y moldes cada vez.

Los componentes electrónicos totalmente impresos en 3D se adaptan bien a las aplicaciones en las que es necesario fabricar una gama de componentes con poco tiempo de antelación. La tecnología también es prometedora para aplicaciones en las que una forma personalizada e incluso la funcionalidad son importantes, como audífonos y prótesis. La capacidad de fabricar diferentes componentes utilizando el mismo equipo, y el desacoplamiento asociado del costo unitario y el volumen, también podría permitir una transición a la fabricación bajo demanda.

El desafío para la electrónica completamente impresa en 3D es que la fabricación es fundamentalmente un proceso mucho más lento que el moldeo por inyección, ya que cada capa debe depositarse secuencialmente. Si bien el proceso de impresión se puede acelerar con varias boquillas, está mejor dirigido a aplicaciones en las que la personalización ofrece una ventaja tangible. Garantizar la confiabilidad también es un desafío, ya que las reparaciones post-hoc son imposibles con la electrónica integrada. Una estrategia es utilizar el análisis de imágenes para comprobar cada capa y realizar reparaciones antes de que se deposite la siguiente capa.

El nuevo informe IDTechEx evalúa las tecnologías competidoras que permitirán reemplazar las PCB con electrónica integrada, ahorrando espacio y peso y reduciendo la complejidad de la fabricación. Cubre la funcionalidad electrónica en superficies 3D, electrónica en molde (IME) y electrónica totalmente impresa en 3D.

El informe incluye múltiples perfiles de empresas basados ​​en entrevistas con los principales actores de las diferentes tecnologías. IDTechEx también desarrolló pronósticos de mercado a 10 años para cada sector de tecnología y aplicación, delineados por ingresos y área. El consultor pronostica el declive gradual de LDS y el crecimiento de la pasta extruida para antenas electrónicas de consumo, y un mayor uso de extrusión y aerosol, especialmente para aplicaciones automotrices. El crecimiento más sustancial se prevé para IME, que según IDTechEx se adoptará ampliamente en los interiores de los automóviles y los paneles de control de los electrodomésticos.

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