מי שמכיר את תחומי הדפסת תלת-מימד ומעגלים אלקטרוניים מודפסים (PCB), מתקשה לדמיין עתיד שבו מעגלים אלקטרוניים אינם מודפסים באמצעות טכנולוגיות תלת-מימד.
הדפסת תלת-מימד טומנת בחובה הבטחה, לאפשר ייצור מהיר יותר, קל יותר וחדשני יותר של מעגלים מודפסים. עם זאת, רק לאחרונה החלו מעגלים אלקטרוניים והדפסת תלת-מימד להדביק את הפער אל עבר הדמיון. ראשית, מבוא קצר לעולם הדפסות תלת-המימד, או, בשמו הנכון יותר, ייצור בטכנולוגיית תלת מימד (Additive Manufacturing). כיום, התחום מורכב מקשת של תהליכים מתחרים, העושים שימוש בחום, לייזר, הזרקת דיו וטכנולוגיות נוספות, על-מנת להוסיף חומרים שונים, שכבה אחר שכבה, כדי לבנות עצמים חדשים או להוסיף לעצמים קיימים. לכל תהליך ישנם יתרונות וחסרונות מבחינת דייקנות, חומרים, אורך חיים של המוצר הסופי וגמישות העצמים והצורות שניתן לייצר. ככלל, ישנו מתאם בין מחיר, רזולוציה וטווח החומרים הנתמכים.
מדפסת התלת ממד של ננו דיימנשן מאפשרת יצור מהיר של אבות טיפוס למעגלים רק שכבתיים
פיתוח חומרים לשוק האלקטרוניקה
על-מנת להדפיס מעגלי PCB, על המערכת להיות מסוגלת להדפיס בדייקנות את החוטים המוליכים, כאשר זהו ליבו של תחום המעגלים האלקטרוניים, תחום טכנולוגי מתקדם, הכרוך בפיתוח חומרים מוליכים המותאמים למגוון משטחים שונים. את החיבורים הבסיסיים ניתן להטביע בעצמים באמצעות מדפסות שיחול (Extrusion) תלת-מימדיות, העושות שימוש במילויים מוליכים. מילויים אלו מכילים פולימרים מוליכים, ננו-צינוריות פחמן או חומרים מוליכים אחרים. אולם, התוצאה הסופית המתקבלת בשימוש בטכנולוגיות הקיימות הינה חוט מוליך ברזולוציה נמוכה, המתקשה להתמודד עם דרישות החשמל של מעגלים מקצועיים. על-מנת להגיע לרזולוציה גבוהה יותר ומוליכות טובה, נדרשים פתרונות הדפסה מתקדמים יותר. כיום, כדי לתת מענה לאתגר, תעשיית הננו-דיו מציעה את הפתרון בהרכבים שונים של דיו המכיל חלקיקי כסף. דיו כזה הינו, למעשה, תרחיף המכיל חלקיקי כסף בגודל ננו-מטר, ולאחר הדפסתו, הוא מצריך ייצוב באמצעים כימיים, אור או חום. לאחר הייצוב, החלקיקים מתמזגים ויוצרים חוט כסף מוליך רציף, מוצק ויציב. טכנולוגיה זו מפותחת מספיק כדי לאפשר לחלקיקי כסף להוות פתרון טכנולוגי בשל למעגלים אלקטרוניים. עם זאת, אין להסיק מכך שכל מוצרי הדיו המכילים חלקיקי כסף זהים: פיתוח ננו-דיו הינו תחום מתקדם מאד כשלעצמו. ואמנם כסף הינו מתכת יקרה לשימוש לעומת מתכות אחרות, אך כיוון שהמוליכים כה דקים, הכמות הנדרשת קטנה, והביצועים בהחלט מצדיקים את העלות.
לעומת זאת, תחום הדיו מנחושת, מתכת שהינה בבירור עדיפה מהיבטי עלות, אינו מפותח מספיק עדיין מבחינה טכנולוגית. קשה יותר, באופן משמעותי, להדפיס עם נחושת בעקבות מאפייני החמצון שלה: קשה יותר הן לייצר את הדיו והן להשתמש בו, והתוצאה הסופית אינה חזקה מספיק. ננו-צינוריות פחמן וכן חומרים יוצאי-דופן אחרים עשויים בהחלט להוות אלטרנטיבות בעתיד.
מעגל אלקטרוני שהודפס עם מדפסת התלת ממד DragonFly 2020 של חברת ננו דיימנשן
הדפסת תלת-מימד של מעגלים אלקטרוניים רב-שכבתיים מקצועיים
מצד אחד, מעגלים אלקטרוניים מודפסים מורכבים משכבות מרובות, עובדה שמעידה על התאמתם להדפסה בטכנולוגיית הוספת שכבות, ומצד שני, אתגרים רציניים נובעים מריבוי החומרים, דרישות המוליכות והצורך בדייקנות גבוהה. כדי לתת מענה לאתגר ייצור המעגלים הרב-שכבתיים, ברור כי יש להדפיס את החלקים המוליכים כך שיהיו מדויקים מספיק, מוליכים מספיק וחזקים מספיק לבצע את עבודתם בצורה אמינה. הזרקת דיו היא, ככל הנראה, תהליך הדפסת תלת-המימד הראשון שיאפשר שימוש בטכנולוגיה זו למעגלים אלקטרוניים רב-שכבתיים מקצועיים. משנפתר נושא הדפסת דיו מתקדם שיספק הולכה גבוהה ודיוק מירבי, הצעד הבא לקראת הדפסת תלת-מימד של מעגלים אלקטרוניים הינו הדפסת המשטח. כאשר מדובר בלוחות קשיחים מסורתיים, על הדיו המשמש להדפסת המשטח להיות מחומר המתאים להזרקת דיו, שהוא גם מבודד מצוין ובעל קשיחות הדומה לזו של החומר התקני, FR4. לוחות גמישים הינם תחום נפרד, והם דורשים שילוב שונה של משטח ודיו מוליך: לכל משטח יש להתאים דיו בעל מאפיינים משלו, כדי להבטיח היצמדות ודייקנות, וכן עמידות בתהליך הייצוב הרלוונטי לדיו.
כעת, משנמצאו ננו-חומרים שניתן להתאימם לשימוש ב-PCB באמצעים הנדסיים, האתגר הבא הוא התאמת המדפסת. תוכנת המדפסת צריכה להיות מסוגלת לעבד קבצי גרבר, המיועדים לסביבת ייצור דו-מימדית. השימוש בקבצים אלו יאפשר למדפסת להדפיס את המשטח בעובי הנדרש, להשאיר או למלא חורים במקומות בהם נדרשים קדחים ועוד.
כיום, ננו דיימנשן מפתחת מדפסת תלת-מימד בטכנולוגיית הזרקת דיו, שתאפשר ייצור מהיר של אבות טיפוס למעגלים רב-שכבתיים והדפסתם במקום. לשם כך, פיתחה החברה נוסחה ייחודית לננו-דיו שלה, אותו היא מייצרת בעצמה. כדי להדפיס מעגלים רב-שכבתיים, המדפסת של ננו דיימנשן תשתמש בננו-דיו חדשני, המכיל חלקיקי כסף, על-מנת ליצור את החלקים המוליכים, ובננו-חומר חדשני אחר, מבודד, ליצירת שכבת הבידוד. החברה מבטיחה עובי הדפסה של 3-4 מיל. אמנם מדובר רק בראשיתה של מהפכת התלת-מימד בתחום האלקטרוניקה, אך ניכר בוודאות שהיא מגיעה. כאשר ניתן לשלב את כל האלמנטים הללו, מדפסת תלת-מימד, דיו ותוכנה – אין כל סיבה לכך שמעגלי PCB לא יודפסו בטכנולוגיית תלת-מימד. הדפסת תלת-מימד יכולה להוביל לפיתוח מהיר יותר באופן דרמטי, ללא צורך במיקור חוץ, להגן על קניין רוחני בתהליך הפיתוח, להקטין את היקף הפחת ואף לאפשר למפתחים חדשנות רבה יותר ויצירתיות בתכנון גיאומטריות מסובכות, שלא ניתנות לתכנון באף טכנולוגיה אחרת.
עבור אבות-טיפוס ואצוות מזעריות, הדפסת תלת-מימד נמצאת ממש מעבר לפינה. ראשית, המדפסות יעניקו פתרונות לפיתוח וייצור אבות-טיפוס בזמן אמת, ובכך ישנו את תהליך פיתוח המוצרים הקיים. עם זאת, בדומה למתרחש בתעשיות אחרות, הסבירות לכך שמדפסות תלת-המימד יחליפו תהליכי ייצור המוניים בעתיד הקרוב נמוכה למדי, וקשה לדעת אם יוכלו להחליף לחלוטין את תהליכי הייצור המסורתיים. יש גם החולמים על מדפסת תלת-מימד, שתוכל להדפיס עצמים ממספר חומרים, כולל מעגלים מקצועיים וללא מעגלי PCB מסורתיים כלל.
