3D-Drucken und PCB-Design: Aller guten Dinge sind drei

Altium Designer
|  Created: March 30, 2018  |  Updated: December 2, 2020
Mann auf Laptop fliegt durch die Luft

Vom Designtisch über Windkanaltests von Modellen bis hin zum tatsächlichen pilotierten Flug – die Entwicklung der ersten experimentellen Jets erfolgte mit rasanter Geschwindigkeit. In den 1950er Jahren verließen sich Flugzeugkonstrukteure eher auf Rechenschieber und Tafelmathematik als auf Computerverarbeitung und virtuelle Simulationen. Wenn ein Testpilot in ein Cockpit stieg, stieg er in einen ungetesteten Prototyp. Einige Flüge verliefen sehr gut und stellten Geschwindigkeits- und Höhenrekorde auf, bei anderen Flügen war dies nicht der Fall.

Wie beim experimentellen Flug hat sich das PCB-Prototyping in den letzten zehn Jahren signifikant verändert. PCB-Prototypen haben sich von Tonmodellen und Einzelproben zu additiven und subtraktiven Fertigungstechnologien entwickelt, die das Aussehen und die Ausrichtung eines fertigen Teils testen. Fräsen, Bohren, Filmtransfer, Plattieren und Ätzen sind jedoch nach wie vor für die Herstellung eines PCB-Prototyps unabdingbar.

Mit der Konvergenz von PCB-Design und 3D-Druck könnte das Prototyping eine weitere Wendung nehmen.

Die Vorteile des 3D-Druckens ergeben sich aus einem integrierten Ansatz für die mechanischen und PCB-Designprozesse. Auf der mechanischen Seite können Sie die physikalischen Parameter der Platine festlegen. Diese Konvergenz wird durch eine Designentwicklung in der 3D-CAD-Software und die Ausgabe einer 3D-STEP-Datei der fertigen Leiterplatte ermöglicht.

PCB Prototyping und 3D-Drucken

Ein 3D-PCB-Modell kann Befestigungspunkte für die Platine anzeigen. Gleichzeitig kann das PCB-Designteam das physische Layout der Komponenten berücksichtigen. Da Sie die Leiterplatte von der X-, Y- und Z-Achse aus betrachten können, sehen Sie, wie die einzelnen Bauteile in ein Gehäuse passen.

Darüber hinaus kann der 3D-gedruckte Prototyp zeigen, dass die Verbindungspunkte auf die Bauteile ausgerichtet sind. Ein 3D-Modell der Platine hilft auch beim Layout. Sie können den Abstand zwischen den Leiterbahnen und die Komplexität des Layouts sehen. All dies beschleunigt den PCB-Entwicklungszyklus, indem die für das Layout erforderliche Zeit verkürzt und Änderungen an der Platine begrenzt werden. Die Beschleunigung der Entwicklung verkürzt somit auch die Markteinführungszeit für neue Produkte.

3D-Druck für die Fertigung

Die frühen Versuchsflugzeuge fliegen jetzt in Museen und wir werden die Piloten dieser Flugzeuge immer als Legenden und Pioniere betrachten. Ihre Arbeit und die Einführung der verschiedenen Rumpf- und Tragflächenkonstruktionen, der unterschiedlichen Steuerungsmethoden und der bahnbrechenden Triebwerkstechnologien beeinflussen jedoch weiterhin das Flugzeug- und Luftfahrtdesign. Mit einer weiteren Integrationsstufe könnten 3D-gedruckte PCBs aus der Prototypenphase herauswachsen. 

Die Kombination verbesserter 3D-Technologien wie Stereolithographie (SL) und Fused Deposition Modeling (FDM) bietet das Potenzial zur Herstellung eines dielektrischen Substrats und zum Einbetten von Leitern. Die in den 90er Jahren eingeführte Stereolithographie scannt ein UV-empfindliches flüssiges Harz mit einem UV-Laserstrahl. Während der Strahl die Oberfläche abtastet, härtet er das Material, das einem Querschnitt des Produkts entspricht, selektiv aus und baut ein 3D-Teil von unten nach oben auf. Die Stereolithographie bietet eine präzise Oberflächenqualität und eine schnelle Produktion.

3D-Drucken im Produktionsprozess
Ein 3D-Drucker kann während Ihres gesamten Produktentwicklungsprozesses kreativ eingesetzt werden

Das in 3D-Druckern weit verbreitete Fused Deposition Modeling-Verfahren basiert auf einem temperaturgesteuerten Kopf, der thermoplastisches Material Schicht für Schicht ausstößt. FDM ermöglicht die Erstellung komplexer geometrischer Formen. Im Gegensatz zur Stereolithographie hinterlässt FDM auf den 3D-gedruckten Bauteilen eine raue Oberfläche.

Durch die Kombination und Verbesserung dieser Technologien kann beim 3D-Drucken ein Substrat mit Löchern für Durchkontaktierungen auf die erforderliche Dicke drucken. Die Technologien können durch das präzise Drucken von leitfähigen Tinten oder Drähten Leiterbahnen zwischen Komponenten erstellen. Laser Direct Write (LDW)-Technologien verwenden einen Laser, um das Substrat für komplexe Leiterbahnenmuster zu bearbeiten und dann leitfähiges Material bis in den Submillimeter-Bereich zu übertragen. Leitfähige Tinten werden über den Spalt übertragen, um dreidimensionale Pfade zu bilden.

Da LDW-Technologien Metalle, Dielektrika, Ferrite, Polymere, Verbundwerkstoffe und chemisch reaktive Materialien abscheiden können, etabliert LDW auch eine schnelle und wirtschaftliche Methode für die digitale Herstellung von Mikroelektronik und anderen Bauelementen. Die Kombination von LDW mit einer anderen Technologie namens Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) verstärkt die Fähigkeit zur Herstellung eingebetteter elektronischer Komponenten.

UAM-Techniken verbinden Metallfolien der Reihe nach Schicht für Schicht durch Ultraschall-Metallschweißen. Anschließend werden CNC (Computer Numerical Control) oder Laser zum Entfernen von Material verwendet. Dieser additive und subtraktive Herstellungsprozess erzeugt geometrische Freiformformen und ermöglicht es, unterschiedliche Materialien thermisch und mechanisch zu verbinden. UAM ermöglicht das Einbetten von Schaltkreisen in Schutzmetall.

UAM-Herstellungsgerät
UAM-Techniken können die Flexibilität Ihrer Designs fördern

Nicht nur 3D-Drucken lohnt sich, testen Sie 3D-Schnittstellen 

Für die Bewertung von Prototypen sind möglicherweise auch neue Versionen der PCB-Design-Software erforderlich, die von zweidimensionalen PCB-Ansichten zu einer 3D-Ansicht wechseln. Durch die Fähigkeit, funktionale Schaltkreise mit leitenden und dielektrischen Materialien mit 3D-Technologien herzustellen, können Designteams Fehler frühzeitig erkennen, Entscheidungen schneller treffen und die beste Designlösung auswählen.

Durch die Platzierung und das Routing von Komponenten im 3D-Raum können Designs über einfache Schaltkreise hinausgehen. All dies beschleunigt den Entwicklungszyklus. Da schematische Erfassungs-, Simulations- und Entwurfsregelprüfungen in den 3D-Bereich übertragen werden können, ist die Erstellung validierter komplexer Schaltungen möglich.

Die Möglichkeit, integrierte Schaltkreise, Sensoren und passive Geräte einzufügen, forciert den 3D-Druck voll funktionsfähiger Verbrauchergeräte. Das Platzieren von mit Silber beladenen Tinten beim 3D-Druck ist ein gutes Zeichen für den Bau von mehrschichtigen PCBs in 3D. Hochgenaue Technologien können komplexe, detaillierte dielektrische Substrate mit mehreren Lagen von Komponenten und Leiterbahnen erzeugen.

Mit Blick auf die Zukunft können Entwickler mithilfe integrierter 3D- und Testtechniken die mechanische Seite des PCB-Designs ansprechen und gleichzeitig Schaltungssimulationen verwenden, um die Funktionalität sicherzustellen. Die Flexibilität des 3D-Drucks ermöglicht es Herstellern somit, schnell auf sich ändernde Kundenanforderungen zu reagieren.

Mit einer PCB-Design-Software mit erweiterten Funktionen und einer intuitiven Benutzeroberfläche halten Sie sich Ihre Optionen offen, um Ihre Designs an der Seite der kooperativen Technologie-Funktionen zu entwickeln. Durch eine starke Überprüfung der Entwurfsregeln und eine interaktive 3D-Umgebung erhalten Sie mit Altium Designer und Altium 365 genau das, was Sie brauchen.

Wenn Sie mehr über das Design für und die Verwendung von dem 3D-Drucken erfahren möchten, wenden Sie sich noch heute an einen Experten von Altium.

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PCB Design Tools für Electronics Design und DFM. Informationen für EDA-Führungskräfte.

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