3Dプリンティングは電子機器製造業界に新たな変化をもたらす

この投稿は warrior bear によって 2023-8-16 22:17 に最後に編集されました。

はじめに: 電子 3D プリンティングに関する研究と情報のほとんどは研究室レベルに限定されていますが、この研究が米国および海外で商品の製造方法を静かに変えつつあることは否定できません。さらに、連邦政府による CHIPS プログラムのおかげで、電子機器の 3D プリントが後押しされ、電子機器を製造するための新たな方法がますます増えることになります。電子3Dプリンティング技術の分野では、NextFlex Wafer Companyが代表的な企業です。

米国における電子印刷技術の推進
2015 年に設立された NextFlex は、全米 17 か所の Manufacturing USA 施設のうちの 1 つです。ネットワーク内の他の組織がサイバーセキュリティ、ロボット工学、米国製 3D 印刷などの分野に重点を置いているのに対し、NextFlex の使命は印刷フレキシブルエレクトロニクスの開発を推進することです。このように、当研究所は電子機器製造の分野において、積層造形（AM）業界と重なる部分が多くあります。
「従来のプリント基板について考えてみると、現在、私たちはまったく異なる方法でそれを製造しています」と、NextFlex の製造部門ディレクターのアートウォール博士は述べています。「私たちはそれを印刷という付加的なプロセスで行っています。エッチングもリソグラフィーもありません。電子機器の印刷には、デバイスを軽量、低コスト、柔軟にできるなど、さまざまな利点があります。」

America Makes やその他の製造業イノベーション組織と同様に、NextFlex は業界の関係者の交差点に位置し、企業、政府機関、大学などを結び付けて最先端のテクノロジーを推進しています。これには、プロジェクト計画の実行、情報の共有、職業訓練の実施、政府資金の割り当てが含まれます。 NextFlex は、協力的なエコシステムを育成することにより、メンバーの集合的な専門知識を活用して業界全体の課題に対処し、イノベーションを推進することを目指しています。
「私たちは、産業界と学術界の約 100 の組織からなる連合を代表しています」と、ウォール博士は述べています。「そして、その数百の組織に加えて、私たちと協力する連邦機関が数多くあります。そのため、私たちはこの製造技術を中心にコミュニティを形成しました。私たちが取り組んでいるもう 1 つの分野は、教育と労働力開発の分野です。これは、CHIPS プログラムなどについて考えるときに非常に重要になります。NextFlex は、教育と労働力開発の分野で最も成功している機関の 1 つであり、他の 7 つの機関が私たちの教育プログラム FlexFactor® のライセンスを取得し、それを各自の技術重点分野に適応させています。」
NextFlex は、テクノロジーワーキンググループを通じて業界、学界、政府と連携し、今後 5 年間のテクノロジーの進歩を予測することを目指しています。これは、メンバーが賢明な戦略を立てて投資するのに役立つだけでなく、技術の進歩を維持するために対処する必要がある製造上の課題を特定することもできます。さらに、NextFlex は毎年のプロジェクトコールを通じて、連邦政府の資金を使用して特定された問題に共同で対処します。彼らは業界連合から解決策を募り、これらの問題に対処するための活動に資金を提供し、その結果をすべてのメンバーと連邦政府に公開します。

△NextFlex のテクノロジーセンターは 10,000 平方フィートを超える広さを誇り、枚葉処理が可能な 2 つのクリーンルーム、高品質で少量生産に対応する柔軟なプロセスフロー、パイロットグレードのフレキシブルおよびハイブリッドアディティブエレクトロニクスの設計、試作、製造のための商用印刷、組み立てツール、機器を備えています。画像提供：NextFlex。
カリフォルニア州サンノゼに本社を置く NextFlex 組織は、設計、印刷、組み立て、ソフトウェア、ファームウェア、プロトタイプ段階でのテストなど、独自の製造業務も行っています。ウォール氏自身が率いるこの工場の主な目標は、この技術を製造業に応用することです。初期段階を経て、会員企業は需要の増加に応じて大量生産を促進する準備ができています。現在、同組織は数千、あるいは数万のプロトタイプを含むプロジェクトに取り組んでいます。しかし、需要が供給能力を超えると（例えば月間1万台）、会員企業が介入することになります。現在、これらの企業に知識、材料、プロセス、設備を移転し、大量生産するプロセスが進行中です。
電子印刷製品への添加剤の添加
American Manufacturing の傘下で運営され、国防総省から資金提供を受けている NextFlex は、自社の使命の真の独自性は、必ずしも電子機器の柔軟性ではなく、電子機器の 3D 印刷にあることを認識しています。その結果、研究所は自らの研究を「フレキシブルハイブリッドエレクトロニクス」ではなく「ハイブリッドエレクトロニクス」と呼ぶようになりました。この革新的な積層造形技術の成果により、飛行機の翼から車のドアまで、あらゆる場所に電子機器を印刷できるようになり、ある表面に印刷してから別の表面に貼り付ける必要がなくなります。その結果、付加的な手法に重点を置くことが、NextFlex の業務とアイデンティティにとってますます重要になってきました。
最近のプロジェクトコールの結果は、この技術の最先端性を浮き彫りにしました。 NextFlex は、UAV またはドローンアプリケーション向けのフレキシブルエレクトロニクスの軽量特性を活用するよう参加者を招待します。この課題では、広い領域にわたって非常に複雑な多層プリント回路を作成することも必要です。研究チームは、特に複雑な高周波の柔軟なレーダーボードを 2 つ開発しました。これらのレーダーアレイは 24 GHz と 66 GHz の周波数で動作し、ドローンに一種の視覚を提供します。これは、フレキシブルハイブリッドエレクトロニクスの高度な可能性を実証するだけでなく、この技術の応用範囲を拡大し、複雑なデバイスで使用でき、高周波で動作できることを実証します。
△ 「UAVアプリケーション向けフレキシブルハイブリッドエレクトロニクスデモンストレーター」プロジェクトの一環として開発された多層回路を搭載したドローン。画像提供：NextFlex。
「このプロジェクトの目標は、フレキシブルハイブリッドエレクトロニクスの最先端の技術を実証することでしたが、この技術で何ができるかという想像力を本当に広げることでもありました」とウォール氏は語った。「これはおそらく、積層エレクトロニクス印刷を使用してこれまでに作られた中で最も複雑な電子機器の少なくとも1つであると言えるでしょう。」
多層フレキシブル電子機器を作成するプロセスはますます容易になりつつあり、この進歩が NextFlex の現在の重点分野の大部分を占めています。 Nano Dimension などのいくつかの企業はすでにインクジェット印刷を使用して多層基板を製造しており、この技術の成長と多様化に貢献しています。多層構造はさまざまな方法で実現できるため、特に興味深いです。たとえば、前述のレーダーボードはインクジェット印刷ではなく、別のアプローチで製造されており、多層フレキシブル電子機器の製造に利用できる技術の範囲を示しています。
エレクトロニクス 3D プリンティングの分野は、継続的な成長と多様化の重要な局面にあります。 NextFlex のような組織の主な責任の 1 つは、この分野で使用できる無数のテクノロジーを調査し、その結果 (長所と短所の両方) をメンバーと共有することです。標準化された方法を持つ従来の PCB 製造とは異なり、電子機器の 3D プリントは、新しい創造的なアプローチを刺激し続けるまったく新しいテクノロジーです。さまざまな印刷技術や積層技術を通じて、最良のアプローチが未だに決まっておらず、この技術にとって興味深く重要な転換点が生まれています。
△ Optomec の Aerosol Jet テクノロジーを使用して印刷された相互接続は、従来のワイヤボンディングよりも優れたパフォーマンスを示します。画像提供：Optomec。
さらに、電子印刷業界の新規参入者が現状を破壊しています。 Optomec などの企業は、ワイヤボンディングなどの従来の方法に代わる方法を提供することで大きな進歩を遂げました。ワイヤボンディングは成熟していますが、特に高周波でのインピーダンス整合などの課題にも直面しています。 Optomec は、特に高周波アプリケーション向けにワイヤボンディングを置き換えることができるソリューションを提供しており、複数の企業から投資を集めています。フレキシブルエレクトロニクスの分野も、そのユニークな用途により幅広い注目を集め続けています。
「電子機器の 3D 印刷は、製造の観点からも興味深いものです」とウォール氏は言います。「フレキシブル基板に電子機器を印刷できれば、ロールツーロール印刷の可能性が広がります。何百万個も必要な製品がロールツーロールプロセスで製造できれば、大量生産と低コストという点で大きなメリットがあります。私たちが協力している企業の中には、この分野に投資しているところもあります。」
チッププロジェクト<br /> 電子機器製造業の海外移転により、経済的理由と国家安全保障上の理由の両方から、米国内での電子機器製造業の復活の必要性が浮き彫りになった。米国の電子産業の強化を目的としたCHIPS法は、2022年にバイデン大統領によって署名され法律として施行され、国の経済的利益と安全保障上の利益を強化する重要な一歩とみなされている。
計画の520億ドルの大半はチップ製造工場に充てられると予想されるが、約110億ドルの大部分は研究開発に充てられ、高度なパッケージングが主要な焦点領域として特定されている。これは、積層エレクトロニクスパッケージングを現代の製造業の礎にすべく取り組んできた NextFlex にとって良い兆候です。
「議会が、ファウンドリだけでなくサプライチェーンの残りの部分に投資する必要があることを認識していることを心から尊敬しています」とウォール氏は説明する。「ウェハーを作れるなら素晴らしいことですが、次にやらなければならないのが、それを箱に入れてアジアに出荷し、パッケージングや組み立てをすることであれば、議会の目的が台無しになります。しかし、NextFlex は、サポートすべき最先端技術もいくつかあることを忘れないようにしています。従来のパッケージングや高度なパッケージングだけでなく、新しいアプローチもいくつかあります。CHIPS プログラムのパッケージング部分に関して、ハイブリッドエレクトロニクスが議論に参加する価値があるのは、まさにこの点だと私たちは考えています。」
持続可能な開発<br /> CHIPS プログラムと密接に関連しているのは持続可能性です。これは、製造の再現地化が輸送に関連する排出量とエネルギーコストの削減を意味するだけでなく、戦略の主要技術である付加製造により、より持続可能な設計と生産が可能になるからでもあります。これは、電子機器の 3D プリントやその他の付加製造方法にも当てはまります。
「現代の電子機器の製造は全体的にコストがかかります」とウォール氏は説明する。「面倒で、多くのステップが必要です。大量の材料をエッチングで削り取らなければならないため、大量の廃棄物が発生します。エッチングやフォトリソグラフィー、その他のプロセスステップが不要なため、電子機器の 3D プリントははるかに環境に優しいです。廃棄物は大幅に削減されます。これらの製品の製造に必要な電力は大幅に削減され、印刷するだけで完成します。」
課題はあるものの、ウォール氏は電子機器製造における 3D プリンティングの将来について楽観的だ。彼は、現時点では積層プロセスでは現代のフォトリソグラフィーの解像度に匹敵できないことを認めています。しかし、彼は技術が発展するにつれて、3D プリントの能力も向上すると考えています。極めて細い線を印刷する新しい方法はますます有望視されており、NextFlex のような組織は、これらの技術を大量生産向けに開発する上で重要な役割を果たしています。研究所の役割は、これらの技術革新を合理化し、業界でのスケーラブルな導入に備えることです。
世界中の企業が印刷技術において大きな進歩を遂げています。ポーランドのXTPL社、日本のSuper Inkjet社、米国のOptomec社とIDS社はいずれも積層造形の限界に挑戦している。ウォール氏は、NextFlex のような組織が、これらのさまざまな技術開発のための一貫したフレームワークを構築する上で重要であると強調しました。
NextFlex は、技術の進歩を推進し、コラボレーションを促進することで、アメリカの製造業復興において不可欠な存在となることを目指しています。この組織は、高度な 3D 印刷技術が電子機器製造の分野で不可欠な要素となる未来の基盤を築いています。これらの技術の開発と最終的な実装は、業界を変革するだけでなく、21 世紀のアメリカの製造業を再定義することになるだろう。

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