전자 장치 설계에서 적층 제조의 중요성

포토리소그래피 공정을 사용하는 기존의 제작 방식은 위험한 화학 물질 준비와 희토류 폐기물의 사용을 비롯하여 큰 단점이 있습니다. 지속 가능하고 효율적인 제작 기술의 목표는 신속한 시제품 제작이나 완전하게 작동하는 전자 장치에 적합해야 합니다.

이것이 바로 다양한 전자 설계 시스템에 걸쳐 적층 제조(AM)의 필요성이 점점 더 증가하는 이유입니다. 트랜지스터, 실리콘 제어 정류기, 다이오드, 발광 다이오드(LED), 연산 증폭기, 수동 장치와 같은 부품은 해당 기능으로 인해 제조 공정이 복잡합니다.

그림 1: Creality Ender-3 S1 Pro는 테스트 및 제품 조립을 위한 인클로저, 마운트, 지그에 사용할 수 있습니다(이미지 출처: Creality).

오늘날 전자 부품의 3D 프린팅은 설계 및 제조 방식에 변혁을 가져왔으며, 계층적 기능을 가진 복잡한 제품을 제작할 수 있는 잠재력을 제공합니다. 이러한 접근 방식은 재료 낭비, 시간 병목, 초기 준비 비용 감소 등의 이점으로 AM 및 프린팅 전자 분야에서 차세대 개척 방식으로 간주되고 있습니다.

또한 공급망의 복잡성 및 전자 부품에 대한 동적 요구를 고려할 때, AM을 채택하는 회사는 과잉 공급 없이 수요를 정확하게 충족하는 제품을 정밀하게 제조할 수 있습니다. 절삭 제조 방식에 비해, 이러한 계획적 생산 방식은 전자 폐기물을 줄이는 데 기여합니다.

적층 제조 전자 부품(AME)은 다층 전자 기판 내의 신호 반사 및 전자기 간섭에 대한 솔루션입니다. AME는 동일한 3D 프린팅 시스템에 전도성 및 비전도성 재료를 사용하여 보호 인클로에 내장할 수 있는 3차원 회로를 만듭니다. 따라서 전자 부품 설계자는 상호 연결 손실을 최소화하고 기판의 전체 크기를 줄이는 효율적인 공간 활용으로 이점을 얻을 수 있습니다.

성공을 위해서는 반드시 올바른 3D 프린팅 기술을 사용해야 합니다. 예를 들어, FDM은 비용 효율성에 적합하고, SLA는 정밀한 디테일에 적합하며, SLS는 견고한 부품에 적합한 경우가 많습니다. 3D 프린팅 재료도 중요한 차이를 만듭니다. PLA는 기본 모델 구축에 적합하고, ABS는 높은 내구성을 가진 부품 제조에 적합합니다.

전자 설계자가 3D 프린팅을 활용하는 방법

AM 전자 부품의 경우 접촉식 및 비접촉식 3D 프린팅이라는 두 가지 방법이 있습니다. 산업 규모의 전자 부품 제조의 경우 설계자는 잉크와 대상 기판 간 직접적인 접촉을 통해 잉크를 전사하는 접촉식 프린팅을 사용할 수 있습니다.

그림 2: MG Chemicals PLA 3D 프린팅 필라멘트는 고해상도 응용 제품에 적합하고, ABS는 유연성 및 높은 열 저항에 적합합니다(이미지 출처: MG Chemicals).

그러나 이러한 복잡한 전자 회로의 신속한 시제품 제작을 위한 신흥 시장이 있습니다. 점점 더 많은 엔지니어들이 비접촉식 잉크젯 프린팅으로 방향을 전환하고 있습니다. 이는 간단한 회로 기판에 대한 소량의 시제품 제작에 적합한 것으로 간주됩니다. 이 기법은 높은 생산량과 비용 절감을 제공하지만 프린팅 공정 중 맨 아래 층에 손상이 발생할 수 있습니다.

AM의 효율성이 대폭 향상되어 전자 부품 설계자가 혁신적인 회로 설계에 집중할 수 있게 되었습니다. 선택적 레이저 소결(SLS) 및 멀티젯 퓨전(MJF)과 같은 기술은 이전에는 단점이었던 이러한 기판의 생산을 처리할 수 있습니다. 기존 공정에 비해 AM을 통해 적절한 수량의 전자 케이스와 브레드 기판을 빠르게 제조할 수 있습니다.

추가 자료: 3D 프린팅 소개 및 작동 방식

IoT 응용 분야에서 설계자는 감지, 처리 및 작동 시스템과 같은 고급 기능을 갖춘 임베디드 장치에 AM을 활용할 수 있습니다. 특히 의료, 로봇, 항공우주 분야에서는 소형화된 시스템에 대한 관심이 매우 높습니다.

NASA 및 Glenn Research Center와 같은 항공우주 연구 기관은 우주선에 통합할 임베디드 시스템을 구축했습니다. AM은 3D 프린팅 구조에 다기능 부품을 통합할 수 있기 때문에, 소형화된 제작 장치를 공간 제약이 있는 시스템에 배치할 수 있습니다.

적층 제조 전자 제품의 미래

3D 프린팅 전자 장치는 전력 전자 장치, 센서, 배터리, 태양광 전지, 신축 가능 전자 부품, 웨어러블에 광범위하게 사용됩니다. 기존 제조 방식에서 발생하는 신호 무결성 및 열 관리 문제를 극복하기 위해 새로운 방법론이 채택되었습니다.

미래는 산업 수준의 응용 분야에서 3D 프린팅된 기능성 전자 제품의 채택을 더욱 확대하는 데 달려 있습니다.