编织增材电子设计与制造的数字主线

增材制造在电子产品中的应用，可追溯至 30 多年前厚膜、丝网印刷混合电路的诞生。这些技术虽从未完全淡出，但也未能如预期般与传统的层压、减材蚀刻 PCB 技术并驾齐驱。如今，各类新型材料、工艺及 3D 打印技术的蓬勃涌现正推动增材制造在电子领域的全面复兴。

增材制造的核心目标，是构建优化且连续的数字主线，确保设计从各类设计与验证工具流转至制造环节的全过程中，无需返工重做。

传统上，电子设备是封装在机械外壳中的独立结构；而当下趋势是将电子设备更无缝地集成到产品的最终形态中，这就要求电路具备柔性，或能贴合产品表面的轮廓。除了缩减尺寸与重量，驱动这一变革的因素还包括本地生产的定制化需求、零部件数量的精简、新型 3D 结构的开发，以及供应链的重构。

这项新技术的应用场景十分广泛；然而，繁多的制造技术与材料使得优化目标不断变化，难以聚焦。

适用于增材制造的设计

从设计者视角来看，这些技术可分为平面与非平面两大类。

平面电子设备的设计流程与传统层状平面 PCB 结构相近。制造工艺或许截然不同（例如采用增材打印机），但仍遵循逐层构建平面结构的逻辑。在后期生产中，它们可被弯曲或模塑为最终形态。当前适用于平面设计的先进技术包括柔性混合电子（FHE，其 IC、电池等所有组件均具备柔性）、模塑互连，以及 3D 贴合 '包裹'（如将 2D 设计转换为适配 3D 结构的形式后再进行打印）。

多年来，PCB 设计工具的进步已支持刚柔结合、局部电介质、HDI（高密度互连）、线键合及嵌入式有源 / 无源元件等技术，这些都为平面结构设计提供了助力 —— 其核心是让数字孪生更加智能。当需确保互连、阻抗连续性等特性时，可制造性设计被赋予了新的内涵。在这类设计链中，机械计算机辅助设计 (MCAD) 工具的作用愈发关键，但电子设计自动化 (ECAD) 与机械设计领域之间仍可能存在壁垒。

非平面电子设备可在特定空间内的任意角度、任意位置设置互连与元件。此时，电子设备与机械外壳已无功能上的分离，二者浑然一体，构成完整的机电融合结构。受几何形状的限制，这类结构的原型通常在 MCAD 中被设计为非电气智能结构，这意味着舍弃了数十年来 ECAD 领域积累的自动化与验证技术。目前这些结构相对简单，这种妥协尚能接受，但随着复杂度提升，对保持电气智能与模型性能的需求将日益迫切。

优化工具链

过去 50 多年来，PCB 设计与制造的工具链已在很大程度上实现优化。如前文所述，增材制造的目标是实现同等优化，确保设计从工具链流转至制造环节时无需重新设计，从而维持数字主线的连续性（图 1）。增材制造当前面临的挑战之一是，处于研究阶段的制造技术与材料过多，导致难以聚焦于一个稳定的优化目标。

图 1：3D 打印机电结构的工具链。

（图片来源：西门子）

乍看之下，图 1 的流程图可能被误认为代表传统 PCB 流程，但细究会发现诸多新挑战：

ECAD 与 MCAD 的界限日益模糊，机电设计或许需要在单一工具中完成。

设计约束必须考虑所用材料的可变性。

鉴于这些新结构的运行条件，需通过多物理场分析确保性能达标。

传递至制造环节的产品模型需保留设计意图，以避免重新设计。平面电子设备可沿用现有的 PCB 模型（如 ODB++、IPC-2581），但可能需要扩展以支持更多设计元素；非平面电子设备则可能需要全新模型。两种情况下，从设计到制造的路径都可能经过 MCAD，而非传统的 ECAD 输出。

制造环节的工艺准备阶段，必须应用多材料'切片'与'路径'算法，确保结构按设计精准打印。

制造环节需集成一系列新设备。此外，传统 PCB '先制造后组装'的工艺可能被颠覆，因为在'基板构建'过程中即可集成有源与无源元件。

为应对这些挑战，西门子正依托其涵盖 ECAD、MCAD 及仿真技术的多域产品组合，与其他机构合作完善工具链、构建材料数据库、开发工艺套件，并优化从概念到制造的数字主线。

借助柔性混合电子 (FHE) 顺应有机形状的能力，电子功能如今可被集成到新兴的消费、医疗及工业产品中；而当这些产品与数据分析、人工智能领域的快速发展相结合时，便能实现实时决策与分析。增材制造恰好适配 FHE 的设计与制造需求。

西门子的 Xpedition、HyperLynx、Valor 及 NX 等解决方案，正通过与合作伙伴的协作，深入探究材料、工艺、工具链及增材制造各环节的演变规律，从而明确研发资源的投入方向。

增材制造的应用在电子领域仍有巨大的改进空间。西门子正与行业伙伴合作推动这些技术走向产品化，以促进增材制造的发展，并构建一条贯穿从设计到制造全流程的连续数字主线。