積層制造的案例
粉末測量新技術：Mastersizer 3000+ vs Morphologi-4ID
臺灣科技大學 多功能材料制造實驗室 / 文承瀚 研究生
(轉載自繁體版ACMT電子技術月刊No.091)
前言
隨著科技的進步，積層制造技術正迅速改變現代制造業的面貌，在這一變革性的制造技術背后，粉末材料不僅直接決定了最終產品的質量和性能，還會影響制造過程的效率和成本。
近年來，粉末技術在材料選擇、制粉工藝、顆粒特性控制和應用范圍等方面取得了顯著的突破，使得積層制造技術能夠應用于更多元化和更尖端的領域。本文將探討粉末分析技術的最新發展，并使用積層制造作為新技術運用的實例。
粉末特性
近年來，有許多研究探討粉末物理性質的改變，特別是在粒徑和形狀的控制方面，這些進步對于粉末材料的物理性質和應用性能產生了深遠的影響。
粒徑改變造成的影響
比表面積：隨著粉末粒徑的減小，一般比表面積會顯著增大。比表面積的增加使得粉末在積層制造中可以更有效地與添加劑進行混合。
分散性：小粒徑粉末具有更好的分散性，可以在液體或聚合物基體中均勻分布，這在漿料的制備中至關重要，有助于提升材料的打印性能，但是小顆粒也有相應的缺點，其會容易發生團聚，進而影響分散性，因此，粉末的大小要根據使用需求進行調控。
反應速率：奈米級粉末由于其顆粒細小，一般比表面積較大，而使化學反應速率顯著提高，這也會使漿料固化的性能顯著提升。
形狀控制的影響
流動性：球形粉末具有更好的流動性，這對于積層制造和粉末科學來說非常重要。良好的流動性有助于提高材料的成型精度和制造效率，同時減少制造過程中所產生的缺陷。
堆積密度：粉末的形狀影響其堆積密度。球形粉末通常具有較高的堆積密度，這意味著在相同體積內可以填充更多的材料，有助于提高燒結體的致密度和機械強度，這在制造高性能結構材料時尤為重要。
展開 SLM制作模具零件
■ 耀德講堂 / 趙育德 講師
(轉載自繁體版ACMT電子技術月刊No.080)
前言
在積層制造推行至今，我認為采用SLM(Selective Laser Melting, SLM)制作模具零件無疑是MAM技術最成功的案例，如圖1與圖2表示。這是金屬積層制造迄今最成功的方向，沒有其二。這個成果其實是經過不斷的驗證和失敗，幸好跟著計算機科技的進步，包含金屬粉末制造的分選改良、設計與分析模具的軟件進步、制造模具的方法推陳出新、檢驗技術更加先進，多種條件技術的組合在一起才有今天這樣的成果。
我們都知道，金屬積層制造中有七大分類，在前面章節已經說明了最適合于金屬零件的加工方法就是SLM，主要在于直接融化金屬粉末并使其形成熔池，逐道再逐層的建立出整個產品的形狀，并且過程中以計算機輔助監控其尺寸并加以控制，因此SLM只要根據雷射能量功率和光斑尺寸，搭配足夠精細的粉末粒徑，以及更精確的機構動作，能夠控制到達10μm的精確度已經不成問題，這是MAM發展至今一直努力的目標。
圖1：SLM成型的原理（上視）──逐道完成產品形貌定義與結構固化（本圖片由邱博修改）。資料引用自https://www.researchgate.net/publication/328943270
圖2：SLM成型的原理（側視）──逐層完成產品形貌定義與結構固化（本圖片由邱博修改）。資料引用自https://www.researchgate.net/publication/328943270
再者，模具技術的進步已經是大家有目共睹，針對模仁與重要機構，以往是用模具塊材以減法加工的方式進行，而減法加工最大的問題在于移除不需要的材料所耗費的時間。此外，在模具材料價格昂貴的現況下，整套模具所移除的部分至少占整塊材料50%的重量，會在材料費用上造成許多不必要的浪費。
展開 破曉時分──MBJT成為MIM的強大競爭者
Q的最強能力（久病成良醫），雖然MIM目前的設備都可以幫助到MBJT，但是現有MIM設備用于MBJT真是大材小用，許多燒結爐的規格包含燒結參數對于MBJT都是不適用的；舉個例子，燒結爐的空間、能耗成本和冷卻時間就是一個明顯的問題，MIM專用的爐子是希望容量更大、裝載更多，然而對于MBJT就相對過大而造成浪費，而且從專爐專用的角度來看，不同工藝成型品以及體積/重量大小差異過大的制品共燒存在許多不確定的因素，可能會導致燒結結果異常；不過，MBJT需要較為小型燒結爐的限制無疑提供了燒結爐制造商的新機會，小體積、可控加壓以及快速冷卻，將會是未來MBJT產業上的新需求；
金屬零件的后處理一直都是積層制造的短版，因為積層制造的產品數量通常是少量多樣，沒有辦法如大量生產的制品可以使用專門的設備和工、治具來進行后處理，這點就需要時間來累積經驗；打印分辨率與模具品的差異在于成型過程的壓力，因此機械加工的后處理是唯一可以縮短兩種差異的最好方式，保留燒結后產品可以夾持的特征將是BJT最迫切學習的設計要求，這個也需要時間來累積經驗！
新的一年，MBJT與MIM攜手并進的2024
其實積層制造的方式仍舊不能超越MIM在于模具品的精度和特征輪廓，不過對于變化密度包含特殊的拓樸結構則是MIM無法達成的，兩者處在各自擁有長短處但都能有一片天的優點。寫了一天，來到這里已經是2024/1/2中午，改來改去和收集圖片花掉Dr.Q許多時間，希望這篇開年的專稿能夠提供MBJT從業者們的一個指引，并且安撫MIM業者快速接納MBJT挑戰，并尋找兄弟聯手的合作機會，畢竟都屬于粉末成型技術的大家庭一員。新年快樂，又是陽光普照的一年。
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展開 Moldex3D模流分析之層制造異型水路鑲件之設計與效能
大綱
本研究以熱像儀搭配壓力/流量計構成的監測系統，對積層制造（3D打印）制作的鑲件之表面溫度及異型水路的流量效能進行實時監控，并與相同條件下的Moldex3D模擬結果進行比對，結果顯示仿真與實際測試一致，能有效降低復雜產品的開發成本。
挑戰
? 評估在投入生產前設計不銹鋼異型水路取代鈹銅高導熱的效益
? 模擬結果須與真實匹配性高
? 測試系統做為3D打印異型水路模具的效能驗證工具
解決方案
利用模座預熱模塊重現異型水路模具的熱成像溫度分布
效益
? 模擬與實際測試結果一致
? 模具壽命增加一倍
? 模具制造成本為原本鈹銅模具的一半
案例研究
水路設計對于塑料成型的模溫差與翹曲的影響甚為重要，而以積層制造/3D打印方式制造的異型水路能夠改善傳統水路的缺點，包括降低熱點溫度、減少制程周期時間等。但異型水路制作成本較高，需要搭配精確的模擬分析以提高應用普及度。本研究建立一測試系統，監控模具溫度場及流場，并根據實際熱傳效能來輔助模型建立與參數設定，提高異型水路的設計效能。
綜合上述，將使用3D打印的方式制造另一兼具使用壽命長與優異冷卻效率的模具，選用的模具材質為高硬度的不銹鋼，在3D打印生產前，先使用Moldex3D模擬結果協助客戶判斷模具的特定關鍵區域是否達到預期，評估項目包括溫度分布及異型水路的流場效能。
分析完成后，由水路的速度仿真結果可知，出水口流速約84.35cm/s，經由換算得到流量為3.97L/min，而實際測量的流量值為3.80L/min，兩者結果相當接近。
實驗進一步使用熱像儀紀錄模具升溫過程的溫度分布。由圖一比較溫度結果可知，仿真與實際測試的結果一致，呈現相同的分布趨勢，且隨時間增加，溫度分布逐漸趨于均勻。
展開 
應用3D打印陶殼模鑄模技術控制鑄造工藝金屬凝固行為及其縮孔
為了避免縮孔缺陷形成影響鑄件質量，傳統陶殼模工藝過程中，針對鑄件特征較厚區域，特別增加更厚澆冒口設計，藉此各區塊保溫、散熱、冷卻的速率控制，進而達到控制整體金屬液于模腔的凝固方向性；但此方法常造成材料利用率下降并增加鑄件的后處理工序，導致制造成本增加。
根據多篇研究結果顯示利用積層制造技術制備陶殼模鑄模，可以提供鑄模彈性化設計及提升精密鑄造鑄件質量[4-6]，對于少量多樣的創新產品開發，更可以縮短產品開發時間50%以上與降低研發成本75%以上。其中噴膠黏粉技術(Binder jetting)可適用于多種類粉末材料與黏結劑，噴印過程于常溫常壓下即可進行，噴墨頭接收驅動訊號后直接將黏結劑噴印圖案于粉床(Powder bed)上，將粉末黏結成形，隨后以逐層堆棧方式建構出初始對象 (Green part)，制作大型化對象，而未噴印粉末可回收再回到噴印工藝中，此陶殼模鑄模制作方法已成為主要發展工藝技術重點之一。
本文主要聚焦于陶瓷粉體積層制造方法應用于一體形精密鑄造用陶殼模鑄模的關鍵殼模設計參數，并整合3D打印無形狀限制優勢進行鑄造模擬及方案設計技術，探討不均厚陶殼模鑄模設計對于控制鑄件各區塊的凝固速度，藉此達到預測分析精密鑄造過程中金屬液凝固行為/方向及縮孔缺陷形成的關鍵影響因素，提供發展3D打印陶殼模鑄模的研究開發基礎。
精密鑄造工藝技術
精密鑄造法，又稱脫蠟法(Lost wax casting），具有可鑄造出更薄、形狀更復雜、表面亮度佳、尺寸精密度高及生產速度快的優勢。
展開 食物垃圾也能派上用場了！可轉化為3D打印材料
3D打印，又稱增材制造、積層制造，可指任何打印三維物體的過程。Genecis創始人兼首席執行官稱，全球每年被浪費的食物價值超過1萬億美元，他們目的是把那些浪費掉的食物垃圾，轉化為價值更高的東西。事實上，Genecis是一家由幾位多倫多大學工程師和畢業生共同創辦的初創公司，目前他們正嘗試利用微生物，將餐館垃圾變成一種與合成塑料特性相似的可降解生物塑料，聚羥基脂肪酸酯，簡稱PHA。PHA這種生物塑料最大的優點在于容易降解，在陸地環境下僅需1年即可完全降解，在海洋環境中則需要10年時間，與普通塑料長達4、5百年的分解周期相比，PHA降解時間更短。
目前Genecis的主要任務還是研發，研究人員在嘗試不同的溫度、pH值和食物垃圾量的組合，希望能尋找實現產量最大化的反應條件。該公司運營2年以來，已經成功處理超過1噸的食物垃圾，由此生產出的生物塑料可以制造5586個塑料勺。預計2019年將會開放其示范工廠，屆時每周可將3噸有機廢物轉換為PHA，處理成本與垃圾填埋場的成本相當。
據了解，可將食物垃圾轉化為PHA裝置原型已經創造完成，預計每年可抵消243噸的二氧化碳排放量。
（來源：中國3D打印網）
展開 基于連續熔融液滴傳輸的M3DPen金屬3D打印技術
這種方法與傳統的基于電弧的金屬積層制造不同之處，在于它控制了點對點沉積路徑之間的凝固和冷卻時間，從而實現一次性連續金屬3D打印自由支撐和懸臂結構。另外，文章還探討了冷卻時熔融金屬的熱差異影響下的機械性能和微觀組織。
M3DPen設備及制程
M3DPen制程的工作原理
1. M3DPen打印筆使用電弧等離子體(Arc Plasma)熱源加熱金屬絲，使其熔化。
2. 熔融金屬通過筆尖噴出，利用表面張力實現連續材料沉積。
3. 由于沉積路徑之間的凝固和冷卻時間被控制，因此可以實現一次性連續金屬 3D打印自由支撐和懸臂結構。
4. 在M3DPen打印過程中，電弧等離子體熱源提供了足夠的能量來使金屬絲熔化并形成一個小型的熔池。
5. 當金屬絲被推進到這個小型的熔池中時，它會迅速融化并形成一個小型的液滴。
6. 液滴通過筆尖噴出并附著在基板上，然后快速凝固形成一個新的固體層。
CFD數值模擬
1. 本文使用CFD軟件FLOW-3D模擬M3DPen打印過程中熔融金屬的凝固過程。
2. 通過模擬分析證明了M3DPen打印過程中熔融金屬的穩定沉積。
3. 文章提供了M3DPen中熔融金屬的沉積和凝固的3D瞬態分析結果。
4. 分析結果有助于更好地理解M3DPen打印過程中熔融金屬的行為和特性。
溫度梯度和生長速率對凝固微觀組織和機械性能的影響
獨立3D結構的連續制造
M3DPen可以實現連續金屬3D打印自由支撐和懸臂結構。
下圖展示了使用M3DPen連續金屬打印的螺旋結構，以及用于制造螺旋結構的連續金屬沉積路徑。該螺旋結構具有80毫米的半徑和200毫米的螺距。
展開 Moldex3D模流分析之利用模流分析減少3D打印的開發過程
客戶簡介
客戶：Fortify
地區：美國
產業：制造業
解決方案：Moldex3D Professional
Fortify成立于2016年，總部位于波士頓。該公司應用范圍廣泛，從射出模具制造到獨特機械和電磁特性的高性能成品零件。Fortify利用其擁有專利之DCM (Digital Composite Manufacturing)平臺改變3D打印產業。透過DCM在光聚合物中加入功能性添加物，可將積層制造零件的性能表現提升到一個新的水平。(來源)
大綱
模流分析常用于獲取生產過程的起始參數，同時評估澆口位置/設計可能產生的問題。然而，在用于原型批量生產中，產品有無缺陷將比流程是否精準更為重要，而這些起始成型參數可能就是你所需要的。
挑戰
對于一般材料來說，單單模具制程的開發就可能需要進行10-20的試射，而3D打印模具有限的生命周期意味著在獲得無缺陷產品方面，能使用更少的射出次數對于提高產品的產量至關重要。
解決方案
使用數字模具(DT)的特性和成型樹脂，Moldex3D可以針對尼龍66模擬出無缺陷制程。
效益
減少在模具機上的制程開發時間
最大化3D打印模具功能性零件的產量
節省制程工程師珍貴的時間
案例研究
由于軟模的使用壽命有限，如何最大限度地提高軟模射出次數，以及相較于我們已經掌握的方法，如何能進一步加快產品生產過程。這些一直都是我們想突破的問題。
3D打印軟模具有許多優點，如縮短交付時間、提高設計靈活性和節省成本。然而，其中一個顯著的缺點是它沒有金屬模具的高耐用性。軟模具確實可以生產數百至上千個零件，但更常見的情況是在其生命周期中生產50到300個零件。
展開 技術文章 | 金屬粉末射出成型(MIM)
圖4：高端品牌包與高爾夫球具也都開始用到MIM 制品
小結
金屬粉末射出成型最少改變了我個人，把我再推向另一個需要粉末成型技術的技術──金屬積層制造，然而我所擁有的知識卻都是來自MIM，各位讀者一定仔細理解粉末技術的重要性，這是恩師邱博在2010 年領我進到粉末技術世界一再叮嚀我并要求我的事情，沒想到在2019 年開始當顧問進行巡迴授課時，我也開始和各公司的伙伴們說起和邱博同樣的話。學海無垠、唯勤是岸，正如我最喜歡從事的工作──金屬粉末射出成型工藝教學，早出、晚歸并與各位同在生產線上、混料機、射出機、脫脂爐和燒結爐的旁邊，感受MIM 給我生命的力量。■
摘錄自：ACMT【SMART Molding】簡體中文 ? V080-(2023/10月刊)
展開 金屬粉末射出成型(MIM)
圖4：高端品牌包與高爾夫球具也都開始用到MIM 制品
小結
金屬粉末射出成型最少改變了我個人，把我再推向另一個需要粉末成型技術的技術──金屬積層制造，然而我所擁有的知識卻都是來自MIM，各位讀者一定仔細理解粉末技術的重要性，這是恩師邱博在2010 年領我進到粉末技術世界一再叮嚀我并要求我的事情，沒想到在2019 年開始當顧問進行巡迴授課時，我也開始和各公司的伙伴們說起和邱博同樣的話。學海無垠、唯勤是岸，正如我最喜歡從事的工作──金屬粉末射出成型工藝教學，早出、晚歸并與各位同在生產線上、混料機、射出機、脫脂爐和燒結爐的旁邊，感受MIM 給我生命的力量。■
摘錄自：ACMT【SMART Molding】簡體中文 ? V080-(2023/10月刊)
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展開 金屬粉末射出成型(MIM)
圖4：高端品牌包與高爾夫球具也都開始用到MIM制品
小結
金屬粉末射出成型最少改變了我個人，把我再推向另一個需要粉末成型技術的技術──金屬積層制造，然而我所擁有的知識卻都是來自MIM，各位讀者一定仔細理解粉末技術的重要性，這是恩師邱博在2010年領我進到粉末技術世界一再叮嚀我并要求我的事情，沒想到在2019年開始當顧問進行巡回授課時，我也開始和各公司的伙伴們說起和邱博同樣的話。學海無垠、唯勤是岸，正如我最喜歡從事的工作──金屬粉末射出成型工藝教學，早出、晚歸并與各位同在生產線上、混料機、射出機、脫脂爐和燒結爐的旁邊，感受MIM給我生命的力量。
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展開 
一文看懂電路三個層次的集成
芯片上集成的環節
芯片上的集成主要分為兩大環節：器件制造和金屬互連，也稱為前段工藝FEOL和后段工藝BEOL。
器件制造（前段工藝）
器件制造就是在單晶硅片上通過光刻、刻蝕，離子注入，濺射、化學氣相沉積，物理氣象沉積、化學機械拋光、晶圓整平等工藝步驟，制造出被我們稱為功能細胞的晶體管、電阻、電容、二極管等。現在的5nm工藝可以在1mm2毫米的面積上制造出超過1億只以上的晶體管。
晶體管的制造過程，主要包括隔離、柵結構、源漏、接觸孔等形成工藝，一般稱之為前段工藝（FEOL, Front End of Line)。
單晶硅通過離子注入可形成，N、N+、N-，P、P+、P-等多種不同參雜濃度的半導體，多晶硅則作為柵極或者電阻使用。
下圖所示為FinFET晶體管在顯微鏡下的照片，其中較高的白色橫梁為柵極G，矮橫梁為Fin，其寬度約為柵極寬度的0.67倍，柵極的兩側為源級S和漏極D。
金屬互連（后段工藝）
晶體管層制造好后，通過鎢等金屬制造接觸孔contact連接晶體管和首層布線，然后通過多層金屬布線和過孔進行電氣互連，早先的芯片用鋁布線，現在的芯片多用銅布線。
用于連接晶體管等器件的多層金屬布線的制造，主要包括互連線間介質沉積，金屬線的形成，引出焊盤形成，一般稱為后段工藝（BEOL, Back End of Line)。
金屬互連中采用的導體有鎢、銅、鋁等金屬，絕緣體則有氧化硅，氮化硅，高介電常數膜，低介電常數膜，聚酰亞胺等。
展開 2.5D3D封裝
剛性有機基板按照制板工藝分類，剛性有機基板可分為層壓（Lamination）基板和積層（Build-up） 基板兩大類。I/O 端口數較多的高密度封裝器件需要采用積層基板，其關鍵工藝是微孔技術，先在芯板兩 側對稱制造絕緣層，然后通過光刻或激光鉆孔的方式在絕緣層上形成微孔，后續通過鍍銅填充微孔，并在 絕緣層表明形成電路圖形，重復這些積層步驟可以制造多積層板。另外，在基板制造過程中需要用到的絕 緣層材料目前主流是日本味之素精細化學品公司生產的 ABF（Ajinomoto Build-up Film）。
（圖26：ABF 基板制造流程）
資料來源：semiengineering，國盛證券研究所
關于圖元
圖元EDA是資深的芯片垂直行業服務提供商，聚焦于集成電路、汽車電子、航空航天等領域，為客 戶提供從芯片到SiP/Chiplet 先進封裝的 EDA 與設計服務，擁有廣泛的國內外合作伙伴。團隊管理層從事 EDA 和設計服務已超過 20 年，自 2011 年成立以來已服務客戶超 300 余家。主營業務聚焦三個部分
主營業務聚焦三個部分
? 專業的 EDA&IP 服務，設計平臺運維服務；
? 芯片后端到 2.5D/3D IC，Chiplet 設計服務；
? NTO/MPW 流片、封裝基板和芯片測試的供應鏈服務。
EDA/IP 是公司傳統業務，圖元 EDA 是美國 Cadence 官方授權合作伙伴。EDA 運維團隊具有管理數千臺 EDA 服務器/工作站集群的能力和經驗，我們的 CAD 專業服務團隊承
諾EDA平臺的平穩運行，幫助設計公司的芯片早日 Tapeout，
產品更快的 time to market。
展開 淺析封裝基板的設計開發
近年來，積層多層 PCB、高密度互連 PCB 的開發成功和模塊基板的大量采用，為高密度多層基板開創了廣闊的用武之地。在短時間內，人們就開發出二三十種不同的工藝用于積層多層板的制造。從絕緣層形成來劃分，大致可分為四大類：感光樹脂/光刻成孔法；熱固性樹脂/激光成孔法；附樹脂銅箔/激光成孔法；無“芯板”全層導通孔法，如 ALIVH、B 2 it、半固化片形成法等。
20 世紀 90 年代中末期，IC 產業邁入高密度封裝時代。與之緊密配合，迅速形成積層多層板和有機封裝基板這兩大新市場，使 PCB 產業發生了以產品結構為主要特征的戰略性轉移，并對整個微電子產業產生深遠的影響：
1）電子基板產業將更有力地推動電子封裝乃至整個微電子產業的進步和發展。電子基板，特別是高密度多層基板技術已成為一個國家、一個地區在發展微電子產業中的關鍵與核心技術之一。
2）半導體封裝所要實現的高速化、高性能、小型化、低成本等特點，將由封裝基板來承擔。隨著半導體封裝向高層次、高水平發展，基板所承載的功能越來越多，要求越來越高。因此，就需要封裝基板制造技術（包括基板材料制造技術）向著更尖端方向發展。
3）積層多層板和封裝基板是尖端電子基板的主體。發展這兩大類附加值高、具有廣闊市場前景的高密度基板，是帶動整個 PCB 產業發展的新的“經濟增長點”。
4）積層多層板和封裝基板市場的形成，給 PCB 產業及其相關原材料產業、設備制造業，帶來深刻的變革。這種變革涉及產品品種結構、工藝技術、經營策略、生成系統結構、跨行業和跨國界的技術合作等各個方面。
展開 一文看懂封裝基板
美國和歐洲：
在美國,目前僅剩HoneywelACI公司有實力以激光鉆孔技術制造積層法多層板。未來美國將會朝著適于高檔次半導體封裝基板工藝的相關設備研制、開發的方向努力。歐洲地區目前有能力以激光鉆孔技術生產積層法多層板的廠商有:AT&S（澳地利）、Aspoeomp（芬蘭）、PPE等三家公司。
主流封裝基板產品分類
1.按基材材質分類
封裝基板按基材材質可分為剛性有機封裝基板、撓性封裝基板和陶瓷封裝基板。
PCB產品按基材柔軟性分類
剛性有機封裝基板
一般工藝(單面、雙面、多層板)和積層法的多層板，多用于BGA封裝產品中，占三類產品生產總量85%-88%。
剛性CSP/PBGA/FC-PGA/FC-PBGA/Cavity PBGA
撓性封裝基板
以聚酰亞胺薄膜為基膜的基材,如BGA、D2BGA、T一BGA、T一CSP.μCSP等,增長快。
FilmCSP/Tape-BGA
陶瓷封裝基板
"陶瓷封裝基板:氧化鋁基板、氮化鋁基板、低溫共燒陶瓷多層基板。"
CeramicPGA/BGA/CSP
2.按制造工藝分類
封裝基板按照制造工藝可分為剛性基板（含陶瓷基板）、撓性基板、積層法多層基板（BUM）。
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