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            電子增材制造:全球產業鏈重構變局中的新機遇

            來源:夢之墨     發布時間:2022-08-11
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            近年來,受逆全球化、貿易保護主義抬頭、新冠疫情等多重因素的疊加影響,全球產業鏈供應鏈安全穩定運行受到重大沖擊,突發的俄烏沖突更是使已受重挫的全球產業鏈供應鏈遭遇新的打擊。過去,全球化背景下形成的各國高度相互依賴的產業鏈供應鏈暴露出其脆弱性,“斷鏈”與“脫鉤”風險持續攀升。發達國家紛紛開始重新審視制造業外包等“去工業化”政策,采取多種措施重振本土制造業、促進制造業回流。增材制造技術已成為多國政府共同認可的提升工業制造能力和解決供應鏈問題的關鍵途徑。


            從數據看,增材制造市場規模近些年一直呈現規模增長趨勢,但主要集中于結構件的制造。而在電子增材制造領域,實現產業化應用的企業寥寥無幾。作為工業經濟增長重要支柱的電子制造業,具有周期長、鏈條長、分工細且復雜等特點,在當前時局下更易受影響,易斷易掉。 如何在黑天鵝事件不斷爆發的動蕩時局中生存發展是亟待解決的問題,而大力發展電子增材制造將是當前時局下的一個關鍵突破口。


            本文的核心觀點:

            新形勢下,逆全球化趨勢對制造業提出了向“網”式、“去中心化”方向發展的需求。增材制造可提供個性化、本地化、輕量化的解決方案,正在成為“智能制造”時代可有效保障供應鏈彈性和安全性的關鍵技術和生產方式。


            在全球嚴把“雙碳”目標、俄烏沖突導致能源價格大幅上漲的背景下,制造業如何進一步“節能”、“減排”變得更為緊迫。高耗能高污染的電子制造產業只有通過全面的技術升級才能突破阻力,如今看來在電子制造業中引入增材制造模式將是解決該問題的有效途徑。


            縱觀全球電子產業鏈遷移史,無不是技術與成本的角力。作為高端制造技術,電子增材制造在提升產業附加值的同時還兼顧了效率、成本、環保等重要優勢,把握當前時機實現產業化將是占據供應鏈主導地位的關鍵。


            電子增材制造模式可有效保障供應鏈安全性和彈性


            2018年以來,伴隨著貿易保護主義抬頭、中美貿易摩擦、新冠肺炎疫情、俄烏沖突等多因素影響,全球化背景下形成的各國高度相互依賴的產業鏈供應鏈暴露出其脆弱性,全球產業鏈供應鏈“斷鏈”與“脫鉤”風險持續攀升。過去全球產業鏈供應鏈配置的內在的邏輯是效率優先,如今主要經濟體紛紛出臺政策措施加強對產業鏈供應鏈的“國家干預”,保障產業鏈供應鏈安全成為關系國家長遠發展的戰略考慮。全球產業鏈供應鏈逐漸向某區域內或一國及周邊地區收縮和集聚,呈現區域化、本土化趨勢發展,去中心化的本地生產成為未來重要的生產方式。而增材制造技術已成為多國政府共同認可的可有效解決供應鏈問題的關鍵途徑。


            將增材制造理念引入電子制造領域。增材制造是快速成型技術的一種,通過材料逐步堆積累加的方法實現生產,是近些年在高速發展的新興技術,屬于高端制造行業。但目前市場中多以結構型增材制造為主,專注于電子增材制造產業的企業寥寥無幾。事實上,電子制造由于其周期長、鏈條長、分工細且復雜等特點,在當前時局下更易受影響,易斷易掉。作為信息時代的核心組成部分,保障電子制造產業供應鏈的安全性和彈性已成為各國重點關注的問題之一。


            將增材制造引入電子制造領域,即運用優化的圖形印刷作為增材制造工藝,使功能性導電材料在襯底上一次成形,無需后續減材制程。相較于傳統的電子制造方法如蝕刻法等后期去除材料的方式,增材制造生產工藝簡化、生產設備及所需材料大幅減少且生產過程近于零污染排放,具有輕量化、靈活化、綠色環保等天然優勢,可快速實現去中心化的本地生產模式。相比之下,傳統的電子制造模式工序繁瑣、大型設備較多,因而生產場地建設周期長、人工需求量大及動輒幾億、幾十億的資金投入,需要較長時間才能具備本土承接能力。以2022年某重大FPC產業項目為例,基于傳統制造工藝建設高精密柔性電路板生產線3條,總投資約15億人民幣,廠房面積10萬平方米,購置RTR壓膜機、曝光機、鉆孔機、激光切割機等設備400多臺(套) ,年產能1000萬㎡。而在相同產能建設標準下,電子增材制造無論從資金投入還是占地面積上看都可降低近一個數量級,可以采用“廠邊廠”乃至“廠中廠”的配套模式實現全球式快速布局,形成區域內、短鏈式的生產和服務,是有效保障供應鏈彈性和安全性的快速解決方案。


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            低耗低排的綠色制造模式是電子制造產業發展的必然


            近年來,在全球應對氣候變化形勢的推動下,越來越多的國家政府正在將碳減排行動轉化為國家戰略,"低能耗,低排放,低污染"的低碳經濟已然成為世界各國未來經濟發展的共同選擇。電子制造作為工業生產中的重要一環,屬于高耗能、高排放、高污染產業,如果不采取節能減排的技術改造措施,將很難滿足未來發展的要求。


            一方面,能源的短缺導致生產的“限電限產”,而突發的俄烏沖突引發全球能源價格的飆升為高能耗產業帶來更大壓力,高耗能行業綠色升級需求下的工業技改勢在必行。相比于傳統電子制造工藝,電子增材制造模式可有效降低能源消耗,滿足低碳排放需求?;陔娮釉霾闹圃斓纳a方式是通過直接印刷/打印的工藝,將電路直接集成到基底表面。生產過程大大簡化、使用設備耗能低、原材料利用率高,可有效節省近90%的材料浪費,降低碳排放60%以上。以雙面線路板為例,經過測算,傳統蝕刻法生產每平米等效二氧化碳排放約為144kg,而液態金屬印刷的等效排放僅為63kg,每百萬平米產能可減少二氧化碳排放8.1萬噸,也相當于節省了3.24萬噸煤和3.24萬噸凈水。


            另一方面,伴隨著電子制造過程中化學品的大量使用及污染物的排放,電子工業對環境的影響已經使各國不得不對專門制定環保要求的法律、法規,電子工業進入了諸多環保要求限定的環境壁壘時代,電子制造技術亟待全面實現綠色轉型。生產印刷電路板涉及許多化學品消耗密集型的工藝,PCB的生產過程中含有許多重金屬,包括銅、鎳和鉛等,并隨著廢水排放出去。同時還會排出大量的廢氣,其中主要污染物為苯、甲苯、二甲苯丁酮、乙酸乙酯等有機廢氣,這也是PM2.5的來源之一,這些污染物通過大量釋放到環境中,對環境和公眾健康造成威脅。


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            2013年江蘇太湖流域附近蔚藍地圖數據庫顯示的水質截屏圖

            (來源:IPE 的水質監測地圖 。紅圈、棕色圈和黑圈表示水質差到“不適合人體接觸”。羅馬數字表示基于中國國家政府統計的水質分類。)


            相比于傳統的電子制造模式,電子增材制造工藝制程大幅簡化、生產過程無廢水廢料排放過程,使用的導電材料如液態金屬無毒無害,可完全滿足工業生產低能耗、低排放標準,滿足未來長遠發展要求。


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            把握全球電子產業鏈遷移新時機布局電子增材制造


            隨著技術的發展、分工的深化,全球電子產業鏈在不斷遷移,逐漸形成價值鏈分工局勢。而縱觀電子產業遷移史,無不是技術及成本共同作用的結果。過去十幾年間,中國因其人工及資源紅利在全球電子產業中的地位不斷提升,生產制造規模達世界第一,但整體還處于產業鏈附加值低的后半段。隨著新一輪以電子信息產業為核心的全球科技革命和產業變革的掀起,電子產業鏈的再一次重構已經開始,產業鏈呈現外遷態勢。


            總體來看,我國電子制造業正面臨著發達國家“高端回流”和發展中國家“中低端分流”的雙向擠壓。一方面,高端制造領域出現向發達國家“逆轉移”的態勢,制造業重新成為全球經濟競爭的制高點,各國紛紛制定以重振制造業為核心的再工業化戰略。另一方面,越南、印度等一些東南亞國家依靠資源、勞動力等優勢,也開始在中低端制造業上發力,以更低的成本承接勞動密集型制造業的轉移。電子制造領域在進一步控制成本的同時還需要主動進行技術升級和轉型、聚焦高附加值的產業鏈環節,匹配新的產業發展需求。作為高端制造技術的電子增材制造工藝可以實現大面積、高產速、低成本的批量化生產,其產品還具有柔性、大面積功能化分布等諸多優勢,高度契合電子產業發展趨勢,這將開拓傳統電子制造手段無法企及的潛在應用市場。


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            電子增材制造技術滿足新興產業的發展需求。電子行業是典型的技術驅動型行業,隨著電子產品向著小型化、輕便化、柔性化方向發展,對電子功能組件、連接件等結構的緊湊性、集成度要求越來越高,傳統剛性電子電路部件已無法完全滿足新的產業發展需求,柔性電子技術成為電子技術領域的研究熱點。


            在平面柔性電子應用方向,采用電子增材制造技術可實現電子線路在柔性基材、超薄基材乃至可拉伸基材上的直接打印/印刷,從而實現超柔性、耐彎折以及彈性電路產品,如FPC功能件/連接件、透明顯示屏、柔性傳感器等。滿足產品柔性化功能要求的同時,還可以結合卷對卷生產實現大面積、高產速的批量化生產。


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            FPC柔性電路及卷對卷批量化生產模式


            此外,在三維結構電路應用方向,電子增材制造技術也獨具優勢。通過采用轉印方式,實現將復雜功能電路直接印制于電子組件表面或內部,而無需另行連集成電路板,進一步節省了產品內部空間,讓電子產品結構愈發緊湊,如手機中框天線、藍牙耳機天線等,可以實現三維結構表面共形電路的高產量工業化規模制造。


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            手機共形天線


            電子增材制造技術可實現復雜結構中電路隨形形變這一特性,還將進一步推動創新型產品的研究,為消費電子、移動通信、汽車電子、醫療電子等領域帶來無限可能。


            目前電子增材制造產業還處于發展初期,真正實現產業應用并形成一定規模的企業寥寥無幾。夢之墨公司經過近幾年的技術創新與積累,打通了原材料與電子增材制造工藝的整個環節,并達成了小規模的應用,成為該領域的踐行者及開拓者。當然,新興產業發展從來都不是一蹴而就的,從最初技術的萌芽到產業化創造出巨大的經濟價值往往需要經過曲折漫長的歷程。例如FPC產業,自20世紀60年代最早應用于航天及軍事等高精尖領域開始,經歷了幾十年的發展,直到21世紀初才隨著消費電子的迅速發展真正實現大規模應用,從而進入高速發展期。電子增材制造技術作為電子制造產業升級和轉型的新興技術,符合時代發展要求,隨著應用端需求不斷擴大的推動以及技術、上下游供應鏈的逐步完善及成熟,也將實現大規模生產,邁入高速發展期。當前,正是布局電子增材制造領域的良好時機。


            總結

            在世界經濟大變局時機下,電子制造領域作為信息化時代的核心組成部分,要有效保障其供應鏈產業鏈的彈性及安全性,同時滿足低碳經濟及產業發展新要求,需要引入新型電子增材制造技術。大力發展電子增材制造技術、布局電子增材制造產業,無論是在短期內應對時局動蕩,還是從長遠發展考慮、占據電子制造產業價值鏈主導地位都具有十分重要的意義。目前,已有企業在該領域實現應用落地,但從整個產業發展看,整體還處于發展初期,正是開始布局的好時機。


            相關供應商

            • 北京金先鋒光電科技有限公司
            • 張家港市聯達機械有限公司
            • 瀚柏格夾具系統技術(上海)有限公司
            • 臺勵福股份有限公司
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