CN104979629A - 选择性激光熔化slm天线制造方法及其制造得到的天线 - Google Patents

Abstract

一种薄膜天线的制造方法，包括在基材上设置金属薄膜，并对金属薄膜进行加工，在基材上用镀膜工艺镀上金属薄膜，并选择合适的激光波长，合适的加工光斑大小、扫描速度、激光功率，对金属薄膜进行选择性熔化加工，使部分金属薄膜熔化成液态金属，并迅速固化形成珠化球，所述激光加工的位置可以为平面或曲面，然后清理掉表面的珠化球，从而使得未被激光照射的金属薄膜部分实现天线图案化，其中所述的激光加工的位置为平面或曲面，最后制作信号馈线引出端。

Description

选择性激光熔化SLM天线制造方法及其制造得到的天线

技术领域

本发明涉及无线电子设备的天线技术领域，尤其指选择性激光熔化SLM天线制造方法及其制造得到的天线。

背景技术

以智能手机、便携信息终端（PDA）、可穿戴电子设备所代表的小型无线电子设备的快速发展。该类产品具有小型化、微型化、多功能化的特点，而且产品更新换代快，研发周期短，这类产品配套的天线相应要求小型化、薄型化、低成本，易于产品共形，研发试制快捷，并适合小批量生产。

以往的无线电子设备使用的天线主要有金属线绕天线、金属板材天线、PCB天线、FPC天线、薄膜天线、LDS/LRP/LAP天线等，采用的制造方法主要有机加工、腐蚀、印刷等。采用机械弯折、冲裁、车铣等机加工工艺制作的金属线绕天线、金属板材天线，都具有一定的体积和重量，使用的金属也比较多，不利于天线设计的小型化和薄型化。天线接收和发送射频信号，因为趋肤效应，只是使用了金属天线的1μm～10μm表层，绝大部分的金属结构对电波来说，没有起到任何作用，浪费大量的贵重金属，成本高，价格贵。采用腐蚀工艺制作的PCB天线和FPC天线，需要使用多种酸碱化学药品，会产生一定的废水，带来难以解决的环境污染问题。薄膜天线是在薄膜上采用印刷、电镀等工艺在金属表面形成天线图案，印刷方法需要采用高价的导电油墨或银浆，电镀方法也会产生难以处理的废水。

LDS/LRP/LAP天线技术都是采用现代激光加工技术。LDS（Laser Direct structuring）技术将激光投照到塑料器件上，诱导改性材料，活化出电路图案，然后选择性金属镀。LRP（Laser Restructuring Printing）是银浆涂敷，然后激光修整。LAP（laser Activating Plating）是激光诱导普通材料，然后选择性金属镀。 LDS/LRP/LAP天线技术具有共同的优点：1.小批量制作成本低廉。2.开发过程中，修改方便，不涉及制版和设备的调整。3.制作精度高，并与产品外壳共形，符合产品小型化和薄型化发展趋势。4.设计开发时间短。5.可依客户需求进行客制化设计。受到主流手机厂商的青睐。但这三种激光加工技术都有不足之处，LDS需要专用的LDS激光诱导改性材料，特别是将天线制作在产品外壳上，整个外壳都使用专用材料，价格高，在成本上不具备优势，难以大规模推广。而且在天线调试上，因为材料添加了改性金属物质，影响介电常数，不容易调试；LRP和印刷方法一样需要高价的导电油墨或银浆，并且在激光修整时，涂层较厚，激光加工时间长，所需激光功率较大，成本高；LAP需要特制的化学镀剂，和LDS一样存在材料上的专用问题，在应用上有很大的限制。LDS/LAP都是采用激光汽化、烧蚀塑料实现活化，极易产生有毒有害气体和粉尘污染物，污染环境和影响激光器使用。

如何充分利用现代激光加工技术的优势，采用现有的成熟工艺和常用材料，发明出成本低廉、制作精良、调试简单、环保的天线制造方法，是天线厂商追求的目标，也是天线设计制造人员的面临的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种成本低廉、制作精良、调试简单、环保的选择性激光熔化SLM天线制造方法。

本实发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种薄膜天线的制造方法，包括在基材上设置金属薄膜，并对金属薄膜进行加工，在基材上用镀膜工艺镀上金属薄膜，并选择合适的激光波长，合适的加工光斑大小、扫描速度、激光功率，对金属薄膜进行选择性熔化加工，使部分金属薄膜熔化成液态金属，并迅速固化形成珠化球，所述激光加工的位置可以为平面或曲面，然后清理掉表面的珠化球，从而使得未被激光照射的金属薄膜部分实现天线图案化，其中所述的激光加工的位置为平面或曲面，最后制作信号馈线引出端。

进一步改进，所述薄膜天线整体置于激光可透射的基材内部，先将金属薄膜密封在透明基材内部，并设置有信号馈线引出端；再对金属薄膜进行加工，产生的珠化球分散留在透明基材内部，从而直接在透明的基材内部实现天线成型。

同时也可以选择物，直接将金属薄膜覆盖于基材表面进行加工。

作为改进，所述采用的激光波长选择在1000-1100nm之间或300-400nm之间，设置薄膜厚度在200-5000埃。

一种使用上述选择性激光熔化SLM天线制造方法得到的天线，包括基材和金属薄膜，所述基材上设置多层金属薄膜，所述的金属薄膜封闭在激光可射入的透明材料中，且所述透明激光可射入的透明材料上设置有去除部分材料后的通孔，所述的馈线引出端设置有所述的通孔内。

本发明采用技术原理：

选择性激光熔化技术（Selective Laser Melting，SLM）是3D快速成形制造技术中的一种，原本是采用粉状金属材料，利用经聚焦的高功率密度激光束照射，使照射处的材料迅即熔化，进而堆积成形。球化现象原本是选择性激光熔化技术中的一个不良现象，是熔化的金属液表面与周边介质表面构成的体系具有最小自由能，在液态金属与周边介质的界面张力作用下，金属液表面形状向球形表面转变的一种现象。本发明中对其进行创新应用，发现前述不良现象对天线制造有利，并充分利用其优点，将需要去除的金属薄膜熔化，并呈球形收缩，将原本连续的镀层金属材料熔化为分散的微球状金属颗粒，从而实现有选择性的区域绝缘化。

本发明加工薄膜天线时，球化过程是一次瞬间的熔化再凝固过程，分为沿垂直于扫描方向的球化运动和沿扫描方向的球化运动。在垂直方向上，激光斑点能量呈高斯曲线分布，采用的激光易被金属薄膜材料吸收不易被基材吸收，基材和金属薄膜一起熔化，基材熔化具有一定深度，而金属薄膜完全熔化并收缩到横截面的中央位置，形成金属薄膜和基材共同组成的熔池，形成的熔池横截面呈碟状；在沿扫描方向上，随着激光斑点扫描，形成连续熔池，薄膜熔化收缩形成液态金属丝，依据瑞利不稳定性，液态熔丝在沿扫描方向会先发生断裂，然后再收卷成球形，宛如荷叶上散布着一颗颗的露珠，但始终不会形成连续的线条。金属薄膜和基材共同形成的熔池中，熔池与周边介质界面张力影响球化趋势，熔池中不同材料之间的界面张力也影响球化趋势。根据薄膜和基材的不同材质、厚度，选择合适的激光类型，合理控制激光聚焦的激光功率密度、斑点大小、激光的扫描速度，可以形成合理的球化珠尺寸和分布密度。激光功率密度须满足将薄膜熔化；光斑越大，熔池横截面越大，球化珠横向分布密度越小，球化珠尺寸逐渐增大；随着扫描速度的提高，球化珠扫描方向分布密度增多，球化珠尺寸逐渐缩小。

    本发明的所设计的方法没有发生气化、燃烧，也无化学反应发生；具有无需特殊材料、节能环保、低成本的特点；加工部位可以是基材表面，也可以是基材内部。具有LDS/LAP/LRP等现代激光天线技术所具有的共同优点，同时又避免了他们的缺点，具体在于：

1、通用性。本制作技术所采用的基材通用，塑料、玻璃、陶瓷、纸张、布料等，适合金属镀膜的材料均可。使用范围通用，在任何激光可以聚焦的基材部位，均可进行2D或3D天线制作，如：单层金属薄膜表面，中间含有不透明层的双层金属薄膜正反面，对激光而言透明结构内部的金属薄膜上，设备壳体可视面。

2、节能高效。所需激光器的功率密度较小，只有LDS/LAP技术的十分之一，扫描速度远大于LDS/LAP/LRP等现代激光天线技术，能耗极低，设备成本低。

3、环保。LDS/LAP都是采用激光汽化、烧蚀塑料实现活化，极易产生有毒有害气体和粉尘污染物，污染环境和同时也影响激光器使用。本发明是单纯的熔化凝结物理过程，不需要任何化学试剂和材料，不产生污染和不良废弃物；

4、低成本。材料价格低廉，设备价格低，能耗低，加工速度快，同时不需要其他加工辅料，加工过程不需要人工干预，实现整个制作过程低成本。

5、制作精良。小功率激光加工，精度比LDS/LAP/LRP更高，并可实现多层线路，符合产品小型化和薄型化发展趋势。

综上所述，本发明所采用的技术方案，提供一种低成本、加工速度快、激光功率低、不采用任何专用材料的激光制造天线技术，避免采用专用材料和昂贵的导电油墨及银浆和专用镀料，运用选择性激光熔化技术的球化效应，是单纯的熔化凝结物理过程，不需要任何化学试剂和材料，不产生污染和不良废弃物，有效解决现代激光技术制作天线过程中的技术问题，本发明具有通用性强、成本低廉、制作精良、调试简单、环保、节能高效的显著优点。适应小型化、薄型化、低成本天线生产需求，使研发试制更快捷，并适合大小批量生产。同时由于激光的选择性，可以直接穿过透明的基材，对其内部的金属薄膜进行加工，从而可以非常便利的加工一些特殊使用环境下的天线。

附图说明

图1是本发明中单层金属薄膜天线的实施示意图；

图2是图1中设备壳体单层金属薄膜天线的实施示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种薄膜天线的制造方法方法，包括：

步骤a：制备基材1，基板材质可为ABS、PET、PC、PMMA、PVC等塑料、玻璃、树脂、陶瓷、纸张。

步骤b：采用镀膜工艺在基材1上形成金属薄膜2，形成方式可为蒸发镀膜或溅镀、等离子镀等，金属薄膜2可为铝、铜、镍铜合金、银等，金属薄膜的厚度介于200～5000埃。

步骤c：采用激光设备对金属膜进行选择性熔化加工，将金属膜熔化，形成液态金属3。如果是基材吸收的激光能量足够大，基材液化形成相应的基材熔池4。采用的激光易于被金属膜吸收，而不易被基材1吸收，形成碟状熔池；优选的激光器为波长波长为300nm的UV-DPSS激光器等，此类激光易被金属吸收，但不易被基材吸收。

步骤d：加工后的区域形成珠化球5，具体珠化球5的大小和分布与具体加工光斑大小、扫描速度、激光功率有关。

步骤e：清理掉珠化球，实现天线图案化，制作信号馈线引出端，完成的天线可以贴在设备结构的表面或镶嵌在结构内部。

实施例2

在本发明的另一较佳实施例中，请参考图2所示，在设备壳体或支撑结构上制作单层金属薄膜天线，无论是在外壳的外表面，还是在内表面，都可以制作，此处以外表面为例，该制作工艺包括下列步骤：

步骤a：制备基材1，以设备外壳作为天线基材，可采用模具注塑、压铸、浇铸、机加工等方式制作设备的外壳或天线支撑结构，材质可为ABS、PET、PC、PMMA、PVC等塑料、玻璃、树脂、陶瓷、纸张、布料、亚克力板材。

步骤b：采用镀膜工艺在基材1上形成金属薄膜2，形成方式可为蒸发镀膜或溅镀、等离子镀等，金属薄膜2可为铝、铜、镍铜合金、银等，金属薄膜的厚度介于200～5000埃。

步骤c：采用激光设备对金属薄膜2进行选择性熔化加工，将金属薄膜2熔化，形成液态金属3。采用的激光易于被金属薄膜2吸收，而不易被基材1吸收，形成碟状熔池；优选的激光器为波长300nm的UV-DPSS激光器，此类激光易被金属吸收，但不易被基材吸收。激光加工外壳的位置可以是平面，也可以是曲面，最佳的方式是保证激光正确聚焦，保证光斑的大小和扫描速度的稳定。

步骤d：加工后的区域形成珠化球5。合理控制工艺参数，实现球化珠最佳形成条件。

步骤e：清理掉珠化球5，实现天线图案化。制作信号馈线引出端，实现在设备壳体或支撑结构上的天线，必要时可采用辅助工艺对金属薄膜2进行增厚和保护。

本发明还适合多层金属薄膜天线，工艺步骤与图1基本类似，在步骤e后将多层薄膜进行叠层，部分需要设置通孔的位置可采用CO2激光器，将基材去1除，保留金属薄膜2，便于实现多层连接。

实施例3

本实施例加工具有表面透明覆膜下的金属薄膜或透明基材中的金属薄膜，尤其在汽车挡风玻璃中制作天线。前述的透明覆膜或透明基材均为激光可射入的透明材料。透明材料上设置有去除部分材料后的通孔，所述的馈线引出端设置有所述的通孔内。制作时按以下步骤进行：

步骤a：制备金属薄膜并预先制作出信号馈电引出端；

步骤b：将金属薄膜密封在透明的基材中，如密封在汽车挡风玻璃中，上下两层都是钢化玻璃，而中层是金属薄膜；

步骤c：采用SLM天线技术对金属薄膜进行选择性熔化加工，产生的珠化球分散留在基材内部，实现天线图案化。

与现有夹层玻璃天线比较，现有在玻璃夹层中安装天线，不能在玻璃成形后修改，而SLM天线技术可以随时进行修改和调整。激光器为波长1000nm的YAG激光器，金属薄膜2厚度介于200-5000埃。

Claims (5)

1.选择性激光熔化SLM天线制造方法，包括在基材上设置金属薄膜，并对金属薄膜进行加工，其特征在于：选择合适的激光波长、加工光斑大小、扫描速度、激光功率，对金属薄膜进行选择性熔化加工，使部分金属薄膜熔化成液态，并迅速固化形成珠化球，从而使得未被激光照射的金属薄膜部分实现天线图案化，所述激光加工的位置为平面或曲面。

2.根据权利要求1所述的选择性激光熔化SLM天线制造方法，其特征在于：所述金属薄膜整体置于激光可透射的基材中，直接在透明的基材内部实现天线成型。

3.根据权利要求1所述的选择性激光熔化SLM天线制造方法，其特征在于：所述金属薄膜覆盖于基材表面。

4.根据权利要求1所述的选择性激光熔化SLM天线制造方法，其特征在于：所述采用的激光波长选择在1000-1100nm之间或300-400nm之间，设置薄膜厚度在200-5000埃。

5.一种根据权利要求2所述的选择性激光熔化SLM天线制造方法得到的天线，包括基材和金属薄膜，其特征在于：所述基材上设置多层金属薄膜，所述的金属薄膜封闭在激光可射入的透明材料中，且所述透明激光可射入的透明材料上设置有去除部分材料后的通孔，所述的馈线引出端设置有所述的通孔内。