CN110534861B - 自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导制造方法，属于太赫兹微器件精密制造领域。其特征在于：制造太赫兹金属矩形波导的含有定位基面的“一”型上覆盖板；制造太赫兹金属矩形波导的含有“凹”型波导腔体的波导主体；将含有定位基面的“一”型上覆盖板和含有“凹”型波导腔体的波导主体组合，制造自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导。本发明在实现组合式太赫兹金属镀层空芯矩形波导精密、高效制造的基础上，可以解决其与法兰组装时定位困难的问题，具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导制造方法，属于太赫兹微器件精密制造领域。
背景技术
太赫兹技术以其在国民经济发展、国家战略安全方面的巨大应用潜力，已经成为备受瞩目的研究热点。早在2004年，美国政府就将其评为“改变未来世界的十大技术”之一，日本政府更是在2005年将其列为“国家支柱十大重点战略技术”之首。我国政府分别在2005和2014年专门召开了“香山科技会议”，制定了我国太赫兹技术的发展蓝图，并且在2017年实施的国家重点研发计划 “变革性技术关键科学问题”重点专项中，启动了包括面向生物医学应用研究的新型太赫兹辐射源在内的12项左右任务。
太赫兹波的传输、构建、接收、探测都强烈依赖于太赫兹系统中各种高品质的太赫兹微结构器件。太赫兹波导是其中一种最具代表性的关键核心器件，种类复杂多样，金属空芯镀层矩形波导具有损耗低、柔韧性好和安全性高等优点，应用需求日益迫切。太赫兹金属空芯矩形波导由于传输特性，是典型的大长径比微型器件，其腔体端面尺寸微小、加工公差、圆角及内层粗糙度要求极高，例如工作频率为1THz的太赫兹金属矩形波导其腔体端面尺寸为127um×254um、表面粗糙度为Ra≤0.4um、圆角半径为R≤30um，对于高工作频率的金属镀层空芯矩形波导，其腔体尺寸、内部镀层质量、加工精度要求更为严格，对现有的微纳加工技术提出了严峻的挑战。
国内外研究人员已经开展了太赫兹金属矩形波导制造工艺的研究。在国内，许延峰等利用光刻电铸技术加工出矩形金属波导腔，波导口尺寸200μm×400μm，长度为8mm，波导腔表面光滑平直，基本无加工圆角。孙玉洁等采用牺牲层光刻工艺，制备出长7.5mm、高300μm、侧壁垂直度为87.7°的0.4THz矩形波导腔结构。这两种制造方法，仅仅对矩形波导的制造进行了简单的探索，并未形成成熟的工艺方案，腔体内部高精密电镀难题仍然无法解决。在国外，美国的Adam Rowen等人提出通过多层电化学沉积制备内部尺寸几十微米的矩形金属波导的方法。通过种子层金属沉积、光刻、电化学沉积三种工艺步骤的循环进行，可以实现多层或者三维矩形波导的加工，这种方法还适用于基于矩形金属波导的其他一些部件包括天线，耦合器，弯曲隧道等微型机电系统的加工，然而该方法各个工艺步骤中加工精度的不一致，使得波导制造的整体精度下降，另外结合的不紧密仍然存在，因此也必将影响太赫兹信号的传输性能。美国的W.J. Otter等人将3D打印技术成功应用到太赫兹波导的加工中，采用RECILS 3D打印技术加工出矩形波导腔体，但是该波导腔体是非金属的，并且需要通过电镀金属层等复杂工艺实现其信号传输性能，这说明现阶段3D打印技术的发展水平尚无法实现金属材料直接打印，另外打印精度也无法达到高工作频率太赫兹金属空芯矩形波导的制造精度要求。
综上所述，太赫兹金属矩形波导制造工艺虽然取得了一定的进展，然而并未形成有效且成熟的工艺方案，同时制造的矩形波导工作频率相对降低，并且制造的精度低、质量差。低频段太赫兹金属矩形波导的“造不精”，高频段的 “造不出”，制造的“卡脖子”问题制约了高性能信号传输对于高品质太赫兹金属空芯镀层矩形波导的需求。
南京航空航天大学的科研人员提出了一种微小型金属矩形波导电化学制造方法（专利申请号：201610959510.0），在理论上实现了更高工作频率金属矩形波导的整体加工制造。然而，该方法基于矩形芯模实现太赫兹金属矩形波导微腔体的构建造成了狭长腔体内部芯模的溶解困难，制造效率低，可实施性较差。此外，上述矩形波导在电铸铜层后进行整平修整时，由于波导本身尺寸微小，没有定位基准，较难获得精确矩形外轮廓形状，因此波导端部在与法兰对接时，常常组装困难。因此，有必要提出新的方法，解决上述问题。
发明内容
本发明提出了自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导制造方法，利用本发明可以显著提高太赫兹金属矩形波导微腔体内矩形芯模溶解效率，实现其精密、高效制造，同时解决成型后的矩形波导与法兰组装困难的问题。
一种自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导制造方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、制造太赫兹金属矩形波导的含有定位基面的“一”型上覆盖板；步骤1-1、将长度为L、宽度为W、厚度为D的纯铜板上下表面抛磨；步骤1-2、随机选取一个表面电镀金层，其厚度T1为数十纳米到数百纳米量级。
步骤2、制造太赫兹金属矩形波导的含有“凹”型波导腔体的波导主体；
步骤2-1、利用微细电解线切割技术加工长度为L1、宽度为W1、高度为H1的矩形芯模；步骤2-2、将矩形芯模上表面紧贴在涂覆均匀热熔胶的绝缘基板上，在矩形芯模的前端部和后端部涂覆热熔胶；步骤2-3、在矩形芯模的非绝缘表面依次电镀金层、电铸铜层，其中金层厚度T2为数十纳米到数百纳米量级、铜层厚度D1为数百微米到数毫米量级；步骤2-4、去除热熔胶使含有金铜复合电沉积层的矩形芯模与绝缘基板分离；步骤2-5、对含有金铜复合电沉积层的矩形芯模非绝缘表面进行抛磨，将抛磨后的工件放入刻蚀剂中快速溶解矩形芯模，获得具有光滑上表面的金铜复合“凹”型波导腔体；步骤2-6、在金铜复合“凹”型波导腔体的上表面及腔体内部电镀金层，其厚度T3为数十纳米到数百纳米量级，获得含有“凹”型波导腔体的波导主体。
步骤3、将含有定位基面的“一”型上覆盖板和含有“凹”型波导腔体的波导主体组合，制造自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导；步骤3-1、将含有“凹”型波导腔体的波导主体镀金表面朝下放置在含有定位基面的“一”型上覆盖板的镀金表面；步骤3-2、利用金-金热压键合技术将二者进行封装；步骤3-3、以“一”型上覆盖板为定位基面对封装后的波导主体其他三个表面进行外轮廓修整，获得腔体长度为L2、宽度为W2、高度为H2的自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导。
上述步骤中L2≤L1＜L1，W≥W2+2T2+2T3+2D1，W2=W1-2T3，H1=H2，T= T2≥T3，D=D1；上述步骤中矩形芯模的尺寸精度和表面质量通过微细电解线切割加工工艺参数保证，金层及铜层的厚度和质量通过微细电镀金、电铸铜技术工艺参数控制。上述自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导是直波导或弯波导。
本方法的有益效果是：
1、提高了太赫兹金属矩形波导微腔体内矩形芯模的溶解效率。本发明中的矩形芯模主要用来制造含有“凹”型波导腔体的波导主体，由于是开放式的，所以矩形芯模材料在对应刻蚀剂中溶解时，溶解速度快，溶解效率高。
2、解决了成型后的矩形波导与法兰组装困难的问题。本发明中组合式太赫兹金属矩形波导的“一”型上覆盖板含有定位基面，在与含有“凹”型波导腔体的波导主体组合后，可以以“一”型上覆盖板的定位基面为基准，进行矩形波导其他三个面的精确修整，获得高精度的矩形外轮廓，实现与法兰矩形接口的精密组装。
3、实现了太赫兹金属矩形波导精密、高效制造。本发明利用微细电解线切割进行高品质矩形芯模的加工，通过芯模的溶解进而实现“凹”型波导腔体的精密制造。同时本发明通过微细电镀金、电铸铜精密控制电镀金层、电铸铜层的质量和厚度。更重要的是本发明在进行含有定位基面的“一”型上覆盖板和含有“凹”型波导腔体的波导主体组合时，采用用金-金热压键合技术，操作简单高效。
附图说明
图1-1是纯铜板上下表面抛磨示意图；
图1-2是纯铜板抛磨表面电镀金示意图；
图2-1是利用微细电解线切割技术加工的矩形芯模示意图；
图2-2是将矩形芯模其中一个表面紧贴在涂覆均匀热熔胶的绝缘基板上并进行端部绝缘示意图；
图2-3是矩形芯模的非绝缘表面电镀金示意图；
图2-4是矩形芯模的镀金表面电铸铜示意图；
图2-5是去除热熔胶使含有金铜复合电沉积层的矩形芯模与绝缘基板分离示意图；
图2-6是对含有金铜复合电沉积层的矩形芯模非绝缘表面及端面进行抛磨示意图；
图2-7是将抛磨后的工件放入刻蚀剂中快速溶解矩形芯模，获得具有光滑上表面的金铜复合“凹”型波导腔体示意图；
图2-8是在金铜复合“凹”型波导腔体的上表面及腔体内部电镀金获得含有“凹”型波导腔体的波导主体示意图；
图3-1是利用金-金热压键合技术将含有定位基面的“一”型上覆盖板和含有“凹”型波导腔体的波导主体进行组合封装示意图；
图3-2是以“一”型上覆盖板为定位基面对封装后的波导主体其他三个表面进行外轮廓修整获得自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导示意图；
图3-3是自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导与精密微法兰对接组装示意图；
图中标号名称：1、长度为L、宽度为W、厚度为D的纯铜板，2、纯铜板表面厚度为T1的电镀金层，3、含有定位基面的“一”型上覆盖板，4、长度为L1、宽度为W1、高度为H1的矩形芯模，5、绝缘基板表面涂覆均匀的热熔胶，6、表面光滑的绝缘基板，7、矩形芯模端部的热熔胶，8、矩形芯模的非绝缘表面厚度为T2的电镀金层，9、电镀金层表面厚度为D1的电铸铜层，10、含有金铜复合电沉积层的矩形芯模，11、抛磨后的含有金铜复合电沉积层的矩形芯模，12、具有光滑上表面的金铜复合“凹”型波导腔体，13、金铜复合“凹”型波导腔体上表面及腔体内部厚度为T3的电镀金层，14、含有“凹”型波导腔体的波导主体，15、封装后的组合式波导，16、整平修整后的腔体长度为L2、宽度为W2、高度为H2的自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导，17、与自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导对接组装的精密微法兰。
具体实施方法
为了使本发明的内容更容易被理解,下面结合附图,对本发明做进一步详细的解释。
图1-1至图1-2说明了太赫兹金属矩形波导的含有定位基面的“一”型上覆盖板的制造过程。如图1-1所示，将长度为L、宽度为W、厚度为D的纯铜板1上下表面抛磨。如图1-2所示，在随机选取的一个表面电镀金层2，其厚度T1为数十纳米到数百纳米量级，获得含有定位基面的“一”型上覆盖板3。
图2-1至图2-8说明了太赫兹金属矩形波导的含有“凹”型波导腔体的波导主体的制造过程。图2-1是利用微细电解线切割技术加工的矩形芯模示意图。图2-2是将矩形芯模其中一个表面紧贴在涂覆均匀热熔胶5的绝缘基板6上，在矩形芯模的前端部和后端部涂覆热熔胶7的过程示意图。图2-3是在矩形芯模的非绝缘表面电镀金层8的过程示意图。图2-4是在矩形芯模的非绝缘表面的镀金层表面电铸铜层9的过程示意图。图2-5是去除热熔胶使含有金铜复合电沉积层的矩形芯模10与绝缘基板6分离的过程示意图。图2-6是对含有金铜复合电沉积层的矩形芯模10非绝缘表面及端面进行抛磨的过程示意图。图2-7是将抛磨后的含有金铜复合电沉积层的矩形芯模11放入刻蚀剂中快速溶解矩形芯模，获得具有光滑上表面的金铜复合“凹”型波导腔体12的过程示意图。图2-8是在金铜复合“凹”型波导腔体的上表面及腔体内部电镀金层13获得含有“凹”型波导腔体的波导主体14的过程示意图。
图3-1至图3-3说明了将含有定位基面的“一”型上覆盖板和含有“凹”型波导腔体的波导主体组合，制造自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导的过程。如图3-1所示，将含有“凹”型波导腔体的波导主体14的电镀金层13朝下放置在含有定位基面的“一”型上覆盖板3的电镀金层2表面，利用金-金热压键合技术将二者进行封装15。如图3-2所示，以“一”型上覆盖板为定位基面对封装后的波导主体其他三个表面进行外轮廓修整，获得腔体长度为L2、宽度为W2、高度为H2的自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导16。如图3-3所示，将自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导与精密微法兰17对接组装。
Claims (4)
1.一种自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导制造方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、制造太赫兹金属矩形波导的含有定位基面的“一”型上覆盖板；
步骤1-1、将长度为L、宽度为W、厚度为D的纯铜板（1）上下表面抛磨；
步骤1-2、在随机选取的一个表面电镀金层（2），其厚度T1为数十纳米到数百纳米量级，获得含有定位基面的“一”型上覆盖板（3）；
步骤2、制造太赫兹金属矩形波导的含有“凹”型波导腔体的波导主体；
步骤2-1、利用微细电解线切割技术加工长度为L1、宽度为W1、高度为H1的矩形芯模（4）；
步骤2-2、将矩形芯模下表面紧贴在上表面涂覆均匀热熔胶（5）的绝缘基板（6）上，在矩形芯模的前端部和后端部涂覆热熔胶（7）；
步骤2-3、在矩形芯模的非绝缘表面依次电镀金层（8）、电铸铜层（9），其中金层厚度T2为数十纳米到数百纳米量级、铜层厚度D1为数百微米到数毫米量级；
步骤2-4、去除热熔胶使含有金铜复合电沉积层的矩形芯模（10）与绝缘基板（6）分离；
步骤2-5、对含有金铜复合电沉积层的矩形芯模（10）非绝缘表面及端面进行抛磨，将抛磨后的含有金铜复合电沉积层的矩形芯模（11）放入刻蚀剂中快速溶解矩形芯模，获得具有光滑上表面的金铜复合“凹”型波导腔体（12）；
步骤2-6、使金铜复合“凹”型波导腔体的“凹”面朝上，在金铜复合“凹”型波导腔体的上表面及腔体内部电镀金层（13），其厚度T3为数十纳米到数百纳米量级，获得含有“凹”型波导腔体的波导主体（14）；
步骤3、将含有定位基面的“一”型上覆盖板和含有“凹”型波导腔体的波导主体组合，制造自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导；
步骤3-1、将含有“凹”型波导腔体的波导主体（14）的电镀金层（13）朝下放置在含有定位基面的“一”型上覆盖板（3）的电镀金层（2）表面；
步骤3-2、利用金-金热压键合技术将二者进行封装（15）；
步骤3-3、以“一”型上覆盖板为定位基面对封装后的波导主体其他三个表面进行外轮廓修整，获得腔体长度为L2、宽度为W2、高度为H2的自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导（16）。
2.根据权利要求1所述的自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导制造方法，其特征在于：
上述步骤中L2≤L1＜L，W≥W2+2T2+2T3+2D1，W2=W1-2T3，H1=H2，T1=T2=T3，D=D1。
3.根据权利要求1所述的自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导制造方法，其特征在于：
上述步骤中矩形芯模的尺寸精度和表面质量通过微细电解线切割加工工艺参数保证，金层及铜层的厚度和质量通过微细电镀金、电铸铜技术工艺参数控制。
4.根据权利要求1所述的自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导制造方法，其特征在于：
上述自带定位基面的组合式太赫兹金属矩形波导是直波导或弯波导。
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