CN111509349A - 一种微同轴传输线及其制备方法及金属3d打印装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微同轴传输线的制备方法，包括如下步骤：采用金属3D打印技术按照预先设定的程序在衬底基板上，打印制得下层外导体，同时形成下腔体；再采用光固化3D打印技术或点胶固化技术或标准光刻固化技术在下腔体内形成支撑层；接着采用金属3D打印技术在支撑层上，打印制得内导体；最后采用金属3D打印技术在下层外导体的上端面上，打印制得上层外导体。本发明采用金属3D打印技术制备内外导体，无需传统标准光刻工艺中额外的金属掩膜版，可以实现矩形微同轴、圆形微同轴甚至各种异型微同轴传输线，增加了微波毫米波射频电路系统选择传输线形状的自由度，且外导体外形完整，无需周期性的释放孔，保证了外导体良好的屏蔽隔离作用。

Description

一种微同轴传输线及其制备方法及金属3D打印装置
技术领域
本发明属于微电子机械系统(Micro-electromechanical Systems，MEMS)技术领域，尤其涉及一种微同轴传输线及其制备方法及金属3D打印装置。
背景技术
传输线主要用于传输射频信号，传统的传输线有平行双线、同轴线、微带线和波导等。随着微波毫米波射频电路系统的工作频段的提高，传统传输线的传输性能受到严重限制，具体表现为截止损耗高、隔离度低，并且传统传输线的较大尺寸也不利于整个射频电路系统的微型化集成。
微同轴是采用MEMS技术加工制备的射频传输线，结构包括矩形外导体、矩形内导体和填充介质(空气或真空)。由于其独特的三维结构，微同轴可以实现对微波毫米波信号的低损耗、高隔离度、高功率容量、超带宽的传输。进一步的，基于微型化的微同轴，可以提高射频电路的集成度，构建出更为复杂的射频电路系统。
目前的微同轴传输线大多采用标准光刻技术，利用超厚的光刻胶作为牺牲层，电化学沉积金属Cu制备结构层，每层约50～100μm，通过重复制备5～11层结构层，最后去除牺牲层，最终实现微同轴传输线。由于标准光刻技术适用于平面或垂直结构的加工，因此该方法只能实现矩形微同轴，无法加工圆形微同轴。并且在进行多层结构层加工时，存在各结构层之间的对准问题，对设备的对位精度要求很高。悬空的内导体采用周期性的支撑桥或整个支撑块进行固定，所用材料为SU8负性光刻胶。在最后一步去除牺牲层时，需要在外导体上留下周期性(每700μm)的释放孔，而这些释放孔的存在也会对矩形微同轴的传输性能产生影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种微同轴传输线及其制备方法及金属3D打印装置，解决了以往微同轴传输线加工工艺中存在的对准难度高、难以制备除矩形以外的形状微同轴传输线以及去除牺牲层时留下的周期性释放孔影响传输性能的问题。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种微同轴传输线的制备方法，包括如下步骤：
S1：提供一衬底基板，所述衬底基板包括第一表面和第二表面；
S2：采用金属3D打印技术按照预先设定的程序在所述衬底基板的第一表面上，打印制得下层外导体，同时形成下腔体，激光功率为0.5～1.5kW，激光光斑直径为5～15μm，激光扫描速度为1～3μm/s；
S3：采用光固化3D打印技术或点胶固化技术或标准光刻固化技术在所述下腔体内形成支撑层；
S4：采用所述步骤S2的方法在所述支撑层上，打印制得内导体；
S5：采用所述步骤S2的方法在所述下层外导体的上端面上，打印制得上层外导体，所述上层外导体盖于所述下层外导体上构成具有内腔体的外导体，所述支撑层和所述内导体位于所述内腔体内，形成所述微同轴传输线。
优选地，所述步骤S2进一步包括如下步骤：
S21：准备金属粉末，所述金属粉末的直径不超过20μm，并将所述衬底基板预热至150～250℃；
S22：3D打印机的铺粉装置将一定厚度的所述金属粉末推至所述衬底基板上；
S23：根据所述微同轴传输线模型的各层切片扫描路径，控制激光束将所述金属粉末融化成型；
S24：重复步骤S22～S23，打印制得所述下层外导体。
优选地，所述步骤S2中的金属3D打印技术为选择性电子束熔融金属3D打印技术或激光熔覆式金属3D打印技术或直接激光烧结金属3D打印技术或选择性激光烧结金属3D打印技术或选择性激光熔化金属3D打印技术。
优选地，所述步骤S3进一步包括如下步骤：
S31：采用光刻胶填充入所述下腔体内；
S32：采用掩模板对填充入所述下腔体内的光刻胶进行紫外曝光，紫外激光波长为350nm～380nm，紫外激光功率为80～120mJ/cm2；
S33：将经过步骤S32处理过的光刻胶置于丙二醇甲醚醋酸酯溶液中进行显影处理，制得所述支撑层，显影时间为80～100s。
优选地，所述内导体和外导体的材料为金属铜或铜合金。
优选地，所述支撑层的材料为光敏树脂或光刻胶。
优选地，所述光敏树脂为聚酰胺或聚酯或聚碳酸酯或聚乙烯或聚丙烯或丙烯腈-丁二烯。
优选地，所述光刻胶为SU8负性光刻胶。
优选地，所述衬底基板的材料包括100晶向双面抛光的硅片晶圆或金属或有机高分子聚合物。
基于相同的发明构思，本发明还提供了一种微同轴传输线，包括内导体、支撑层、外导体、介质层及衬底基板；
所述外导体制备于所述衬底基板上，所述外导体包括内腔体，所述支撑层位于所述内腔体的下端，所述内导体位于所述支撑层上，且所述内导体位于所述内腔体的中心，所述介质层填充于所述内腔体内。
优选地，所述内导体与所述外导体为圆形，所述支撑层为矩形；
所述内导体为直径为200μm的圆柱形，所述外导体为圆环形，所述外导体的内径为460μm，所述外导体的壁厚为100μm；
所述支撑层的宽度为200μm，所述支撑层的高度为130μm。
优选地，所述内导体与所述外导体为矩形，所述支撑层为矩形；
所述内导体为边长为200μm的正方形，所述外导体为内腔边长500μm的正方形，且所述外导体的壁厚为100μm；
所述支撑层的宽度为200μm，所述支撑层的高度为130μm。
优选地，所述内导体和所述外导体的材料为铜。
优选地，所述支撑层的材料为SU8光刻胶。
优选地，所述介质层为空气。
基于相同的发明构思，本发明还提供了一种微同轴传输线金属3D打印装置，包括计算机系统、激光器、成型缸、粉料缸及铺粉装置：
所述激光器与所述计算机系统相连，所述激光器用于发射激光束；
所述成型缸与所述激光器相连，所述铺粉装置连接于所述成型缸与所述粉料缸之间，所述铺粉装置将所述粉料缸中的金属粉末推送至所述成型缸中进行3D打印。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
1)本发明提供了一种微同轴传输线的制备方法，包括如下步骤：首先，提供一衬底基板；然后采用金属3D打印技术按照预先设定的程序在衬底基板上，打印制得下层外导体，同时形成下腔体；再采用光固化3D打印技术或点胶固化技术或标准光刻固化技术在下腔体内形成支撑层；接着采用金属3D打印技术在支撑层上，打印制得内导体；最后采用金属3D打印技术在下层外导体的上端面上，打印制得上层外导体，上层外导体盖于下层外导体上构成具有内腔体的外导体，支撑层和内导体位于内腔体内，形成微同轴传输线。本发明采用金属3D打印技术制备内外导体，无需传统标准光刻工艺中额外的金属掩膜版，可以实现矩形微同轴、圆形微同轴甚至各种异型微同轴传输线，增加了微波毫米波射频电路系统选择传输线形状的自由度，由于内外导体的制备没有采用传统标准光刻工艺，不存在多层结构层加工时的层间对准问题，同时，由于内外导体的制备没有采用传统标准光刻工艺，不需要去除牺牲层，因此外导体外形比较完整，无需周期性的释放孔，保证了外导体良好的屏蔽隔离作用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种微同轴传输线的制备方法的流程图；
图2为图1中步骤S2的具体流程图；
图3为图1中步骤S3的具体流程图；
图4为本发明实施例提供的圆形微同轴传输线的结构图；
图5为本发明实施例提供的圆形微同轴传输线传输射频信号的电压驻波比仿真结果(频率范围75～110GHz)；
图6为本发明实施例提供的圆形微同轴传输线的特性阻抗仿真结果(频率范围75～110GHz)；
图7为本发明实施例提供的矩形微同轴传输线的结构图；
图8为本发明实施例提供的矩形微同轴传输线传输射频信号的电压驻波比仿真结果(频率范围75～110GHz)；
图9为本发明实施例提供的圆形微同轴传输线的特性阻抗仿真结果(频率范围75～110GHz)；
图10为本发明实施例提供的微同轴传输线金属3D打印装置示意图。
附图标记说明：
1：圆形微同轴传输线；11：内导体；12：支撑层；13：外导体；14：介质层；15：衬底基板；2：矩形微同轴传输线；21：内导体；22：支撑层；23：外导体；24：介质层；25：衬底基板；3：金属3D打印装置；31：计算机系统；32：激光器；321：激光束；33：成型缸；34：粉料缸；35：铺粉装置；4：金属粉末；S1～S5：步骤；S21～S24：步骤；S31～S33：步骤。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种微同轴传输线及其制备方法及金属3D打印装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
实施例一
参看图1至图3所示，本实施例提供了一种微同轴传输线的制备方法，包括如下步骤：
S1：提供一衬底基板，衬底基板包括第一表面和第二表面；
在本实施例中，衬底基板的材料包括100晶向双面抛光的硅片晶圆或金属或有机高分子聚合物，在加工制备过程中主要起到支撑微同轴传输线的作用，加工完成后可剥离掉。
S2：采用金属3D打印技术按照预先设定的程序在衬底基板的第一表面上，打印制得下层外导体，同时形成下腔体，激光功率为0.5～1.5kW，优选为1kW，激光光斑直径为5～15μm，优选为10μm，激光扫描速度为1～3μm/s，优选为2μm/s；
参见图2所示，步骤S2进一步包括如下步骤：
S21：准备金属粉末，金属粉末的直径不超过20μm，在本实施例中，金属粉末采用铜粉末，将3D打印机内部气体换成惰性气体，并将衬底基板预热至150～250℃，预热优选为200℃；
S22：3D打印机的铺粉装置将一定厚度的金属粉末推至衬底基板上；
在本实施例中，3D打印机的铺粉装置将厚度为10μm的金属铜粉末平推至衬底基板上，
S23：根据微同轴传输线模型的各层切片扫描路径，控制激光束将金属粉末融化成型，在本实施例中，金属3D打印技术为选择性电子束熔融金属3D打印技术或激光熔覆式金属3D打印技术或直接激光烧结金属3D打印技术或选择性激光烧结金属3D打印技术或选择性激光熔化金属3D打印技术；
S24：重复步骤S22～S23，打印制得下层外导体；
衬底基板所在的成型缸下降10μm，粉料缸上升10μm，铺粉装置将粉料缸内的厚度为10μm的金属铜粉末平推至成型缸内加工好的金属层上，进行金属铜粉末融化成型，如此反复，完成外导体的底面和下侧面的3D打印。
S3：采用光固化3D打印技术或点胶固化技术或标准光刻固化技术在所述下腔体内形成支撑层，在本实施例中，支撑层的材料为低损耗的介电材料，支撑层主要起到支撑悬空内导体的作用，支撑层的材料包括各种可固化的光敏树脂，如聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯等材料，支撑层的材料也可选择用于点胶或标准光刻工艺的光刻胶，如SU8负性光刻胶；
在本实施例中，步骤S3进一步包括如下步骤：
S31：采用光刻胶填充入下腔体内；
S32：采用掩模板对填充入下腔体内的光刻胶进行紫外曝光，紫外激光波长为350nm～380nm，优选为365nm，紫外激光功率为80～120mJ/cm2，优选为100mJ/cm2；
S33：将经过步骤S32处理过的光刻胶置于丙二醇甲醚醋酸酯溶液中进行显影处理，制得支撑层，显影时间为80～100s，优选为90s；
S4：采用步骤S2的方法在支撑层上，打印制得内导体，内导体的材料为金属铜或铜合金，主要起到传输微波毫米波等射频信号的作用；
S5：采用步骤S2的方法在下层外导体的上端面上，打印制得上层外导体，上层外导体盖于下层外导体上构成具有内腔体的外导体，外导体的材料为金属铜或铜合金，主要起到屏蔽隔离作用，使微同轴传输线的特性与其所使用的衬底材料特性、相邻的传输线相对独立，支撑层和内导体位于内腔体内，形成微同轴传输线。
本发明提供了一种微同轴传输线的制备方法，包括如下步骤：首先，提供一衬底基板；然后采用金属3D打印技术按照预先设定的程序在衬底基板上，打印制得下层外导体，同时形成下腔体；再采用光固化3D打印技术或点胶固化技术或标准光刻固化技术在下腔体内形成支撑层；接着采用金属3D打印技术在支撑层上，打印制得内导体；最后采用金属3D打印技术在下层外导体的上端面上，打印制得上层外导体，上层外导体盖于下层外导体上构成具有内腔体的外导体，支撑层和内导体位于内腔体内，形成微同轴传输线。本发明采用金属3D打印技术制备内外导体，无需传统标准光刻工艺中额外的金属掩膜版，可以实现矩形微同轴、圆形微同轴甚至各种异型微同轴传输线，增加了微波毫米波射频电路系统选择传输线形状的自由度，由于内外导体的制备没有采用传统标准光刻工艺，不存在多层结构层加工时的层间对准问题，同时，由于内外导体的制备没有采用传统标准光刻工艺，不需要去除牺牲层，因此外导体外形比较完整，无需周期性的释放孔，保证了外导体良好的屏蔽隔离作用。
实施例二
参看图4至图6所示，本实施例提供了一种圆形微同轴传输线1，包括用于传输射频信号的内导体11、支撑内导体11的支撑层12、将内导体11封闭的外导体13、介质层14及衬底基板15；
参看图4所示，外导体13制备于衬底基板15上，外导体13包括内腔体，支撑层12位于内腔体的下端，内导体11位于支撑层12上，且内导体11位于内腔体的中心，即内导体11与外导体13同轴，介质层14填充于内腔体内。
内导体11与外导体13为圆形，内导体11为直径为200μm的圆柱形，外导体13为圆环形，外导体13的内径为460μm，外导体13的壁厚为100μm，支撑层12为宽度为200μm，高度为130μm的矩形，在本实施例中，内导体11和外导体13材料为铜，支撑层12的材料为SU8光刻胶，介质层14为空气；
图5给出了圆形微同轴传输线1传输射频信号的电压驻波比仿真结果(频率范围75～110GHz)。结果显示，该圆形微同轴传输线1在75～110GHz的频率范围内能够实现不超过1.05的电压驻波比。
图6给出了圆形微同轴传输线1传输射频信号的特性阻抗仿真结果(频率范围75～110GHz)。结果显示，该圆形微同轴传输线1在75～110GHz的频率范围内的特性阻抗均值为49.96Ω。
实施例三
参看图7至图9所示，本实施例提供了一种矩形微同轴传输线2，包括用于传输射频信号的内导体21、支撑内导体21的支撑层22、将内导体21封闭的外导体23、介质层24及衬底基板25；
参看图7所示，外导体23制备于衬底基板25上，外导体23包括内腔体，支撑层22位于内腔体的下端，内导体21位于支撑层22上，且内导体21位于内腔体的中心，即内导体21与外导体23同轴，介质层24填充于内腔体内。
内导体21、外导体23和支撑层22均为矩形，内导体21为边长为200μm的正方形，外导体23为内腔边长为500μm的正方形，且外导体23的壁厚为100μm；支撑层22为宽度为200μm，高度为130μm的矩形，在本实施例中，内导体21和外导体23材料为铜，支撑层22的材料为SU8光刻胶，介质层24为空气。
图8给出了矩形微同轴传输线2传输射频信号的电压驻波比仿真结果(频率范围75～110GHz)。结果显示，该矩形微同轴传输线2在75～110GHz的频率范围内能够实现不超过1.08的电压驻波比。
图9给出了矩形微同轴传输线2传输射频信号的特性阻抗仿真结果(频率范围75～110GHz)。结果显示，该矩形微同轴传输线2在75～110GHz的频率范围内的特性阻抗均值为50.23Ω。
实施例四
参看图10所示，本实施例提供了一种微同轴传输线金属3D打印装置3，包括计算机系统31、激光器32、成型缸33、粉料缸34及铺粉装置35；
激光器32与计算机系统31相连，激光器32用于发射激光束321；
成型缸33与激光器32相连，铺粉装置35连接于成型缸33与粉料缸34之间，铺粉装置35将粉料缸34中的金属粉末4推送至成型缸33中进行3D打印。
金属3D打印装置3的工作过程为：先设计出微同轴传输线的3D实体模型，再输入到计算机控制系统31上，将其进行分层建模，得到各层扫描路径。铺粉装置35将粉料缸34里的金属粉末4平推到成型缸33里的衬底基板上，再控制激光器32使得激光束321按照之前的各层扫描路径选择性熔化成型缸33里的各层的金属粉末4，加工完一层。然后成型缸33中的衬底基板下降下一层厚度的距离，粉料缸34中基板上升下一层厚度的距离，铺粉装置35在已加工好的金属层上再次铺好金属粉末4，依次形成所需要的微同轴传输线。整个加工过程在惰性气体保护的氛围中进行。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (16)

1.一种微同轴传输线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：提供一衬底基板，所述衬底基板包括第一表面和第二表面；
S2：采用金属3D打印技术按照预先设定的程序在所述衬底基板的第一表面上，打印制得下层外导体，同时形成下腔体，激光功率为0.5～1.5kW，激光光斑直径为5～15μm，激光扫描速度为1～3μm/s；
S3：采用光固化3D打印技术或点胶固化技术或标准光刻固化技术在所述下腔体内形成支撑层；
S4：采用所述步骤S2的方法在所述支撑层上，打印制得内导体；
S5：采用所述步骤S2的方法在所述下层外导体的上端面上，打印制得上层外导体，所述上层外导体盖于所述下层外导体上构成具有内腔体的外导体，所述支撑层和所述内导体位于所述内腔体内，形成所述微同轴传输线。
2.根据权利要求1所述的微同轴传输线的制备方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括如下步骤：
S21：准备金属粉末，所述金属粉末的直径不超过20μm，并将所述衬底基板预热至150～250℃；
S22：3D打印机的铺粉装置将一定厚度的所述金属粉末推至所述衬底基板上；
S23：根据所述微同轴传输线模型的各层切片扫描路径，控制激光束将所述金属粉末融化成型；
S24：重复步骤S22～S23，打印制得所述下层外导体。
3.根据权利要求2所述的微同轴传输线的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的金属3D打印技术为选择性电子束熔融金属3D打印技术或激光熔覆式金属3D打印技术或直接激光烧结金属3D打印技术或选择性激光烧结金属3D打印技术或选择性激光熔化金属3D打印技术。
4.根据权利要求1所述的微同轴传输线的制备方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括如下步骤：
S31：采用光刻胶填充入所述下腔体内；
S32：采用掩模板对填充入所述下腔体内的光刻胶进行紫外曝光，紫外激光波长为350nm～380nm，紫外激光功率为80～120mJ/cm2；
S33：将经过步骤S32处理过的光刻胶置于丙二醇甲醚醋酸酯溶液中进行显影处理，制得所述支撑层，显影时间为80～100s。
5.根据权利要求1所述的微同轴传输线的制备方法，其特征在于，所述内导体和外导体的材料为金属铜或铜合金。
6.根据权利要求1所述的微同轴传输线的制备方法，其特征在于，所述支撑层的材料为光敏树脂或光刻胶。
7.根据权利要求6所述的微同轴传输线的制备方法，其特征在于，所述光敏树脂为聚酰胺或聚酯或聚碳酸酯或聚乙烯或聚丙烯或丙烯腈-丁二烯。
8.根据权利要求6所述的微同轴传输线的制备方法，其特征在于，所述光刻胶为SU8负性光刻胶。
9.根据权利要求1所述的微同轴传输线的制备方法，其特征在于，所述衬底基板的材料包括100晶向双面抛光的硅片晶圆或金属或有机高分子聚合物。
10.一种微同轴传输线，其特征在于，包括内导体、支撑层、外导体、介质层及衬底基板；
所述外导体制备于所述衬底基板上，所述外导体包括内腔体，所述支撑层位于所述内腔体的下端，所述内导体位于所述支撑层上，且所述内导体位于所述内腔体的中心，所述介质层填充于所述内腔体内。
11.根据权利要求10所述的微同轴传输线，其特征在于，所述内导体与所述外导体为圆形，所述支撑层为矩形；
所述内导体为直径为200μm的圆柱形，所述外导体为圆环形，所述外导体的内径为460μm，所述外导体的壁厚为100μm；
所述支撑层的宽度为200μm，所述支撑层的高度为130μm。
12.根据权利要求10所述的微同轴传输线，其特征在于，所述内导体与所述外导体为矩形，所述支撑层为矩形；
所述内导体为边长为200μm的正方形，所述外导体为内腔边长500μm的正方形，且所述外导体的壁厚为100μm；
所述支撑层的宽度为200μm，所述支撑层的高度为130μm。
13.根据权利要求10所述的微同轴传输线，其特征在于，所述内导体和所述外导体的材料为铜。
14.根据权利要求10所述的微同轴传输线，其特征在于，所述支撑层的材料为SU8光刻胶。
15.根据权利要求10所述的微同轴传输线，其特征在于，所述介质层为空气。
16.一种微同轴传输线金属3D打印装置，其特征在于，包括计算机系统、激光器、成型缸、粉料缸及铺粉装置：
所述激光器与所述计算机系统相连，所述激光器用于发射激光束；
所述成型缸与所述激光器相连，所述铺粉装置连接于所述成型缸与所述粉料缸之间，所述铺粉装置将所述粉料缸中的金属粉末推送至所述成型缸中进行3D打印。
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