CN113078472A - 太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法，包括以下步骤：S1，依据太赫兹波纹馈源喇叭内腔结构设计选择合理规格的铜箔；S2，根据波纹结构要求对铜箔进行裁剪、表面抛光与减薄处理；S3，进行微结构阵列加工布局设计并进行精密加工；S4，铜箔表面与孔内进行镀金处理；S5，叠片外轮廓精密切割并分离，获得波纹叠片成品。本发明在保障制备精度与批量制造能力的基础上，可以极大地降低制备成本与制造周期，也可以广泛用于多种频段规格的太赫兹波纹馈源喇叭堆叠键合成型工艺的波纹叠片制备。

Description

太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法
技术领域
本发明涉及太赫兹微器件精密制造技术领域，特别涉及一种太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法。
背景技术
随着航天技术的高速发展，对太赫兹通信、地球环境探测、深空探测等领域载荷的要求也逐渐提高。作为馈源或者辐射器，喇叭天线大量地应用在各类探测器载荷中，其制造精度直接影响着整个系统的性能。波纹馈源喇叭的波纹扼流槽能够有效地减少边缘绕射，改善波瓣图的对称性，并且使交叉极化值性能更加优异，因此在很多探测器中成为更优的选择。
波纹馈源喇叭的内腔微结构尺寸是与其适用的电磁波波长成比例的，在典型设计中，波纹槽深为λ/4～λ/2，波纹齿和波纹槽宽在λ/5以内。太赫兹电磁波的波长在0.03～3mm，因此太赫兹波纹喇叭的波纹齿槽尺寸已经到达亚毫米级、微米级，其制造精度要求已经到达微米级。这使得很多传统的喇叭天线的制备方法已经很难适用于太赫兹波纹喇叭的制造加工。太赫兹波纹喇叭的常用制造工艺主要分为三类：精密数控加工法、芯模电铸法、叠片组合法。精密数控加工方法受到设备刀具与加工精度等因素的限制，主要用于内腔空间较大或者大开口设计的低频段波纹喇叭。芯模电铸法是中高频段太赫兹波纹馈源喇叭加工的最主要的方法。但随着馈源喇叭频率上升到达高频太赫兹频段时，芯模的加工难度与成本急剧增加，而内腔波纹齿槽的高深宽比也限制了其电铸成型的质量以及一致性。叠片组合法则是通过加工系列波纹叠片然后通过后续工艺组合而成为喇叭产品的方法，主要分为三类：叠片直接装配成型法、叠片焊接成型法、叠片键合成型法。叠片装配成型法通过紧固件与套筒等辅助零部件将叠片定位装配压紧直接形成产品，其不可避免的存在装配间隙，因此只能面向低频喇叭产品。叠片焊接成型则通过焊接使各叠片组合为一个整体，但是其焊接变形、焊缝质量、焊剂清除均难以控制，因此也仅应用于中低频的喇叭产品。叠片键合成型法则通过精密叠片加工、叠片镀金、以Au-Au键合方法组合成型。键合工艺可以使微波纹叠片之间紧密结合，保证了喇叭的电性能与强度。该方法已经成为了高频馈源喇叭制造的一种重要工艺。
当前高频太赫兹馈源喇叭叠片的制造方法主要基底微结构刻蚀法与微结构增材法。基底微结构刻蚀法是通过在基材上涂胶光刻出叠片上的微结构，DRIE等工艺在基材上加工出叠片上的孔、台阶等微结构。该方法主要采用硅片等非金属材料作为基材，制造的产品受到基材材料厚度、性质等方面的限制，对于更高频(500GHz以上)的叠片制造能力较弱。该方法需要高品质的硅片，并且用到多次制版光刻、DRIE等工艺，成本较高。微结构增材法则是在基材上通过涂胶光刻或者辅以其他材料沉积刻蚀形成微结构模具，通过LIGA等增材工艺在基底上生产叠片微结构，最后通过溶剂清洗或者基底牺牲腐蚀等工艺获得叠片。该方法对叠片制造的精度控制能力较强，可以适用于高频的叠片精密制造。但是其工艺过程复杂，加工时间较长，成本较高。
发明内容
本发明正是针对现有技术加工太赫兹波纹馈源喇叭波纹叠片加工周期很长、成本很高的问题，提供了一种太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法，包括以下步骤：
S1，依据太赫兹波纹馈源喇叭内腔结构设计选择合理规格的铜箔；
S2，根据波纹结构要求对铜箔进行裁剪、表面抛光与减薄处理；
S3，进行微结构阵列加工布局设计并进行精密加工；
S4，铜箔表面与孔内进行镀金处理；
S5，叠片外轮廓精密切割并分离，获得波纹叠片成品。
优选的，步骤S1中：铜箔选择厚度大于并最接近太赫兹波纹馈源喇叭内腔波纹槽宽与波纹齿宽的一种或两种规格。
优选的，选用的铜箔为纯铜或黄铜铜箔，铜箔厚度规格为0.01～0.5mm。
优选的，步骤S2至步骤S5中：铜箔处于完全展平并拉紧状态进行裁剪、表面抛光、减薄处理、精密微结构切割以及叠片分离。
优选的，表面抛光与减薄处理采用化学或电化学腐蚀方法，使铜箔厚度减薄至波纹槽宽或波纹齿宽的设计值公差范围内。
优选的，步骤S3包括以下步骤：
S31，依据铜箔裁剪尺寸设计区域四角定位标记、各叠片微结构及其编号标记在铜箔上的位置排布；
S32，采用精密切割加工步骤S31中设计的微结构。
优选的，步骤S5包括以下步骤：
S51，通过铜箔上设计区域的四角定位标记对加工设备进行再定位；
S52，依据波纹喇叭外形尺寸进行叠片外形设计，并依据叠片序列进行外轮廓加工轨迹与图形布局设计；
S53，依据步骤S52中设计的轨迹与图形进行精密切割加工；
S54，从铜箔上依次分离取下各波纹叠片，或者在叠片收集盒中依照叠片上编号标记进行排序收纳。
优选的，步骤S3和步骤S5中的精密加工包括精密激光切割、精密线切割和聚焦离子束刻蚀工艺。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明直接采用广泛使用的通用科研级铜箔标准规格产品，材料纯度高、厚度精度高、厚度与宽度尺寸范围合理可选、并且价格较低。从使用材料的角度无论是单件加工还是批量大批量制备均可以极大地降低成本。
(2)本发明采用的是正片抛光减薄、精密加工的工艺，相对于当前的制版、多次光刻、DRIE、电铸等工艺，在同样能保证精度的前提下，工艺流程更少，加工效率更高，加工成本也更低。特别是面向多种频段波纹馈源喇叭多种规格叠片的批量制备时，其制备时间与成本均可以大大降低。
附图说明
图1为本发明一种太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的铜箔上微结构切割图形布局图；
图3为本发明实施例提供的四角定位结构与叠片微结构图；
图4为本发明实施例提供的切割完后铜箔上微结构布局图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供的一种太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法，包括以下步骤S1至步骤S5。本实施例选用对象为1.4THz波纹馈源喇叭，内腔波纹槽槽深52μm～79μm，波纹槽与波纹齿宽均为34μm，尺寸精度为±2μm。因为此设计波纹槽与齿同宽，波纹叠片厚度为34μm一种规格即可。
波纹叠片制备的具体操作包括以下步骤：
S1，依据太赫兹波纹馈源喇叭内腔结构设计选择合理规格的铜箔。
本实施例中，波纹叠片的厚度为34μm一种规格，依据标准铜箔规格可以选取0.04mm厚、100mm宽规格的纯铜箔标准券，此种标准铜箔的厚度精度为±2μm。
优选的，铜箔选择厚度大于并最接近太赫兹波纹馈源喇叭内腔波纹槽宽与波纹齿宽的一种或两种规格。
优选的，选用的铜箔为纯铜或黄铜铜箔，铜箔厚度规格为0.01～0.5mm。
S2，根据波纹结构要求对铜箔进行裁剪、表面抛光与减薄处理。
本实施例中，从铜箔卷中拉出约400mm长度的铜箔，通过装夹工具夹住两端，展平并拉紧。以保位工装固定两个装夹工具相对位置，使铜箔保持完全展平并拉紧的状态。铜箔、装夹工具以及保位工装保持该拉紧的稳定状态进行后续的抛光、减薄以及切割等工艺。通过光学测厚仪测量记录铜箔的实际厚度h1，计算铜箔需要减薄的厚度：h1-0.034mm。将铜箔完全浸没于稀硫酸-过硫酸钠腐蚀液中，减薄处理时间为85s/μm，通过时间控制来控制铜箔减薄程度。在减薄完成后进行去离子水清洗与晾干，并再次测量记录铜箔减薄后的厚度h2。
S3，进行微结构阵列加工布局设计并进行精密加工。
S31，依据铜箔裁剪尺寸设计区域四角定位标记、各叠片微结构及其编号标记在铜箔上的位置排布，见图2。
此时设计的图形仅包括四角的十字定位微结构、叠片上的中心孔以及四周的定位孔。
S32，采用精密切割加工步骤S31中设计的微结构。
本实施例中，通过将CAD图案导入激光切割设备的CAM软件生产加工代码。加工顺序为首先加工四周的定位微结构，然后加工每个叠片的中心孔与定位孔，见图3，依照顺序依次逐个加工，保证每个结构的尺寸准确，相对位置精确。通过仿真软件对生产的加工代码进行加工轨迹仿真再次确认。将保位工装连同铜箔固定于设备工作台，并将加工代码导入设备。首先加工定位微结构，并以此为基准加工后续结构。在激光加工完成后通过图像尺寸测量仪快速自动复检加工结果微结构的尺寸。
S4，铜箔表面与孔内进行镀金处理。
本实施例中，通过化学镀将铜箔表面与孔内镀上一层金薄膜，厚度依据铜箔减薄后测量的厚度h2与标准厚度进行比较，适度通过金层厚度进行补偿。
S5，叠片外轮廓精密切割并分离，获得波纹叠片成品。
S51，通过铜箔上设计区域的四角定位标记对加工设备进行再定位；
S52，依据波纹喇叭外形尺寸进行叠片外形设计，并依据叠片序列进行外轮廓加工轨迹与图形布局设计，设计如图4的外轮廓；
S53，依据步骤S52中设计的轨迹与图形进行精密切割加工；
S54，从铜箔上依次分离取下各波纹叠片，将脱离的叠片在其收集盒中依据其上的编码标识排序纳入检验工装，并通过图像尺寸测量仪快速自动复检叠片产品的质量与尺寸。
优选的，步骤S2至步骤S5中：铜箔处于完全展平并拉紧状态进行裁剪、表面抛光、减薄处理、精密微结构切割以及叠片分离。
优选的，表面抛光与减薄处理采用化学或电化学腐蚀方法，使铜箔厚度减薄至波纹槽宽或波纹齿宽的设计值公差范围内。
优选的，步骤S3和步骤S5中的精密加工包括精密激光切割、精密线切割和聚焦离子束刻蚀工艺。
本发明将太赫兹波纹馈源喇叭堆叠键合工艺中需要高成本、长周期才能制备的微米级叠片通过选择合理规格铜箔进行裁剪、抛光减薄、微结构精密切割、镀金处理等实现高效高精度、低成本、大批量的制备。本发明制备方法与当前叠片的制备方法相比，在保障制备精度与批量制造能力的基础上，可以极大地降低制备成本与制造周期，也可以广泛用于多种频段规格的太赫兹波纹馈源喇叭堆叠键合成型工艺的波纹叠片制备。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，依据太赫兹波纹馈源喇叭内腔结构设计选择合理规格的铜箔；
S2，根据波纹结构要求对铜箔进行裁剪、表面抛光与减薄处理；
S3，进行微结构阵列加工布局设计并进行精密加工；
S4，铜箔表面与孔内进行镀金处理；
S5，叠片外轮廓精密切割并分离，获得波纹叠片成品。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法，其特征在于，步骤S1中：铜箔选择厚度大于并最接近太赫兹波纹馈源喇叭内腔波纹槽宽与波纹齿宽的一种或两种规格。
3.根据权利要求2所述的一种太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法，其特征在于，选用的铜箔为纯铜或黄铜铜箔，铜箔厚度规格为0.01～0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法，其特征在于，步骤S2至步骤S5中：铜箔处于完全展平并拉紧状态进行裁剪、表面抛光、减薄处理、精密微结构切割以及叠片分离。
5.根据权利要求4所述的一种太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法，其特征在于，表面抛光与减薄处理采用化学或电化学腐蚀方法，使铜箔厚度减薄至波纹槽宽或波纹齿宽的设计值公差范围内。
6.根据权利要求1所述的一种太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：
S31，依据铜箔裁剪尺寸设计区域四角定位标记、各叠片微结构及其编号标记在铜箔上的位置排布；
S32，采用精密切割加工步骤S31中设计的微结构。
7.根据权利要求1所述的一种太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法，其特征在于，步骤S5包括以下步骤：
S51，通过铜箔上设计区域的四角定位标记对加工设备进行再定位；
S52，依据波纹喇叭外形尺寸进行叠片外形设计，并依据叠片序列进行外轮廓加工轨迹与图形布局设计；
S53，依据步骤S52中设计的轨迹与图形进行精密切割加工；
S54，从铜箔上依次分离取下各波纹叠片，或者在叠片收集盒中依照叠片上编号标记进行排序收纳。
8.根据权利要求1所述的一种太赫兹馈源喇叭波纹叠片的制备方法，其特征在于，步骤S3和步骤S5中的精密加工包括精密激光切割、精密线切割和聚焦离子束刻蚀工艺。
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