CN113540729A - 一种基于3d打印的微型同轴传输线及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于3D打印的微型同轴传输线及其制作方法，其中输线中间主体(101)包括内导体(201)、外导体(202)、支撑结构(203)、外框架盖帽(204)和外框架底板(205)，支撑结构(203)、外框架盖帽(204)和外框架底板(205)的材料均为光固化树脂；外框架底板(205)的内表面覆盖有外导体(202)；支撑结构(203)位于外框架底板(205)的中央上方，其上表面覆盖有内导体(201)；外框架盖帽(204)倒扣在外框架底板(205)上；所述传输线端部(102)位于传输线中间主体(101)的端部，相对于传输线中间主体(101)顶部镂空。本发明提出的微型同轴传输线以光固化3D打印为核心，较目前微同轴结构的制作，具有便于批量制作、制作周期短、加工精度高等优点。

Description

一种基于3D打印的微型同轴传输线及其制作方法
技术领域
本发明属于3D打印领域，具体的涉及到一种基于3D打印技术的微型同轴传输线及其制作方法。
背景技术
射频电子系统中微波信号的传输是关键，目前芯片间的互联多采用微带线、带状线、共面波导、垂直通孔等水平或垂直传输结构。近年来高频率应用需求凸显，随着微波集成电路技术快速发展，射频系统向小型化、高密度的趋势演化。当系统集成度或频率很高时，传统互联、传输技术就暴露出许多弊端，如插入损耗和线间耦合较大，急需一种新型射频传输结构取代现有常规传输系统，以满足高频率、高集成度、高性能的应用需求。因此可以集成在基板上的铜基微型同轴传输线应运而生，具有损耗小、抗干扰等显著优点，但是其基于多步LIGA工艺的传统制作方法，需要多次厚膜光刻和电镀，工序繁琐、成本昂贵，只能应用于宇航等特殊场景。
与本发明相关的发明专利申请有：(1)申请号为CN202010430174.7的专利文献，公开了一种微同轴传输线及其制备方法及金属3D打印装置；(2)申请号为CN202010039385.8的专利文献，公开了一种微同轴结构的制备方法及微同轴结构。CN202010430174.7号专利文献采用金属3D打印方法制作内外导体，金属3D打印方法为一维打印方法，规模结构和批量加工的周期长、费用高，且加工精度不适宜毫米级或亚毫米级同轴结构的制作。CN202010039385.8号专利文献基于半导体工艺制作的硅基微模具，利用微电铸工艺制作微同轴结构，这种方法虽然加工精度高，可达微米级别，但是硅模具制作工艺复杂且为一次性，导致微同轴结构制作工序复杂且费用高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何降低加工难度及成本,并且缩短加工周期，同时还要保证加工精度。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于3D打印的微型同轴传输线，包括传输线中间主体(101)和传输线端部(102)，所述输线中间主体(101)包括内导体(201)、外导体(202)、支撑结构(203)、外框架盖帽(204)和外框架底板(205)，支撑结构(203)、外框架盖帽(204)和外框架底板(205)的材料均为光固化树脂；
外框架底板(205)的内表面上方覆盖有外导体(202)；
支撑结构(203)位于外框架底板(205)的中央上方，支撑结构(203)上表面覆盖有内导体(201)；
外框架盖帽(204)倒扣在外框架底板(205)上，且外框架底板(205)的两端部分别连接外框架盖帽(204)的两侧板内表面；
所述传输线端部(102)位于传输线中间主体(101)的端部，相对于传输线中间主体(101)顶部镂空，从而露出部分内导体(201)和外导体(202)。
本发明提出的微型同轴传输线以光固化3D打印为核心，较目前微同轴结构的制作，具有便于批量制作、制作周期短、加工精度高等优点。本发明提供的微型同轴传输线为射频电子系统的微型化提供了一个极具前景、切实可行的技术路径。
作为优化的技术方案，该基于3D打印的微型同轴传输线为直线形态，或折线、曲线形态。
作为优化的技术方案，所述内导体(201)和外导体(202)的材料为铜、金等金属。
作为优化的技术方案，所述外导体(202)的金属层厚度为1um-10um，内导体(201)的金属层厚度1um-10um。
作为优化的技术方案，内导体(201)和外导体(202)的金属层厚度都要大于微型同轴传输线工作频率范围内的最大趋肤厚度。
作为优化的技术方案，外框架盖帽(204)和外框架底板(205)构成了传输线中间主体(101)的外框架，该外框架的内外部轮廓均为矩形。
作为优化的技术方案，外部轮廓长宽0.5mm-2mm，且外框架盖帽(204)和外框架底板(205)的厚度为0.1mm-0.5mm，支撑结构(203)位于内部轮廓的中央，高度为内部轮廓高度的一半，宽度为0.1mm-1mm。
本发明还提供一种上述任一方案所述的基于3D打印的微型同轴传输线的制作方法，包括下述步骤：
S1、利用光固化3D打印方法，批量制作外框架底板(205)，厚度0.1mm-0.5mm，材料为光固化树脂，光固化3D打印工艺过程中，单层打印层厚10-100微米，光学成像精度10-100微米，垂直打印速度1-10毫米/分钟；
S2、基于化学镀工艺，批量对外框架底板(205)的上表面依次进行清洗、粗化、活化、化学镀，制作作为外导体(202)的金属铜层，厚度1um-10um；
S3、利用光固化3D打印方法，基于3D打印嫁接技术批量在步骤S2制作的工件的表面中央制作支撑结构(203)，支撑结构(203)材料为光固化树脂，宽度0.1mm-1mm；
S4、首先通过光固化3D打印技术制作相匹配的化学镀工装，利用化学镀工装基于化学镀、电镀工艺批量在支撑结构(203)上表面沉积内导体(201)，内导体(201)厚度1um-10um；
S5、利用光固化3D打印技术批量制作外框架盖帽(204)，外框架盖帽(204)厚度0.1mm-0.5mm；
S6、利用化学镀工艺批量在外框架盖帽(204)内表面制作金属层作为外导体(202)，厚度1um-10um；
S7、在外框架底板(205)的侧面涂覆导电胶，将外框架盖帽(204)与外框架底板(205)进行装配。
作为优化的技术方案，步骤S4中的化学镀工装包括工装本体(401)以及并排开设在工装本体(401)的若干T型孔(402)，T型孔(402)的横向孔底端开口位于工装本体(401)的底部，T型孔(402)的竖向孔顶端开口位于工装本体(401)的顶端，且T型孔(402)的横向孔的尺寸等于外框架底板(205)加上其上覆盖的内导体(201)的尺寸，T型孔(402)的竖向孔的尺寸等于支撑结构(203)的尺寸，即外框架底板(205)加上其上覆盖的内导体(201)正好容置在T型孔(402)的横向孔内，支撑结构(203)正好容置在T型孔(402)的竖向孔内。
本发明的优点在于：本发明提供的微型同轴传输线，采用TEM模式进行信号传输，具有超宽带、低损耗、抗干扰等显著优点，便于构建芯片间的信号传输通道。该传输网络可以组装在PCB等常见的基板上，能够与基板上本身已有的铜通孔、覆铜等传统互联网络协同工作。光固化3D打印技术是一种新型的二维投影快速打印方法，精度取决于光源投影的分辨率，近年来技术进展快速，目前精度可达微米级，且逐层固化构建，较普通3D打印方法具有打印速度快、精度高的显著优点。本发明提出的微型同轴传输线制作方法以光固化3D打印方法为核心，结合表面金属化技术，较目前微同轴结构的制作方法，具有便于批量制作、重量轻、加工精度高等优点。本发明提供的微型同轴传输线及其网络为星载雷达等射频电子系统的微型化提供了一个极具前景、切实可行的技术路径。
本发明主要应用于星载雷达等高端微型射频电子系统中，基于金属3D打印等传统工艺制作的同轴传输线尺寸大、重量大，难以小型化，基于光固化3D打印技术微纳米级高精度、快速打印的最新进展，结合表面金属化技术，本发明提出了基于光固化3D打印技术的微型同轴传输线。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于3D打印的微型同轴传输线的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的基于3D打印的微型同轴传输线组成的传输网络的结构示意图；
图3中是本发明实施例提供的基于3D打印的微型同轴传输线中间剖面结构示意图；
图4中是本发明实施例提供的基于3D打印的微型同轴传输线制作工艺流程图；
图5中是本发明实施例提供的基于3D打印的微型同轴传输线制作过程中基于化学镀工装的化学镀示意图；
图6为本发明实施例中步骤S3制作的工件与化学镀工装组装后的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出的基于3D打印的微型同轴传输线如图1所示，包括传输线中间主体101和传输线端部102。
本实施例中，所述基于3D打印的微型同轴传输线为直线形态，当然，本发明所提供的基于3D打印的微型同轴传输线不限于图1中所示的直线形态，也包括折线、曲线等其他可能的二维曲线形态。图2为本发明所提供的基于3D打印的微型同轴传输线组成的微同轴传输网络103，实现芯片间的射频信号互联，微同轴传输网络103的形状结构根据实际需要而定。
同时参阅图1和图3，图3是传输线中间主体101的剖面结构图，所述输线中间主体101主要由内导体201和外导体202构成，内导体201和外导体202的材料为铜等金属，具体的，所述传输线中间主体101包括内导体201、外导体202、支撑结构203、外框架盖帽204和外框架底板205。支撑结构203、外框架盖帽204和外框架底板205的材料均为光固化树脂。
支撑结构203为矩形长条形结构，长度沿着传输线中间主体101的长度方向，支撑结构203位于外框架底板205的中央上方，支撑结构203上表面覆盖有内导体201，内导体201的金属层厚度1um-10um。
外框架底板205为截面呈矩形的长条板，外框架底板205的内表面上方覆盖有外导体202，外导体202的金属层厚度为1um-10um。
外框架盖帽204形状呈倒U型，倒扣在外框架底板205上，且外框架底板205的两端部分别连接外框架盖帽204的两侧板内表面。外框架底板205的内表面覆盖有外导体202，外导体202的金属层厚度为1um-10um。即外框架底板205的两端部与外框架盖帽204的两侧板内表面之间设置有外导体202。内导体201和外导体202的金属层厚度都要大于微型同轴传输线工作频率范围内的最大趋肤厚度。
外框架盖帽204和外框架底板205构成了传输线中间主体101的外框架，该外框架的内外部轮廓均为矩形，外部轮廓长宽0.5mm-2mm，且外框架盖帽204和外框架底板205的厚度为0.1mm-0.5mm，支撑结构203位于内部轮廓的中央，高度为内部轮廓高度的一半，宽度为0.1mm-1mm。
所述传输线端部102位于传输线中间主体101的端部，相对于传输线中间主体101顶部镂空，从而露出部分内导体201和外导体202，方便作为引线键合区域与芯片互联。
详细的，参阅图4，本发明基于3D打印的微型同轴传输线的制作方法包括下述步骤：
S1、利用DLP(数字激光投影)、LCD等光固化3D打印方法，批量制作外框架底板205，厚度0.1mm-0.5mm，材料为光固化树脂，光固化3D打印工艺过程中，单层打印层厚10-100微米，光学成像精度10-100微米，垂直打印速度1-10毫米/分钟，本步骤批量打印的外框架底板205可能为一个或多个同类型或不同类型微同轴传输线的外框架底板205；
S2、基于化学镀工艺，批量对外框架底板205的上表面依次进行清洗、粗化、活化、化学镀，制作作为外导体202的金属铜层，厚度1um-10um；
S3、利用DLP、LCD等光固化3D打印方法，基于3D打印嫁接技术批量在步骤S2制作的工件的表面中央制作支撑结构203，支撑结构203材料为光固化树脂，宽度0.1mm-1mm；
S4、首先通过DLP、LCD等光固化3D打印技术制作相匹配的化学镀工装，化学镀工装结构如图5所示，包括工装本体401以及并排开设在工装本体401的若干T型孔402，T型孔402的横向孔底端开口位于工装本体401的底部，T型孔402的竖向孔顶端开口位于工装本体401的顶端，且T型孔402的横向孔的尺寸等于外框架底板205加上其上覆盖的内导体201的尺寸，T型孔402的竖向孔的尺寸等于支撑结构203的尺寸，即外框架底板205加上其上覆盖的内导体201正好容置在T型孔402的横向孔内，支撑结构203正好容置在T型孔402的竖向孔内，图6为步骤S3制作的工件与化学镀工装组装后的示意图，利用化学镀工装基于化学镀、电镀等工艺批量在支撑结构203上表面沉积内导体201，内导体201厚度1um-10um；
S5、利用DLP、LCD等光固化3D打印技术批量制作外框架盖帽204，外框架盖帽204厚度0.1mm-0.5mm，本步骤批量打印的外框架盖帽204可能为一个或多个同类型或不同类型微同轴传输线的外框架盖帽204；
S6、利用化学镀工艺批量在外框架盖帽204内表面制作金属层作为外导体202，厚度1um-10um；
S7、在外框架底板205的侧面涂覆导电胶，将外框架盖帽204与外框架底板205进行装配。
通过以上步骤，即完成了本发明基于3D打印的微型同轴传输线的制作。
根据需要在PCB、LTCC等基板上将本发明基于3D打印的微型同轴传输线组装成需要的互联网络。
本发明提供的基于3D打印的微型同轴传输线，采用TEM(TransverseElectromagnetic Wave，横电磁波)模式进行信号传输，具有超宽带、低损耗、抗干扰等显著优点，便于构建芯片间的信号传输通道。该传输网络可以组装在PCB等常见的基板上，能够与基板上本身已有的铜通孔、覆铜等传统互联网络协同工作。光固化3D打印技术是一种二维投影快速打印方法，精度取决于光源投影的分辨率，可达微米级，逐层固化构建，较普通3D打印方法具有打印速度快、精度高的显著优点。本发明提出的微型同轴传输线制作方法以光固化3D打印方法为核心，较目前微同轴结构的制作方法，具有便于批量制作、制作周期短、加工精度高等优点。本发明提供的微型同轴传输线及其网络为射频电子系统的微型化提供了一个极具前景、切实可行的技术路径。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于3D打印的微型同轴传输线，其特征在于：包括传输线中间主体(101)和传输线端部(102)，所述输线中间主体(101)包括内导体(201)、外导体(202)、支撑结构(203)、外框架盖帽(204)和外框架底板(205)，支撑结构(203)、外框架盖帽(204)和外框架底板(205)的材料均为光固化树脂；
外框架底板(205)的内表面上方覆盖有外导体(202)；
支撑结构(203)位于外框架底板(205)的中央上方，支撑结构(203)上表面覆盖有内导体(201)；
外框架盖帽(204)倒扣在外框架底板(205)上，且外框架底板(205)的两端部分别连接外框架盖帽(204)的两侧板内表面；
所述传输线端部(102)位于传输线中间主体(101)的端部，相对于传输线中间主体(101)顶部镂空，从而露出部分内导体(201)和外导体(202)。
2.如权利要求1所述的一种基于3D打印的微型同轴传输线，其特征在于：该基于3D打印的微型同轴传输线为直线形态，或折线、曲线形态。
3.如权利要求1所述的一种基于3D打印的微型同轴传输线，其特征在于：所述内导体(201)和外导体(202)的材料为铜或金。
4.如权利要求1所述的一种基于3D打印的微型同轴传输线，其特征在于：所述外导体(202)的金属层厚度为1um-10um，内导体(201)的金属层厚度1um-10um。
5.如权利要求1所述的一种基于3D打印的微型同轴传输线，其特征在于：内导体(201)和外导体(202)的金属层厚度都要大于微型同轴传输线工作频率范围内的最大趋肤厚度。
6.如权利要求1所述的一种基于3D打印的微型同轴传输线，其特征在于：外框架盖帽(204)和外框架底板(205)构成了传输线中间主体(101)的外框架，该外框架的内外部轮廓均为矩形。
7.如权利要求6所述的一种基于3D打印的微型同轴传输线，其特征在于：外部轮廓长宽0.5mm-2mm，且外框架盖帽(204)和外框架底板(205)的厚度为0.1mm-0.5mm，支撑结构(203)位于内部轮廓的中央，高度为内部轮廓高度的一半，宽度为0.1mm-1mm。
8.一种权利要求1-7任一项所述的基于3D打印的微型同轴传输线的制作方法，其特征在于：包括下述步骤：
S1、利用光固化3D打印方法，批量制作外框架底板(205)，厚度0.1mm-0.5mm，材料为光固化树脂，光固化3D打印工艺过程中，单层打印层厚10-100微米，光学成像精度10-100微米，垂直打印速度1-10毫米/分钟；
S2、基于化学镀工艺，批量对外框架底板(205)的上表面依次进行清洗、粗化、活化、化学镀，制作作为外导体(202)的金属铜层，厚度1um-10um；
S3、利用光固化3D打印方法，基于3D打印嫁接技术批量在步骤S2制作的工件的表面中央制作支撑结构(203)，支撑结构(203)材料为光固化树脂，宽度0.1mm-1mm；
S4、首先通过光固化3D打印技术制作相匹配的化学镀工装，利用化学镀工装基于化学镀、电镀工艺批量在支撑结构(203)上表面沉积内导体(201)，内导体(201)厚度1um-10um；
S5、利用光固化3D打印技术批量制作外框架盖帽(204)，外框架盖帽(204)厚度0.1mm-0.5mm；
S6、利用化学镀工艺批量在外框架盖帽(204)内表面制作金属层作为外导体(202)，厚度1um-10um；
S7、在外框架底板(205)的侧面涂覆导电胶，将外框架盖帽(204)与外框架底板(205)进行装配。
9.如权利要求8所述的一种基于3D打印的微型同轴传输线的制作方法，其特征在于：步骤S4中的化学镀工装包括工装本体(401)以及并排开设在工装本体(401)的若干T型孔(402)，T型孔(402)的横向孔底端开口位于工装本体(401)的底部，T型孔(402)的竖向孔顶端开口位于工装本体(401)的顶端，且T型孔(402)的横向孔的尺寸等于外框架底板(205)加上其上覆盖的内导体(201)的尺寸，T型孔(402)的竖向孔的尺寸等于支撑结构(203)的尺寸，即外框架底板(205)加上其上覆盖的内导体(201)正好容置在T型孔(402)的横向孔内，支撑结构(203)正好容置在T型孔(402)的竖向孔内。
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