CN114975378B - 基于3d打印的柔性射频封装模块及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于3D打印的柔性射频封装模块及制备方法，用于解决现有技术中存在的射频封装模块的天线辐射效率和增益较低，以及制备复杂度较高且制备周期较长的技术问题，柔性射频封装模块包括由相互层叠的三层柔性基板组成的第三柔性基板(4)；制备方法包括通过3D打印聚酰亚胺的方式打印柔性透波防护层的步骤，通过3D打印热塑性材料的方式打印六块柔性基板的步骤，以及通过3D打印导电银浆的方式打印六块柔性基板上各组成子件的步骤，可用武器平台、汽车电子和可穿戴电子等领域。
Description
技术领域
本发明属于天线封装技术领域，具体涉及一种基于3D打印的柔性射频封装模块及制备方法，可用于武器平台、汽车电子和可穿戴电子等领域。
背景技术
射频模块包括射频芯片、天线及其他电子元件，通过封装材料与工艺将天线集成在带有芯片的封装内，在兼顾天线性能的同时，实现射频模块一体化、高集成、小型化封装。但是现有射频封装模块多以低温共烧陶瓷(LTCC)为基板，无法与曲面结构共形，相比于刚性射频封装模块，在复杂工作环境，如振动，冲击下，柔性射频封装模块具有更好的适应性。
增材制造技术3D打印提供了巨大的制造灵活性和新的加工可能性，包括挤出式打印、喷墨打印、气溶胶喷印等，在射频设备加工方面，3D打印可以按照给定模型快速制造基板，3D打印制造的传输线，在毫米波频率范围，可以有效降低芯片互连的距离和损耗。与增材制造技术相比，采用传统工艺的柔性射频模块，在基板方面，多采用传统减材工艺加工LCP介质基板，在芯片水平互连方面，多采用金丝键合，例如，申请公布号为CN 109801908A，名称为“一种射频模块及其制备方法”的专利申请，该射频模块包括多层压合的LCP介质基板，其中，LCP基板中设置有若干个芯片埋置腔，每个芯片埋置腔内的芯片通过金丝键合与LCP基板上的导带连接。但是其不足之处是需采用化学蚀刻工艺，选择性去除LCP介质基板表面的铜以及形成芯片埋置槽，加工流程复杂；芯片水平互连采用传统金丝键合，在高频微波下金丝键合长度过长，导致寄生电感效应明显、阻抗不匹配以及较高损耗，进而影响天线辐射性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出基于3D打印的柔性射频封装模块及制备方法，旨在提高天线辐射效率和增益的同时，降低柔性射频封装模块制备的复杂度，并缩短制备周期。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于3D打印的柔性射频封装模块，包括柔性透波防护层1，以及由自上而下依次层叠的第一柔性基板2、第二柔性基板3、第三柔性基板4、第四柔性基板5、第五柔性基板6和第六柔性基板7组成的柔性射频模块，其中：
所述第一柔性基板2，其上表面设置有N个寄生贴片天线21，N≥2；
所述第二柔性基板3，其中心位置设置有贯穿上下板面的空气腔31；
所述第三柔性基板4，包括相互层叠的三层柔性基板，每层柔性基板由至少两种柔性材料混合而成，该第三柔性基板4的上表面设置有N个主辐射天线41；
所述第四柔性基板5，其上表面设置有参考地51，参考地51上设置有N个耦合缝隙52；
所述第五柔性基板6，包括设置在埋置腔中的N个射频收/发芯片61和N个无源器件62，其中每个射频收/发芯片61通过旁路信号线63与其对应的无源器件62连接，所述第五柔性基板6还包括与每个射频收/发芯片61连接的N个输出端的功分器64、射频信号线65以及通过金属化通孔与参考地51连接的接地信号线66；所述旁路信号线63、功分器64、射频信号线65和接地信号线66的位置根据射频收/发芯片61引脚的方向确定；
所述第六柔性基板7，包括设置在腔室中的用于与外部矢量网络分析仪和功分器64输入端连接的射频接头71、用于与外部计算机连接的控制信号板72，以及设置在第六柔性基板7上表面的低频信号线73，该低频信号线73一端与控制信号板72连接，另一端通过金属化通孔与射频收/发芯片61连接；
所述柔性透波防护层1是通过3D打印聚酰亚胺的方式打印在第一柔性基板2的上表面；所述柔性射频模块所包含的六块柔性基板是通过3D打印热塑性材料的方式实现的；所述寄生贴片天线21、主辐射天线41、参考地51、旁路信号线63、功分器64、射频信号线65、接地信号线66和低频信号线73是通过3D打印导电银浆的方式实现的。
上述基于3D打印的柔性射频封装模块，所述寄生贴片天线21和主辐射天线41，均采用四单元矩形结构。
上述基于3D打印的柔性射频封装模块，所述射频收/发芯片61，其引脚向上或向下，当射频收/发芯片61的引脚向上时，旁路信号线63、功分器64、射频信号线65和接地信号线66位于第五柔性基板6的上表面；当射频收/发芯片61的引脚向下时，旁路信号线63、功分器64、射频信号线65和接地信号线66位于第五柔性基板6的上下表面之间。
上述基于3D打印的柔性射频封装模块，所述热塑性材料，采用ABS(丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物)、TPU(热塑性聚氨酯橡胶)、PC(聚碳酸酯)或尼龙。
一种基于3D打印的柔性射频封装模块的制备方法，包括以下步骤：
(1)编写柔性射频封装模块的3D打印程序：
根据柔性射频封装模块的结构，编写柔性射频封装模块的3D打印程序，包括所述柔性射频模块所包含的六块柔性基板和柔性透波防护层1打印顺序的程序，各柔性基板上设置的子件的打印程序，以及打印材料的程序；
(2)对第六柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印包含腔室的第六柔性基板7，然后将射频接头71和控制信号板72固定在腔室内，并将低频信号线73打印在第六柔性基板7的上表面，一端与控制信号板72连接；
(3)对第五柔性基板及其子件进行3D打印：
对第五柔性基板及其子件进行3D打印，采用芯片先置的方法或芯片后置的方法，当采用芯片先置的方法时，首先根据3D打印程序打印包含埋置腔和通孔的第五柔性基板6，并将射频收/发芯片61的引脚向上，将其及其对应的无源器件62固定在埋置腔内，然后在所述第五柔性基板6的上表面打印旁路信号线63、功分器64、射频信号线65和接地信号线66；当采用芯片后置的方法时，首先根据3D打印程序打印包含通孔的第五柔性基板6至埋置腔底平面的高度，并在所述第五柔性基板6埋置腔底平面所在的表面打印旁路信号线63、功分器64、射频信号线65和接地信号线66，然后将射频收/发芯片61的引脚向下，将其及其对应的无源器件62放置在该平面上，最后将该第五柔性基板6打印至第五柔性基板6的设计高度；
(4)对第四柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印包含通孔的第四柔性基板5，并将参考地51打印在第四柔性基板5的上表面；
(5)对第三柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印第三柔性基板4，并将主辐射天线41打印在第三柔性基板4的上表面；
(6)对第二柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印带有空气腔31的第二柔性基板3；
(7)对第一柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印第一柔性基板2，并将寄生贴片天线21打印在第一柔性基板2的上表面；
(8)对柔性透波防护层进行3D打印：
根据3D打印程序打印柔性透波防护层1；
(9)打印后处理：
将打印完成的射频封装模块放置真空箱中进行固化。
上述基于3D打印的柔性射频封装模块的制备方法，步骤5中所述的根据3D打印程序打印第三柔性基板4，是通过两个打印喷头实现对至少两种柔性材料的打印。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明由于第三柔性基板包括相互层叠的三层柔性基板，且每层柔性基板由至少两种柔性材料混合而成，通过调整材料的混合比例和填充率，从而改变基板电参数，进而提升天线的辐射效率和增益。
2.本发明由于柔性透波防护层、六块柔性基板、以及各柔性基板上加载的子件均是通过3D打印的方式实现的，能够加快射频封装模块的成型效率，同时避免了现有技术采用的化学蚀刻工艺带来的制备过程复杂的缺陷，有效缩短了制备周期。
3.本发明由于射频信号线是通过3D打印的方式实现的，避免了现有技术采用的金丝键合方法导致的连接线过长、高频情况下寄生效应明显、阻抗不匹配和损耗大的缺陷。
附图说明
图1是本发明射频封装模块的结构示意图；
图2是本发明射频封装模块的剖面图；
图3是本发明第五柔性基板打印的原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
参照图1，一种柔性射频封装模块，包括柔性透波防护层1，以及由自上而下依次层叠的第一柔性基板2、第二柔性基板3、第三柔性基板4、第四柔性基板5、第五柔性基板6和第六柔性基板7组成的柔性射频模块，其中：
第一柔性基板2，其上表面设置有四单元矩形结构的寄生贴片天线21，可以提升射频模块的增益。
第二柔性基板3，其中心位置设置有贯穿上下板面的空气腔31，空气腔31内部填充空气，进一步提升射频模块的增益和辐射性能。
第三柔性基板4，包括相互层叠的三层柔性基板，每层柔性基板由至少两种柔性材料混合而成，该第三柔性基板4的上表面设置有四单元矩形结构的主辐射天线41，本实例中，采用的两种材料为ABS和TPU，其中ABS均匀分布在TPU内。
第四柔性基板5，其上表面设置有参考地51，参考地51上设置有四个耦合缝隙52，用于天线耦合馈电，通孔采用阶梯状并贯穿第四柔性基板5。
第五柔性基板6，包括设置在埋置腔中的四个射频收/发芯片61和四个无源器件62，通孔采用阶梯状并贯穿第五柔性基板6，其中每个射频收/发芯片61通过旁路信号线63与其对应的无源器件62连接，所述第五柔性基板6还包括与每个射频收/发芯片61连接的四个输出端的功分器64、射频信号线65以及通过第四柔性基板5中的金属化通孔与参考地51连接的接地信号线66；所述旁路信号线63、功分器64、射频信号线65和接地信号线66的位置根据射频收/发芯片61引脚的方向确定，其引脚向上或向下，当射频收/发芯片61的引脚向上时，旁路信号线63、功分器64、射频信号线65和接地信号线66位于第五柔性基板6的上表面；当射频收/发芯片61的引脚向下时，旁路信号线63、功分器64、射频信号线65和接地信号线66位于第五柔性基板6的上下表面之间。
第六柔性基板7，包括设置在腔室中的用于与外部矢量网络分析仪和功分器64输入端连接的射频接头71、用于与外部计算机连接的控制信号板72，以及设置在第六柔性基板7上表面的低频信号线73，该低频信号线73一端与控制信号板72连接，另一端通过第五柔性基板6中的金属化通孔与射频收/发芯片61连接。
所述柔性透波防护层是通过3D打印聚酰亚胺的方式打印在第一柔性基板的上表面；所述寄生贴片天线21、主辐射天线41、参考地51、旁路信号线63、功分器64、射频信号线65、接地信号线66和低频信号线73是通过3D打印导电银浆的方式实现的。
所述柔性射频模块所包含的六块柔性基板是通过3D打印热塑性材料的方式实现的，本实例中，采用的热塑性材料为TPU和ABS。
参照图2，对上述射频封装模块的制备方法进行详细的描述，柔性透波防护层采用喷墨打印聚酰亚胺的方式，寄生贴片天线、主辐射天线、参考地、旁路信号线、功分器、射频信号线、接地信号线和低频信号线以及通孔金属化采用喷墨打印导电银浆的方式，通孔采用阶梯状结构，从而保证通孔内壁的导电银浆固化后的连续性，基板采用熔融沉积成型(FDM)的方式，利用电加热方式将热塑型材料加热至熔融状态，在计算机控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的耗材涂覆在打印平台上，冷却后形成基板的一层截面，一层成型后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成多层基板，承载台温度设置为90℃，从而提升层间粘结性，包括以下步骤：
(1)编写柔性射频封装模块的3D打印程序：
根据柔性射频封装模块的结构，编写柔性射频封装模块的3D打印程序，包括所述柔性射频模块所包含的六块柔性基板和柔性透波防护层1打印顺序的程序，各柔性基板上设置的子件的打印程序，以及打印材料的程序；
(2)对第六柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印包含腔室的第六柔性基板7，然后将射频接头71和控制信号板72固定在腔室内，并将低频信号线73打印在第六柔性基板7的上表面，其中，第六柔性基板7的材料为100％填充率的TPU；
(3)对第五柔性基板及其子件进行3D打印：
对第五柔性基板及其子件进行3D打印，采用芯片先置的方法或芯片后置的方法，如图2(a)，当采用芯片先置的方法时，首先根据3D打印程序打印包含埋置腔和阶梯状通孔的第五柔性基板6，并将射频收/发芯片61的引脚向上，将其及其对应的无源器件62固定在埋置腔内，埋置腔内表面涂覆有环氧树脂，然后在所述第五柔性基板6的上表面打印旁路信号线63、功分器64、射频信号线65和接地信号线66；如图2(b)，当采用芯片后置的方法时，首先根据3D打印程序打印包含阶梯状通孔的第五柔性基板6至埋置腔底平面的高度，并在所述第五柔性基板6埋置腔底平面所在的表面打印旁路信号线63、功分器64、射频信号线65和接地信号线66，在阶梯状通孔内壁打印导电银浆实现通孔金属化，然后将射频收/发芯片61的引脚向下，将其及其对应的无源器件62放置在该平面上，最后将该第五柔性基板6打印至第五柔性基板6的设计高度，其中，阶梯状通孔厚度方向贯穿第五柔性基板6，第五柔性基板6的材料为100％填充率的TPU；
(4)对第四柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印包含阶梯状通孔的第四柔性基板5，并将参考地51打印在第四柔性基板5的上表面，在阶梯状通孔内壁打印导电银浆实现通孔金属化，其中，阶梯状通孔厚度方向贯穿第四柔性基板5，第四柔性基板5的材料为100％填充率的TPU；
(5)对第三柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印第三柔性基板4，并将主辐射天线41打印在第三柔性基板4的上表面，第三柔性基板4由不同填充率的三层组成，通过两个喷头分别打印两种材料，每一层的材料为TPU和ABS，其中ABS均匀分布在TPU内，上下两层的材料填充率为100％，从而保证第三柔性基板4的结构稳定性和表面平整性，中间层的材料填充率可调，通过调整中间层材料的填充率和每一层材料的比例，从而改变第三柔性基板4的介电常数和损耗角正切，进而改变天线的增益和辐射性能；
(6)对第二柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印带有空气腔31的第二柔性基板3，其中，第二柔性基板3的材料为100％填充率的TPU；
(7)对第一柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印第一柔性基板2，并将寄生贴片天线21打印在第一柔性基板2的上表面，其中，第一柔性基板2的材料为100％填充率的TPU；
(8)对柔性透波防护层进行3D打印：
根据3D打印程序打印柔性透波防护层1；
(9)打印后处理：
将打印完成的射频封装模块从承载台转移至真空箱，进行高温真空脱泡，以减少内部缺陷和实现完全固化。
参照图3，图3(a)为第五柔性基板打印过程中芯片先置方法的原理图，图3(b)为第五柔性基板打印过程中芯片后置方法的原理图。
Claims (6)
1.一种基于3D打印的柔性射频封装模块，包括柔性透波防护层(1)，以及由自上而下依次层叠的第一柔性基板(2)、第二柔性基板(3)、第三柔性基板(4)、第四柔性基板(5)、第五柔性基板(6)和第六柔性基板(7)组成的柔性射频模块，其中：
所述第一柔性基板(2)，其上表面设置有N个寄生贴片天线(21)，N≥2；
所述第二柔性基板(3)，其中心位置设置有贯穿上下板面的空气腔(31)；
所述第三柔性基板(4)，包括相互层叠的三层柔性基板，每层柔性基板由至少两种柔性材料混合而成，该第三柔性基板(4)的上表面设置有N个主辐射天线(41)；
所述第四柔性基板(5)，其上表面设置有参考地(51)，参考地(51)上设置有N个耦合缝隙(52)；
所述第五柔性基板(6)，包括设置在埋置腔中的N个射频收/发芯片(61)和N个无源器件(62)，其中每个射频收/发芯片(61)通过旁路信号线(63)与其对应的无源器件(62)连接，所述第五柔性基板(6)还包括与每个射频收/发芯片(61)连接的N个输出端的功分器(64)、射频信号线(65)以及通过金属化通孔与参考地(51)连接的接地信号线(66)；所述旁路信号线(63)、功分器(64)、射频信号线(65)和接地信号线(66)的位置根据射频收/发芯片(61)引脚的方向确定；
所述第六柔性基板(7)，包括设置在腔室中的用于与外部矢量网络分析仪和功分器(64)输入端连接的射频接头(71)、用于与外部计算机连接的控制信号板(72)，以及设置在第六柔性基板(7)上表面的低频信号线(73)，该低频信号线(73)一端与控制信号板(72)连接，另一端通过金属化通孔与射频收/发芯片(61)连接；
其特征在于，所述柔性透波防护层(1)是通过3D打印聚酰亚胺的方式打印在第一柔性基板(2)的上表面；所述柔性射频模块所包含的六块柔性基板是通过3D打印热塑性材料的方式实现的；所述寄生贴片天线(21)、主辐射天线(41)、参考地(51)、旁路信号线(63)、功分器(64)、射频信号线(65)、接地信号线(66)和低频信号线(73)是通过3D打印导电银浆的方式实现的。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印的柔性射频封装模块，其特征在于，所述寄生贴片天线(21)和主辐射天线(41)，均采用四单元矩形结构。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印的柔性射频封装模块，其特征在于，所述射频收/发芯片(61)，其引脚向上或向下，当射频收/发芯片(61)的引脚向上时，旁路信号线(63)、功分器(64)、射频信号线(65)和接地信号线(66)位于第五柔性基板(6)的上表面；当射频收/发芯片(61)的引脚向下时，旁路信号线(63)、功分器(64)、射频信号线(65)和接地信号线(66)位于第五柔性基板(6)的上下表面之间。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印的柔性射频封装模块，其特征在于，所述热塑性材料，采用ABS、TPU、PC或尼龙。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印的柔性射频封装模块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：一种基于3D打印的柔性射频封装模块
(1)编写柔性射频封装模块的3D打印程序：
根据柔性射频封装模块的结构，编写柔性射频封装模块的3D打印程序，包括所述柔性射频模块所包含的六块柔性基板和柔性透波防护层(1)打印顺序的程序，各柔性基板上设置的子件的打印程序，以及打印材料的程序；
(2)对第六柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印包含腔室的第六柔性基板(7)，然后将射频接头(71)和控制信号板(72)固定在腔室内，并将低频信号线(73)打印在第六柔性基板(7)的上表面，一端与控制信号板(72)连接；
(3)对第五柔性基板及其子件进行3D打印：
对第五柔性基板及其子件进行3D打印，采用芯片先置的方法或芯片后置的方法，当采用芯片先置的方法时，首先根据3D打印程序打印包含埋置腔和通孔的第五柔性基板(6)，并将射频收/发芯片(61)的引脚向上，将其及其对应的无源器件(62)固定在埋置腔内，然后在所述第五柔性基板(6)的上表面打印旁路信号线(63)、功分器(64)、射频信号线(65)和接地信号线(66)；当采用芯片后置的方法时，首先根据3D打印程序打印包含通孔的第五柔性基板(6)至埋置腔底平面的高度，并在所述第五柔性基板(6)埋置腔底平面所在的表面打印旁路信号线(63)、功分器(64)、射频信号线(65)和接地信号线(66)，然后将射频收/发芯片(61)的引脚向下，将其及其对应的无源器件(62)放置在该平面上，最后将该第五柔性基板(6)打印至第五柔性基板(6)的设计高度；
(4)对第四柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印包含通孔的第四柔性基板(5)，并将参考地(51)打印在第四柔性基板(5)的上表面；
(5)对第三柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印第三柔性基板(4)，并将主辐射天线(41)打印在第三柔性基板(4)的上表面；
(6)对第二柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印带有空气腔(31)的第二柔性基板(3)；
(7)对第一柔性基板及其子件进行3D打印：
根据3D打印程序打印第一柔性基板(2)，并将寄生贴片天线(21)打印在第一柔性基板(2)的上表面；
(8)对柔性透波防护层进行3D打印：
根据3D打印程序打印柔性透波防护层(1)；
(9)打印后处理：
将打印完成的射频封装模块放置真空箱中进行固化。
6.根据权利要求5所述的基于3D打印的柔性射频封装模块的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述的根据3D打印程序打印第三柔性基板(4)，是通过两个打印喷头实现对至少两种柔性材料的打印。
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