CN117812815A - 一种高透光率低损耗介质基材与器件结构及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高透光率低损耗介质基材与器件结构及其加工方法。其中介质基材可通过对毫米波太赫兹低损光透明颗粒材料加热，使其高于热变形温度而形成液体流动状态，再以一定速度将熔融液体注塑成型到模具中，保持在热变形温度附近及一定的压力使得模具紧密且稳定，然后冷却至室温形成所需厚度和形状的高透光率低损耗介质基材。用于毫米波太赫兹频段的高透光率低损耗器件设计则可通过高透光率金属导体层结构与高透光率低损耗介质基材相结合设计而成。本发明设计制作了一款用于毫米波频段的高透光率低损耗的频率选择表面，显示了良好的毫米波频率选择性和低损耗特性，同时具有高透明度、结构紧凑、制备简单、成本低和方便集成等优点。
Description
技术领域
本发明涉及新一代信息技术领域，特别是涉及一种高透光率低损耗介质基材与器件结构及其加工方法。
背景技术
低插入损耗一直是毫米波和太赫兹器件设计的焦点，因为低插入损耗意味着预期目标端可以接收到更多有效信号。为了实现低插入损耗，需要将器件的介电损耗和导体损耗保持在低水平。介电损耗与所使用的介电衬底密切相关，随着微波和毫米波器件的发展，用于微波和毫米波器件的介质基板越来越受到关注。在低频下具有低损耗正切的传统介质基板材料在毫米波和太赫兹波段通常倾向于具有较高的损耗正切。因此，毫米波和太赫兹器件（如频率选择表面、传输线、天线）的性能通常受到所用介质基板特性的限制。同时，光学透明电磁器件的发展对电介质材料的透明度提出了新的要求。光学透明技术被认为是解决通信系统集成问题的最有效解决方案之一。光学透明电磁器件在实现通信功能的基础上具有光学透明的优点。通常，光学透明器件的实现要求电介质衬底和导电电路应完全或部分光学透明。因此，光学透明器件的发展对介质基板的光学透明提出了新的要求。
此外，为了实现对导电电路的完全或部分透明，研究人员主要使用光透明导电氧化物，如铟锡氧化物（ITO）和氟掺杂氧化锡（FTO），或金属纳米结构，如银纳米线（AgNW）和铜纳米线（CuNW）。光透明导电氧化物或金属纳米结构的使用有利于光学透明性，但也会导致导体损耗和制造难度的增加。此外，可用的光学透明介质基板不多，且这些基板在毫米波波段的介电损耗正切相对较大，这进一步恶化了光学透明器件的性能。总之，在毫米波太赫兹频段具有高透光率和低损耗的介质基材难以实现，且具有高透光率和低损耗的毫米波太赫兹器件难以设计和加工实现。
发明内容
本发明针对现有技术中的问题和空白，提出一种用于毫米波太赫兹频段的高透光率低损耗介质基材与器件结构及其加工方法。所述用于毫米波太赫兹频段的高透光率低损耗介质基材在三种高透光率金属导体层实现方案的基础上，能够实现用于毫米波太赫兹频段的高透光率低损耗器件结构及其加工方法。
一种高透光率低损耗介质基材与器件结构，包括具有高透光率和低介质损耗的介质基材、以及位于介质基材表面的金属导电层，介质基材及其表面的金属导电层通过光透明粘合剂黏合。
一种高透光率低损耗介质基材与器件结构的加工方法，包括如下步骤：
步骤S11：介质基材的制备：对毫米波太赫兹低损光透明颗粒材料进行加热，使其高于热变形温度而形成液体流动状态，再将熔融液体注塑成型到模具中，然后冷却至室温形成介质基材；
步骤S12：金属导电层的制备：在双层光透明介质薄膜中间热压形成金属导电结构；
步骤S13：将步骤S11制备得到的介质基材和步骤S12制备得到的高透光率金属导电层通过光透明粘合剂黏合。
一种高透光率低损耗介质基材与器件结构的加工方法，包括如下步骤：
步骤S21：介质基材的制备：对毫米波太赫兹低损光透明颗粒材料进行加热，使其高于热变形温度而形成液体流动状态，再将熔融液体注塑成型到模具中，然后冷却至室温形成介质基材；
步骤S22：金属导电层的制备：在光透明介质薄膜上热压金属铜箔后，进行湿法/紫外光刻技术形成高透光率丝网金属结构；
步骤S23：将步骤S21制备得到的介质基材和步骤S22制备得到的高透光率金属导电层通过光透明粘合剂黏合。
一种高透光率低损耗介质基材与器件结构的加工方法，包括如下步骤：
步骤S31：介质基材的制备：对毫米波太赫兹低损光透明颗粒材料进行加热，使其高于热变形温度而形成液体流动状态，再将熔融液体注塑成型到模具中，然后冷却至室温形成介质基材；
步骤S32：金属导电层的制备：在光透明介质薄膜表面沉积高透光率金属氧化物，再通过化学蚀刻形成电路结构；
步骤S33：将步骤S31制备得到的介质基材和步骤S32制备得到的高透光率金属导电层通过光透明粘合剂黏合。
本发明公开了一种高透光率低损耗介质基材与器件结构及其加工方法，与现有技术相比，具有如下的有益效果：
（1）本发明提出的用于毫米波太赫兹频段的高透光率低损耗介质基材与器件结构及其加工方法，能够解决毫米波太赫兹光透明微波器件中的高损耗问题，具有工艺精度高，设计灵活度高，结构紧凑、制备简单、成本低和方便集成等优点。
（2）本发明提出的加工方法包括高透光率低损耗介质基材的制备和加工、高透光率导电层的设计和加工、基于介质基材和导电层的器件加工，此外，高透光率金属导电层结构提出了三种实现方案，对于毫米波太赫兹光透明微波器件的制备具有极好的指导作用。
（3）本发明提出了高透光率和低介质损耗的环烯烃共聚物介质基材制备方法，且制备的基材透光率可达到90%以上，在毫米波太赫兹频段的损耗角正切值在万分之一量级。
（4）本发明提出了基于PET的高透光率金属导电层结构制备方法，采用化学蚀刻，湿法光刻，紫外光刻等多种工艺蚀刻金属电路，能够满足不同微波器件对金属结构的不同精度。在PET上蚀刻电路，并利用紫外光刻胶粘接的方法，避免了高透光率低介质损耗的高分子介质基板在金属生长蚀刻过程中的损伤问题。
（5）本发明以毫米波高透光率低损耗带通频率选择表面作为实例，与商用版低损耗RT5870对比，实例结果证明了制作工艺的可行性及微波器件的优异性能。
附图说明
图1为本发明加工方法的流程示意图。
图2为本发明介质基材与器件结构的一种示意图。
图3为本发明介质基材与器件结构的另一种示意图。
其中：1、高透光率低损耗介质基材，2、光透明柔性PET薄膜，3、高透光率丝网金属结构，4、光透明柔性PET薄膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
首先对本申请涉及的术语进行解释：
1、高透光率：指的是透光率很高，即可见光透过率很高。
2、低介质损耗：指的是介质材料具有很低的介质损耗角正切值，达到万分之一量级。
3、光透明低损：同时具有‘光透明’和‘低损’两个特点/特性。‘光透明’就是通常提到的‘透明’或者‘可见光下是透明的’；‘低损’指的是‘低的损耗’。
4、可见光透过率：指的是‘可见光透过的比率/比例’，具体来说可理解成‘可见光去照射一个器件后，通过该器件后还剩下多少的可见光比率’。
5、光透明：就是通常提到的‘透明’或者‘可见光下是透明的’。
6、不透明：指的是‘可见光不透明’，即‘可见光去照射一个器件后，通过该器件后剩下的可见光比率为0，即100%的可见光都没通过该器件’。
一种高透光率低损耗介质基材与器件结构，包括具有高透光率和低介质损耗的介质基材、以及位于介质基材表面的金属导电层，介质基材及其表面的金属导电层通过光透明粘合剂黏合。
本发明的同时具有高透光率和低介质损耗的介质基材为光透明颗粒材料，包括环烯烃共聚物或环烯烃聚合物中的至少一种。透光率可达到90%以上，在毫米波太赫兹频段的损耗角正切值在万分之一量级。
本发明的金属导电层为金属丝网、纳米银线、石墨烯、金属导电氧化物中的至少一种。
如图1所示，一种高透光率低损耗介质基材与器件结构的加工方法，第一种方法包括如下步骤：
步骤S11：介质基材的制备：对毫米波太赫兹低损光透明颗粒材料进行加热，使其高于热变形温度而形成液体流动状态，再将熔融液体注塑成型到模具中，然后冷却至室温形成介质基材；
步骤S12：金属导电层的制备：在双层光透明介质薄膜中间热压形成金属导电结构；
步骤S13：将步骤S11制备得到的介质基材和步骤S12制备得到的高透光率金属导电层通过光透明粘合剂黏合。
第二种方法包括如下步骤：
步骤S21：介质基材的制备：对毫米波太赫兹低损光透明颗粒材料进行加热，使其高于热变形温度而形成液体流动状态，再将熔融液体注塑成型到模具中，然后冷却至室温形成介质基材；
步骤S22：金属导电层的制备：在光透明介质薄膜上热压金属铜箔后，进行湿法/紫外光刻技术形成高透光率丝网金属结构；
步骤S23：将步骤S21制备得到的介质基材和步骤S22制备得到的高透光率金属导电层通过光透明粘合剂黏合。
第三种方法包括如下步骤：
步骤S31：介质基材的制备：对毫米波太赫兹低损光透明颗粒材料进行加热，使其高于热变形温度而形成液体流动状态，再将熔融液体注塑成型到模具中，然后冷却至室温形成介质基材；
步骤S32：金属导电层的制备：在光透明介质薄膜表面沉积高透光率金属氧化物，再通过化学蚀刻形成电路结构；
步骤S33：将步骤S31制备得到的介质基材和步骤S32制备得到的高透光率金属导电层通过光透明粘合剂黏合。
制备本发明的介质基材，以由乙烯和降冰片烯反应而成的环烯烃共聚物为例，其加工方法简述如下：将低损环烯烃共聚物颗粒加热至高于热变形温度的范围，如300度，形成液体流动状态；然后以螺旋速度100 rpm输送液态高分子树脂到喷嘴；最后将液态环烯烃共聚物以注射速度100 mm/s 注射到模具中，保持在大约热变形温度附近，如160度, 和一定的压力0.5 Mpa，以使基板紧密且稳定，然后冷却至室温，形成介质基材。
本发明的光透明介质薄膜为聚酰亚胺（PI）或聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），通过在薄膜上用胶粘合35um厚度铜箔，再进行化学蚀刻需要的金属图案，最后在上层覆盖另一层聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯基板，最后在高温烘烤中变得透明。
本发明的介质基材与金属导电层之间直接粘合或间接粘合的方式进行；直接粘合的方式包括通过喷墨打印、磁控溅射的方式直接将金属导电层做到介质基材上；间接粘合的方式包括采用光透明胶、紫外粘合胶、或者借助带有导体结构的光透明薄膜对介质基材进行粘合。
本发明的高透光率金属氧化物为铟锡氧化物或金属纳米结构。
如图2、图3所示，以光透明介质薄膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为例，加工用于毫米波太赫兹频段的高透光率低损耗介质基材与器件结构的方法，可以由以下步骤实现：
S41：单层不透明PET基覆铜金属周期结构的实现。采用不透明的商业胶粘剂将光透明柔性PET与铜膜黏合在一起，再通过干膜、显影、刻蚀、表面清洗等化学刻蚀过程工艺，实现单层不透明PET基的周期性金属电路结构。
S42：双层PET电路结构的实现。将另一个涂有相同不透明粘合剂的PET层放置在S41中的单层PET基电路上，然后在特定压力（1 Mpa）和时间（2分钟）下热压，最终完成双层PET基周期性电路结构。
S43：高透明度双层PET电路结构的实现。热压后，已黏合好的PET柔性覆铜板在160℃的烘箱中烘烤2小时，这将使PET和铜层之间的不透明粘合剂熔化，并在烘烤下变得透明。最终形成具有高透明度的双层PET基电路结构。
S44：高透光率低损耗毫米波太赫兹器件的实现。通过使用光学透明的紫外线固化剂进行旋涂和紫外光照射曝光，具有周期性铜结构的光透明PET基电路可以与光透明低损耗介质基板结合，实现高透光率低损耗毫米波太赫兹器件。
图2 和图3所示为用于毫米波频段的高透光率低损耗频率选择表面结构图，分别是在不同金属丝网透明化方案下的示意图。图2中的四周丝网化个数和丝网线宽分别为3和0.08毫米，图3中的四周丝网化个数和丝网线宽分别为5和0.04毫米，两者均包括了高透光率低损耗介质基材1、光透明柔性PET薄膜2、高透光率丝网金属结构3和光透明柔性PET薄膜4。高透光率低损耗介质基材1通过一类极薄的光透明胶与光透明柔性PET薄膜2等部分进行粘合。高透光率低损耗介质基材1需要满足可见光透明以及在毫米波频段具有小的损耗角正切值，可以选择环烯烃共聚物。
本发明公开了一种用于毫米波太赫兹频段的高透光率低损耗介质基材与器件结构及其加工方法。其中，用于毫米波太赫兹频段的高透光率低损耗介质基材可通过对毫米波太赫兹低损光透明颗粒材料加热，使其高于热变形温度而形成液体流动状态，再以一定速度将熔融液体注塑成型到模具中，保持在热变形温度附近及一定的压力使得模具紧密且稳定，然后冷却至室温形成所需厚度和形状的高透光率低损耗介质基材。用于毫米波太赫兹频段的高透光率低损耗器件结构可通过高透光率金属导体层结构与高透光率低损耗介质基材相结合设计而成。
本发明的高透光率金属导电层结构有三种实现方案及加工方法，可以根据实际需求选择。第一种方法是在双层光透明介质薄膜中间热压形成金属导体结构。第二种方法是在光透明介质薄膜上热压金属铜箔后，进行湿法/紫外光刻技术形成高透光率丝网金属结构。第三种方法是在光透明介质薄膜表面沉积高透光率金属氧化物，再通过化学蚀刻形成电路结构。高透光率金属导体层结构与高透光率低损耗介质基材的结合可通过光透明粘合剂黏合在所提供的光透明低损耗介质基材上。
在上述实施例中选择了第二种加工方法，同时结合环烯烃共聚物在毫米波频段的低损特性，设计制作了一款用于毫米波频段的高透光率低损耗的频率选择表面，显示了良好的毫米波频率选择性和低损耗特性，同时具有高透明度、结构紧凑、制备简单、成本低和方便集成等优点。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不是全部的实施例；同时，本领域技术人员在阅读本专利申请后，根据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改以及若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，包括工作频率、材料种类、丝网大小/类型/个数、以及改进的工艺参数等，或者将本发明用于其他器件的制作，这些均在本发明的保护范围之内。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (11)
1.一种高透光率低损耗介质基材与器件结构，其特征在于：包括具有高透光率和低介质损耗的介质基材、以及位于介质基材表面的高透光率金属导电层，介质基材及其表面的金属导电层通过光透明粘合剂黏合。
2.根据权利要求1所述的高透光率低损耗介质基材与器件结构，其特征在于：所述介质基材为光透明颗粒材料，包括环烯烃共聚物或环烯烃聚合物中的至少一种，可见光透过率大于等于90%，在毫米波太赫兹频段的损耗角正切值在万分之一量级。
3.根据权利要求1所述的高透光率低损耗介质基材与器件结构，其特征在于：所述高透光率金属导电层为金属丝网、纳米银线、石墨烯、金属导电氧化物中的至少一种。
4.一种高透光率低损耗介质基材与器件结构的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S11：介质基材的制备：对毫米波太赫兹低损光透明颗粒材料进行加热，使其高于热变形温度而形成液体流动状态，再将熔融液体注塑成型到模具中，然后冷却至室温形成介质基材；
步骤S12：金属导电层的制备：在双层光透明介质薄膜中间热压形成金属导电结构；
步骤S13：将步骤S11制备得到的介质基材和步骤S12制备得到的高透光率金属导电层通过光透明粘合剂黏合。
5.一种高透光率低损耗介质基材与器件结构的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S21：介质基材的制备：对毫米波太赫兹低损光透明颗粒材料进行加热，使其高于热变形温度而形成液体流动状态，再将熔融液体注塑成型到模具中，然后冷却至室温形成介质基材；
步骤S22：金属导电层的制备：在光透明介质薄膜上热压金属铜箔后，进行湿法/紫外光刻技术形成高透光率丝网金属结构；
步骤S23：将步骤S21制备得到的介质基材和步骤S22制备得到的高透光率金属导电层通过光透明粘合剂黏合。
6.一种高透光率低损耗介质基材与器件结构的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S31：介质基材的制备：对毫米波太赫兹低损光透明颗粒材料进行加热，使其高于热变形温度而形成液体流动状态，再将熔融液体注塑成型到模具中，然后冷却至室温形成介质基材；
步骤S32：金属导电层的制备：在光透明介质薄膜表面沉积高透光率金属氧化物，再通过化学蚀刻形成电路结构；
步骤S33：将步骤S31制备得到的介质基材和步骤S32制备得到的高透光率金属导电层通过光透明粘合剂黏合。
7.根据权利要求4或5或6所述的加工方法，其特征在于将乙烯和降冰片烯反应而成的低损环烯烃共聚物颗粒加热高于热变形温度的范围，形成液体流动状态；然后以螺旋速度100 rpm输送液态高分子树脂到喷嘴；最后将液态环烯烃共聚物以注射速度100 mm/s 注射到模具中，以使基板紧密且稳定，然后冷却至室温，形成光透明低损介质基材。
8.根据权利要求4或5或6所述的加工方法，其特征在于光透明介质薄膜为聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯，通过在薄膜上用胶粘合35um厚度铜箔，再进行化学蚀刻需要的金属图案，最后在上层覆盖另一层聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯基板，最后在高温烘烤中变得透明。
9.根据权利要求4或5或6所述的加工方法，其特征在于介质基材与金属导电层之间直接粘合或间接粘合的方式进行；直接粘合的方式包括通过喷墨打印、磁控溅射的方式直接将金属导电层做到介质基材上；间接粘合的方式包括采用光透明胶、紫外粘合胶、或者借助带有导体结构的光透明薄膜对介质基材进行粘合。
10.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于高透光率金属氧化物为铟锡氧化物或金属纳米结构。
11.根据权利要求4或5或6所述的加工方法，其特征在于金属导电层的制备过程，包括以下步骤：
步骤S41: 单层不透明PET基覆铜金属周期结构：采用不透明的胶粘剂将光透明柔性PET与铜膜黏合在一起，再通过干膜、显影、刻蚀、表面清洗的化学刻蚀过程工艺，得到单层不透明PET基的周期性金属电路结构；
步骤S42: 双层PET电路结构：将另一个涂有相同不透明粘合剂的PET层放置在步骤S41中的单层PET基电路上，然后在1 Mpa的压力下热压2分钟，得到双层PET基周期性电路结构；
步骤S43: 高透明度双层PET电路结构：热压后，已黏合好的PET柔性覆铜板在160℃的烘箱中烘烤2小时，使得PET和铜层之间的不透明粘合剂熔化，并在烘烤下变得透明；最终形成具有高透明度的双层PET基电路结构。
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