WO2020002729A1 - Método de fabricación de dispositivo de microondas basado en guía de onda vacía integrada en sustrato - Google Patents

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microwave device
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metallization
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immersed
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María Carmen BACHILLER MARTIN
Juan Rafael SANCHEZ MARIN
Vicente NOVA GIMENEZ
María Luisa MARIN GARCIA
José Manuel MERELLO GIMENEZ
Vicente Enrique BORIA ESBERT
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Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Universidad Politecnica de Valencia
Original Assignee
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Universidad Politecnica de Valencia
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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C67/00—Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/207—Hollow waveguide filters
    • H01P1/208—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced lines or devices with unbalanced lines or devices
    • H01P5/107—Hollow-waveguide/strip-line transitions

Definitions

  • the present invention relates generally to the field of microwave devices, in particular to microwave devices on an integrated empty waveguide in a substrate, and more specifically to a new method of manufacturing them.
  • the current radiocommunication systems face the progressive saturation of the electromagnetic spectrum, with increasingly congested and noisy channels. This, together with increasing speed requirements, is forcing systems to migrate to higher frequency bands such as the millimeter and microwave waveband, where more free spectrum is available. This effect can be seen especially well in mobile communications that, starting from 900 MHz, evolved towards 1800 MHz, 2100 MHz, 2600 MHz and the future bands studied for 5G distributed between 6 GHz and 40 GHz. In addition, with the growth From the number of communication standards, the need to create new systems that treat the electromagnetic spectrum more efficiently has become apparent.
  • milling techniques are traditionally used on blocks of conductive material (if the technology is waveguide), as well as milling and abrasion techniques of printed circuit board and galvanic metallization, together with assembly by welding or screws if the technology is SIC (integrated circuits in substrate). These processes, tools and materials are expensive and not very accessible.
  • a numerical control mechanical (or laser) milling machine is very expensive equipment and learning how to handle it is not easy. Many times researchers are limited by the tools available to them, since prototyping that demonstrates a concept cannot be carried out without adequate tools. In addition the milling machines usually work on a space limited to the surface layers, and do not allow the creation of complex three-dimensional models.
  • 3D printing techniques open an interesting way for simple prototyping and do not limit manufacturing to planar devices: any desired part can be manufactured, and also the materials and the way they are printed have very electromagnetic characteristics interesting.
  • 3D printing allows the use of different melting materials (metals and polymers) and a immediacy unknown until now. Its use can be very interesting, as well as dielectrics that they fulfill a certain function in the devices, as well as the device itself, previously metallized with non-polluting techniques to achieve the necessary conductivity.
  • the polymers used in 3D printing need a metallization treatment to be able to use them in certain applications.
  • polylactide or polylactide acid, PLA
  • PLA polylactide acid
  • the document “3-D Printed Metal-Pipe Rectangular Waveguides” by Mario D’auria et al. refers to the 3D printing of rectangular waveguides from a petroleum-derived polymer (ABS) and its subsequent metallization by chemical deposition.
  • ABS petroleum-derived polymer
  • the present invention discloses a method of manufacturing a microwave device based on an empty waveguide integrated in a substrate, comprising the steps of:
  • a body of the microwave device is printed by 3D printing from a polymeric material derived from a renewable source doped with at least one metal;
  • - metallization in which the body surface of the microwave device is metallized in two stages: a first autocatalytic metallization followed by a galvanic metallization;
  • microwave device in which the microwave device is modularly integrated in a system based on printed circuit board by means of removable connection means, where in said stage the following elements are formed:
  • transition sections which are sections of the PCB printed circuit that carry the signal to the body of the microwave device
  • Figure 1 shows a perspective view schematically representing the integration of the microwave device according to the present invention in a printed circuit board based system.
  • the term "renewable source” when referring to a Polymeric material refers to a source of animal or plant origin.
  • the microwave device manufactured according to the method of the present invention comprises a body of the microwave device (1), transition sections (2, 3) and an anchor base (4).
  • transition sections (2, 3) As can be seen from this document, the person skilled in the art will understand that although in figure 1 two transitions (2, 3) are represented, there may be only one or more of two transition sections, depending on the particular characteristics of the microwave device body (1).
  • the invention generally relates to a method of manufacturing a microwave device based on an empty waveguide integrated in a substrate, comprising the steps of:
  • the body of the microwave device (1) is printed by 3D printing from a polymeric material derived from a renewable source doped with at least one metal;
  • - metallization in which the surface of the body of the microwave device (1) is metallized in two stages: a first autocatalytic metallization followed by a galvanic metallization; and
  • microwave device in which the microwave device is modularly integrated in a system based on printed circuit board by means of detachable connection means.
  • the polymeric material is PLA (derived from a starch obtained from biomass).
  • the polymeric material is doped with a metal selected from copper and bronze, preferably at a percentage of between 10% and 30%, and more preferably at 20%. This material melts at low temperature (210 ° C) and can be used with a wide range of low-performance 3D printers. In addition, it does not emit pollutant gases during printing nor does it require "hot bed” as a printing medium. The resulting piece contains approximately 20% conductive material, which facilitates the adhesion of the metallization layer.
  • the desired microwave device body (1) is obtained by 3D printing from PLA doped with copper or bronze, the surface thereof is metallized.
  • the metallization is carried out in two stages: a first autocatalytic metallization followed by a galvanic metallization.
  • the autocatalytic metallization stage preferably consists of a first basic treatment to chemically modify the surface, which is then activated with acid and metallized in a bath with a solution of copper (or some other suitable metal), which adapts the material for a subsequent galvanic metallization. After this procedure a thin layer of copper is obtained on the body of the microwave device (1). However, this thin layer of copper is insufficient to achieve the required electrical performance of a microwave device based on an empty waveguide integrated into the substrate.
  • autocatalytic metallization is followed by a stage of classical galvanic metallization, obtaining a sufficiently thick copper layer, preferably approximately 30 micrometers above the body of the microwave device (1), regular, well adhered and with identical benefits to of a device manufactured by milling on a piece of conductive material, but of less weight.
  • This metallization process is less polluting than the traditional metallization of petroleum-based polymers, in which the hexavalent chromium bath is traditionally used.
  • the body of the microwave device (1) can be printed at least partially hollow, without thereby substantially affecting the mechanical strength of the final device.
  • the method further comprises the integration step, in which the body of the printed and metallized microwave device (1) is integrated as described hereinbefore in a plate-based system. of printed circuit by means of removable connection means (for example, through screws), according to what is called modular architecture.
  • the transition sections (2, 3) are formed to the body of the microwave device (1) and the anchor base (4) for the size of the device.
  • the body of the microwave device (1) will be integrated on the anchor base (4), which must have the necessary dimensions to fit the transition sections (2, 3) and the holes for the through screws that will connect it to the anchor base (4).
  • the present invention presents an alternative method that allows to quickly and economically obtain microwave devices based on an empty waveguide integrated in the substrate, by 3D printing from a polymeric material derived from a renewable source doped with metal. , and through a double metallization of the surface of the body of the microwave device (1), also allowing its integration into planar architectures quickly and easily, which resolves relevant aspects that differentiate it and give it advantages over the prior art:
  • the device For the manufacture and integration of SIC devices, the device must be drilled, milled and metallized on the same piece as the rest of the planar circuit. In this way, if the device deteriorates or if it wants to be replaced by a different one, the entire printed circuit board where it is integrated should be remanufactured. Thanks to the method disclosed in this document, if the microwave device is deteriorates, it can be exchanged for another without changing the rest of the circuit In the same way, if you want to use a device with different characteristics, for example a filter with different central frequency or bandwidth, you only have to change it at the anchor base (4). For example, with the same anchor a resonator or a transmission line can be integrated into a system, for which the same anchor base (4) and transition sections (2, 3) have been used.
  • SIC devices necessarily have the height of the substrate in which they are integrated. If you want to make more complex devices, you have to do it using piles of PCB boards welded perforated, metallized and welded together. With the integration system of the present invention the parts are easily assembled, interchangeable and the manufacture of devices of different height from that of the substrate is not a problem.
  • the present invention provides several innovative aspects compared to the prior art.
  • the type of technology of the present invention uses an empty waveguide approach integrated into the substrate, which is known as ESIW. That is, a low height waveguide that is manufactured to be integrated into a planar technology system, maintaining the advantages of such planar technology, but with the good electromagnetic operation of the devices in an empty waveguide. For this, specific transitions to said planar technology and a modular way of mounting on the planar system are used.
  • a petroleum-derived material is not used as the base material, but rather a material derived from a renewable source (for example PLA, which is derived from a type of starch), it does not emit toxic gases during the printing process.
  • PLA which is derived from a type of starch
  • PLA doped with copper or bronze "hot bed” printing is not required, which makes it possible to use more simple and inexpensive printers.
  • the present invention avoids the use of traditional plastics and mold injection processes known in the prior art.
  • Manufacturing with 3D FDM printing allows rapid prototyping and redesign of any type of part, while the injection of plastic into a mold requires a new mold (which is usually manufactured by milling a metal part that significantly increases time and cost of the design process) every time a new prototype must be manufactured or the redesigned prototype must be redesigned.
  • Plastic injection is a technique that gives good results for large-scale manufacturing, but not for a design (and redesign) of prototypes.
  • the present invention makes it possible to manufacture a low height guide, that of the substrate, which significantly reduces the volume of the manufactured device. Therefore, the integration of the waveguide with other elements of the planar circuit, such as a microstrip, is direct, since the transition sections (2, 3) do not require modifications in height and are implemented in the substrate itself , not on the body of the microwave device (1) printed. This is a simple and very efficient way of doing such integration. In addition, since the transition sections (2, 3) are integrated into the substrate, it is very easy to replace the body of the printed microwave device (1) with another, in case of breakage or modification of the required performance, and this does not It could be done in the same way on a device that has integrated the transition to the microstrip.
  • the technical object of the present invention has application in the development of high frequency passive devices integrated in the substrate: filters, guides, diplexers, dividers, etc.
  • the technique can be applied to manufacture any type of device in a guide integrated in the substrate.
  • doped PLA is used because it is a material that provides better metallizing results.
  • the main application of the invention as described hereinbefore is for the design and manufacture of a new generation of high frequency passive devices for communications of varied use: mobile communication base stations (both at the entry stage as output), in systems for feeding arrays of shaped beam antennas, in equipment embarked on small satellites or in terrestrial equipment. Therefore, these are technical sectors with a great social and economic impact on the current and future knowledge society.
  • the printing stage is carried out, in which a piece called the body of the microwave device (1) is printed, as explained below:
  • the body of the microwave device (1) comprises an upper cover and two side walls in a single piece.
  • the piece is printed using as a base the upper cover of the body of the microwave device (1) and depositing the polymeric material to form both the lid itself and the walls.
  • a resonant cavity has been designed.
  • transition holes (h1, h2) are formed that allow the corresponding transition sections (2, 3) to be accommodated with the rest of the circuitry of the printed circuit board (PCB) into which the device will be integrated .
  • Connection holes (p1, p2, p3, p4) are also formed that allow the passage of screws that will connect the body of the microwave device (1) to the anchor base (4).
  • the material used for deposition is polylactic acid (PLA) doped with 20% copper.
  • the material used for deposition is 20% bronze doped with polylactic acid (PLA).
  • the time of the printing stage is 22 minutes.
  • the metallization process necessarily comprises two stages, since if one of them were missing the resulting metallization layer would not be sufficient for optimum device conductivity.
  • the body of the printed microwave device (1) is initially subjected to a chemical metallization that is developed according to the following procedure:
  • the body of the microwave device (1) is immersed in a hydroalcoholic solution of NaOH according to a concentration of between 8 and 12 g / L, preferably 10 g / L, at a temperature between 45 and 60 ° C, preferably 54 ° C, for a time between 9 and 11 minutes, preferably 10 minutes, while stirring the body of the microwave device (1) continuously.
  • the body of the microwave device (1) is then immersed in a solution containing PdCI 2 according to a concentration between 0.2 and 0.3 g / L, preferably 0.25 g / L, SnCI 2 according to a concentration of between 10 and 15 g / L, preferably 12.5 g / L, in HCI according to a concentration of between 0.5 and 1 M, preferably 0.75 M, at room temperature, for a time of between 4 and 6 minutes, preferably 5 min, while stirring the Microwave device body (1) continuously.
  • the body of the microwave device (1) is subsequently immersed in a solution of HCI according to a concentration between 0.02 and 0.05 M, preferably 0.035 M, at room temperature, for a time between 4 and 6 min, preferably 5 min.
  • the body of the microwave device (1) is immersed in a solution containing copper according to a concentration of between 1.8 and 2.2 g / L, preferably 2 g / L, caustic soda according to a concentration of between 8 and 10 g / L, preferably 9 g / L, chelator according to a concentration between 0.1 and 0.2 M, preferably 0.125 M, and formaldehyde according to a concentration between 3 and 5 g / L, preferably 4 g / L, a a temperature between 41 and 51 ° C, preferably 46 ° C, by stirring and aerating the body of the microwave device (1) for a time between 36 and 44 min, preferably 40 min.
  • the chelator is ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA).
  • the body of the printed microwave device (1) is subjected to a classical galvanic metallization which is developed according to the following procedure:
  • the body of the microwave device (1) is immersed in a degreasing solution for 15 minutes, and in acetone for 5 min.
  • Activator bath The body of the microwave device (1) is subsequently immersed in a colloidal solution of conductive carbon, for a time between 15 and 20 min.
  • Electrodeposition Finally, the body of the microwave device (1) is subjected to oven drying at 95 ° C for 5 minutes, and is immersed in a solution of sulfuric acid and copper sulfate by applying electric current for 90 minutes.
  • the body of the metallized microwave device (1) is integrated into the rest of the circuitry of the PCB by means of the transition sections (2, 3) and the anchor base (4) that have been previously manufactured.
  • the transition sections (2, 3) are the sections of the printed circuit on PCB board that carry the signal to the body of the printed microwave device (1).
  • the PCB is a substrate of dielectric material with copper metallization on its upper and lower faces. The lower face acts as a ground and the circuit or transmission line is designed on the upper face.
  • m1 and m2 are copper microtirates that make up the active microstrip line of the PCB board.
  • the PCB board is screwed to the anchor base (4) through several holes (t1, t2, t3 and t4) made both in the transition sections (2, 3) and in the anchor base itself (4).
  • the anchor base (4) is a metallic substrate PCB sheet at the top, to ensure the electrical continuity of the structure.
  • the body of the device Microwave (1) is screwed to the anchor base (4) through the connection holes (p1, p2, p3 and p4) as well as several corresponding holes made in the anchor base itself (4).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)

Abstract

La invención describe un método de fabricación de dispositivo de microondas basado en guía de onda vacía integrada en sustrato. El método comprende las etapas de imprimir mediante impresión 3D el cuerpo del dispositivo de microondas (1) a partir de un material polimérico derivado de una fuente renovable dopado con al menos un metal; metalizar la superficie del cuerpo del dispositivo de microondas(1) en dos etapas, según una primera metalización autocatalítica seguida por una metalización galvánica; e integrar modularmente el dispositivo de microondas en un sistema basado en placa de circuito impreso mediante medios de conexión desmontables.

Description

MÉTODO DE FABRICACIÓN DE DISPOSITIVO DE MICROONDAS BASADO EN GUÍA DE
ONDA VACÍA INTEGRADA EN SUSTRATO
Campo de la invención
La presente invención se refiere de manera general al campo de los dispositivos de microondas, en particular a los dispositivos de microondas sobre guía de onda vacía integrada en sustrato, y más concretamente a un nuevo método de fabricación de los mismos.
Antecedentes de la invención
Los actuales sistemas de radiocomunicación se enfrentan a la progresiva saturación del espectro electromagnético, con unos canales cada vez más congestionados y ruidosos. Esto, unido a unos requerimientos de velocidades cada vez mayores, está obligando a los sistemas a migrar hacia bandas de frecuencia más altas como la banda de ondas milimétricas y de microondas, donde se dispone de más espectro libre. Este efecto puede apreciarse especialmente bien en las comunicaciones móviles que, partiendo de los 900 MHz, evolucionaron hacia los 1800 MHz, 2100 MHz, 2600 MHz y las futuras bandas estudiadas para 5G distribuidas entre los 6 GHz y 40 GHz. Además, con el crecimiento del número de estándares de comunicación, se ha hecho patente la necesidad de crear nuevos sistemas que traten el espectro electromagnético de manera más eficiente.
Para la fabricación de dispositivos de alta frecuencia de comunicaciones se utilizan tradicionalmente técnicas de fresado sobre bloques de material conductor (si la tecnología es de guía de onda), así como técnicas de fresado y abrasión de placa de circuito impreso y metalización galvánica, junto con ensamblaje por soldadura o tornillería si la tecnología es SIC (circuitos integrados en sustrato). Estos procesos, herramientas y materiales son costosos y poco accesibles.
Una fresadora mecánica (o láser) de control numérico es un equipo muy caro y aprender a manejarlo no es sencillo. Muchas veces los investigadores se ven limitados por las herramientas de las que disponen, ya que la realización de prototipos que demuestren un concepto no puede llevarse a cabo si no se tienen las herramientas adecuadas. Además las fresadoras suelen trabajar sobre un espacio limitado a las capas superficiales, y no permiten la creación de modelos tridimensionales complejos.
Las nuevas técnicas de impresión 3D abren una interesante vía para la realización sencilla de prototipos y no limitan la fabricación a dispositivos planares: se puede fabricar cualquier pieza que se desee, y además los materiales y la forma en la que se imprimen presentan características electromagnéticas muy interesantes. Además la impresión 3D permite el uso de diferentes materiales de fundido (metales y polímeros) y una inmediatez hasta ahora desconocida. Su uso puede ser muy interesante, bien como dieléctricos que cumplen una función determinada en los dispositivos, bien como el dispositivo en sí, previamente metalizado con técnicas no contaminantes para conseguir la conductividad necesaria. Sin embargo, los polímeros que se emplean en la impresión 3D necesitan un tratamiento de metalización para poder usarlos en determinadas aplicaciones.
El uso de la impresión 3D para la fabricación de dispositivos de microondas es una tendencia en auge en la industria: se pueden encontrar ejemplos de uso que utilizan como material de impresión metales o polímeros derivados del petróleo.
Cada vez interesan más los nuevos materiales poliméricos derivados de fuentes renovables como una alternativa a los polímeros derivados del petróleo. La polilactida (o ácido poliláctido, PLA) es un ejemplo importante de dichos polímeros, que es objeto de numerosas investigaciones y aplicaciones.
Actualmente se ha despertado un interés creciente en la aplicación de PLA para fabricar circuitos electrónicos. No obstante, para poder usar este material en la industria electrónica se necesita un procedimiento de metalización del polímero. En este procedimiento, se deposita una capa de metal mediante reacciones químicas entre iones metálicos y un compuesto reductor presente en un baño de metalización en el que se sumerge la pieza. Este procedimiento se produce en presencia de un catalizador. Tradicionalmente, para la metalización de polímeros basados en petróleo, se utiliza el baño en cromo hexavalente, pero resulta particularmente contaminante. No se conocen métodos adecuados para la metalización de polímeros basados en fuentes renovables.
Por ejemplo, el documento“3-D Printed Metal-Pipe Rectangular Waveguides” de Mario D’auria et al. (IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 20150821 IEEE, EE.UU.) se refiere a la impresión 3D de guías de onda rectangulares a partir de un polímero derivado del petróleo (ABS) y su posterior metalización por deposición química.
El documento“Surface-mountable metalized plástic waveguide filter suitable for high volume production”, de T. J. Muller et al. (European Microwave Conference, 2003, 33rd, 20031001 IEEE, Piscataway, NJ, EE.UU.) se refiere a la obtención de un filtro de guía de onda mediante moldeo por inyección a partir de un polímero derivado del petróleo y su posterior metalización química y galvánica.
El documento “Monolithic FFF-Printed Biocompatible, Biodegradable, Dielectric- Conductive Microsystems” de Z. Sun y L. F. Velásquez García (Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 26, n.° 6, págs. 1356-1370, diciembre de 2017) se refiere a la impresión 3D a partir de un sustrato biocompatible y biodegradable, en concreto PLA. Sin embargo, este documento no da a conocer la metalización de la superficie del producto obtenido por impresión 3D.
Por otro lado, una de las preocupaciones de la industria de comunicaciones con respecto a sus equipos es la integración de dispositivos y tecnologías. Muchos sistemas son planares, es decir que se sustentan en circuitos impresos sobre placas dieléctricas (denominadas PCB, placas de circuito impreso). Sin embargo, los dispositivos con mejores prestaciones son aquellos fabricados sobre guías de onda vacías. Integrar guías de onda vacías en sustratos planares es un reto tecnológico en desarrollo.
Por tanto, sigue existiendo en la técnica la necesidad de un método que permita obtener de manera rápida y económica (impresión 3D) dispositivos de microondas basados en guías de onda vacías integradas en sustrato, usando como material un polímero derivado de fuentes renovables y su posterior metalización, así como la integración de dichos dispositivos de microondas en arquitecturas planares, como son los sistemas basados en placas de circuito impreso.
Sumario de la invención
Para solucionar los problemas de la técnica anterior, la presente invención da a conocer un método de fabricación de dispositivo de microondas basado en guía de onda vacía integrada en sustrato, que comprende las etapas de:
- impresión, en la que se imprime mediante impresión 3D un cuerpo del dispositivo de microondas a partir de un material polimérico derivado de una fuente renovable dopado con al menos un metal;
- metalización, en la que se metaliza la superficie del cuerpo del dispositivo de microondas en dos etapas: una primera metalización autocatalítica seguida por una metalización galvánica; e
- integración, en la que se integra modularmente el dispositivo de microondas en un sistema basado en placa de circuito impreso mediante medios de conexión desmontables, donde en dicha etapa se conforman los siguientes elementos:
- unas secciones de transición, que son secciones del circuito impreso sobre placa PCB que llevan la señal al cuerpo del dispositivo de microondas;
- y una base de anclaje.
Breve descripción de los dibujos
La presente invención se entenderá mejor con referencia al siguiente dibujo con carácter ilustrativo y no limitativo de la invención:
La figura 1 muestra una vista en perspectiva que representa esquemáticamente la integración del dispositivo microondas según la presente invención en un sistema basado en placa de circuito impreso.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
Según se usa en el presente documento, el término“fuente renovable” al referirse a un material polimérico se refiere a una fuente de origen animal o vegetal.
Tal y como puede verse en la figura 1 , el dispositivo de microondas fabricado según el método de la presente invención comprende un cuerpo del dispositivo de microondas (1), secciones de transición (2, 3) y una base de anclaje (4). Tal y como se desprende del presente documento, el experto en la materia entenderá que aunque en la figura 1 se representan dos transiciones (2, 3), puede existir una sola o más de dos secciones de transición, en función de las características particulares del cuerpo del dispositivo de microondas (1).
La invención se refiere de manera general a un método de fabricación de dispositivo de microondas basado en guía de onda vacía integrada en sustrato, que comprende las etapas de:
- impresión, en la que se imprime mediante impresión 3D el cuerpo del dispositivo de microondas (1) a partir de un material polimérico derivado de una fuente renovable dopado con al menos un metal;
- metalización, en la que se metaliza la superficie del cuerpo del dispositivo de microondas (1) en dos etapas: una primera metalización autocatalítica seguida por una metalización galvánica; e
- integración, en la que se integra modularmente el dispositivo de microondas en un sistema basado en placa de circuito impreso mediante medios de conexión desmontables.
Según la realización preferida de la presente invención, el material polimérico es PLA (derivado de un almidón obtenido de la biomasa). Según la realización preferida, el material polimérico está dopado con un metal seleccionado de cobre y bronce, preferiblemente a un porcentaje de entre el 10% y el 30%, y más preferiblemente al 20%. Este material funde a baja temperatura (210°C) y puede usarse con una amplia gama de impresoras 3D de bajas prestaciones. Además, no emite gases contaminantes durante la impresión ni requiere“cama caliente” como soporte de impresión. La pieza resultante contiene aproximadamente un 20% de material conductor, lo cual facilita la adhesión de la capa de metalización.
Una vez obtenido el cuerpo del dispositivo de microondas (1) deseado mediante impresión 3D a partir de PLA dopado con cobre o bronce, se procede a metalizar la superficie del mismo. Según la realización preferida de la presente invención, la metalización se realiza en dos etapas: una primera metalización autocatalítica seguida por una metalización galvánica.
La etapa de metalización autocatalítica consiste preferiblemente en un primer tratamiento básico para modificar químicamente la superficie, que a continuación se activa con ácido y se metaliza en un baño con una disolución de cobre (o algún otro metal adecuado), que adecúa el material para una posterior metalización galvánica. Tras este procedimiento se obtiene una fina capa de cobre sobre el cuerpo del dispositivo de microondas (1). No obstante, esta fina capa de cobre es insuficiente para conseguir las prestaciones eléctricas requeridas de un dispositivo de microondas basado en guía de onda vacía integrada en sustrato.
Por tanto, la metalización autocatalítica va seguida por una etapa de metalización galvánica clásica, obteniéndose una capa de cobre suficientemente gruesa, preferiblemente de 30 micrómetros aproximadamente sobre el cuerpo del dispositivo de microondas (1), regular, bien adherida y con prestaciones idénticas a las de un dispositivo fabricado por fresado sobre una pieza de material conductor, pero de menor peso. Este proceso de metalización es menos contaminante que el metalizado tradicional de polímeros basados en petróleo, en el que tradicionalmente se utilizan el baño en cromo hexavalente.
Además, para reducir adicionalmente el peso del dispositivo de microondas, en la etapa de impresión se puede imprimir el cuerpo del dispositivo de microondas (1) al menos parcialmente hueco, sin por ello afectar sustancialmente a la resistencia mecánica del dispositivo final.
Con esta técnica se puede fabricar cualquier dispositivo de microondas basado en guía de onda vacía integrada en sustrato que se desee de una manera rápida, económica y altamente repetitiva.
Según la realización preferida de la presente invención, el método comprende además la etapa de integración, en la que se integra el cuerpo del dispositivo de microondas (1) impreso y metalizado tal como se describió anteriormente en el presente documento en un sistema basado en placa de circuito impreso mediante medios de conexión desmontables (por ejemplo, tornillos pasantes), según lo que se denomina arquitectura modular. En concreto, se conforman las secciones de transición (2, 3) al cuerpo del dispositivo de microondas (1) y la base de anclaje (4) para el tamaño del dispositivo. Sobre la base de anclaje (4) se integrará el cuerpo del dispositivo de microondas (1), que debe tener las dimensiones necesarias para que encajen las secciones de transición (2, 3) y los orificios para los tornillos pasantes que lo unirán a la base de anclaje (4).
Según todo lo expuesto, la presente invención presenta un método alternativo que permite obtener de manera rápida y económica dispositivos de microondas basados en guía de onda vacía integrada en sustrato, mediante impresión 3D a partir de un material polimérico derivado de una fuente renovable dopado con metal, y mediante una doble metalización de la superficie del cuerpo del dispositivo de microondas (1), permitiendo asimismo su integración en arquitecturas planares de manera rápida y sencilla, lo que resuelve aspectos relevantes que la diferencian y le confieren ventajas respecto de la técnica anterior:
- Para la fabricación e integración de dispositivos SIC es preciso que el dispositivo se perfore, se frese y se metalice sobre la misma pieza que el resto del circuito planar. De esta forma, si el dispositivo se deteriorase o si quisiera cambiarse por otro de características diferentes, habría que volver a fabricar toda la placa de circuito impreso donde está integrado. Gracias al método dado a conocer en el presente documento, si el dispositivo de microondas se deteriora, puede cambiarse por otro sin necesidad de modificar el resto del circuito. De la misma forma, si se desea utilizar un dispositivo con unas características diferentes, por ejemplo un filtro con diferente frecuencia central o ancho de banda, únicamente hay que cambiarlo en la base de anclaje (4). Por ejemplo, con el mismo anclaje se puede integrar en un sistema un resonador o una línea de transmisión, para los que se ha utilizado la misma base de anclaje (4) y secciones de transición (2, 3).
- Por otro lado, los dispositivos SIC tienen necesariamente la altura del sustrato en el que están integrados. Si se quiere fabricar dispositivos más complejos hay que hacerlo utilizando pilas de placas PCB soldadas perforadas, metalizadas y soldadas entre sí. Con el sistema de integración de la presente invención las piezas son fácilmente ensamblables, intercambiables y la fabricación de dispositivos de altura diferente a la del sustrato no supone un problema.
De este modo, la presente invención proporciona varios aspectos innovadores frente a la técnica anterior.
Por ejemplo, el tipo de tecnología de la presente invención utiliza una aproximación de guía de onda vacía integrada en sustrato, lo que se conoce como ESIW. Esto es, una guía de onda de baja altura que se fabrica para estar integrada en un sistema de tecnología planar, manteniendo las ventajas de dicha tecnología planar, pero con el buen funcionamiento electromagnético de los dispositivos en guía de onda vacía. Para ello se utilizan unas transiciones específicas a dicha tecnología planar y una forma modular de montaje sobre el sistema planar.
Además, al utilizar un doble procedimiento autocatalítico y galvánico para metalizar la superficie del cuerpo del dispositivo de microondas (1) (esto es una deposición química más otra electrolítica) se asegura que la capa de conductor es suficientemente gruesa para una conductividad óptima y que dicha capa no se desprende del material de base.
Por otro lado, al no utilizar como material de base un material derivado del petróleo, sino un material derivado de una fuente renovable (por ejemplo PLA, que deriva de un tipo de almidón), éste no emite gases tóxicos durante el proceso de impresión. Además, en el caso de utilizar PLA dopado con cobre o bronce, no se necesita impresión con“cama caliente”, lo cual permite utilizar impresoras más sencillas y de bajo coste.
Adicionalmente, al utilizar un material derivado de fuentes renovables (como por ejemplo PLA dopado) e impresión 3D (como por ejemplo impresión 3D FDM), la presente invención evita el uso de plásticos tradicionales y de procesos de inyección en molde conocidos en la técnica anterior. La fabricación con impresión 3D FDM permite un rápido prototipado y rediseño de cualquier tipo de pieza, mientras que la inyección de plástico en un molde requiere de un nuevo molde (que normalmente se fabrica por fresado de una pieza metálica que aumenta notablemente el tiempo y coste del proceso de diseño) cada vez que haya que fabricar un nuevo prototipo o que rediseñar el prototipo ya fabricado. La inyección de plástico es una técnica que da buenos resultados para fabricación a gran escala, pero no para un trabajo de diseño (y rediseño) de prototipos.
Por otro lado, la presente invención permite fabricar una guía de baja altura, la del sustrato, lo que reduce notablemente el volumen del dispositivo fabricado. Por tanto, la integración de la guía de onda con otros elementos del circuito planar, como por ejemplo una microstrip, es directa, ya que las secciones de transición (2, 3) no requieren de modificaciones en altura y se implementan en el propio sustrato, no en el cuerpo del dispositivo de microondas (1) impreso. Esta es una forma sencilla y muy eficiente de hacer dicha integración. Además, dado que las secciones de transición (2, 3) se integran en el sustrato, resulta muy sencillo sustituir el cuerpo del dispositivo de microondas (1) impreso por otro, en caso de rotura o modificación de las prestaciones requeridas, y esto no podría hacerse de la misma forma en un dispositivo que tiene integrada la transición a la microstrip.
Así pues, el objeto técnico de la presente invención tiene aplicación en el desarrollo de dispositivos pasivos de alta frecuencia integrados en sustrato: filtros, guías, diplexores, divisores, etc. En realidad la técnica puede aplicarse para fabricar cualquier tipo de dispositivo en guía integrada en sustrato. Preferiblemente se utiliza PLA dopado porque es un material que proporciona mejores resultados en el metalizado.
La principal aplicación de la invención tal como se describió anteriormente en el presente documento es para el diseño y la fabricación de una nueva generación de dispositivos pasivos de alta frecuencia para comunicaciones de uso variado: estaciones base de comunicaciones móviles (tanto en la etapa de entrada como de salida), en sistemas de alimentación de matrices de antenas de haz conformado, en equipos embarcados en pequeños satélites o en equipos terrestres. Por tanto, se trata de sectores técnicos con un gran impacto social y económico en la sociedad del conocimiento actual y futura.
Ejemplo de realización
A continuación se expone un ejemplo explicativo de una realización de la presente invención, en referencia a la figura 1.
Se trata de la fabricación de un dispositivo pasivo de guía de onda vacía integrada en sustrato, en particular de un resonador. El experto en la materia entenderá que las cuestiones que se divulgan en el presente ejemplo, pueden ser aplicadas también a otros dispositivos que sean susceptibles de ser fabricados con la tecnología “guía de onda vacía integrada en sustrato” (ESIW), como por ejemplo guías, filtros, divisores de potencia, etc.
En primer lugar se procede con la etapa de impresión, en la que se imprime una pieza denominada cuerpo del dispositivo de microondas (1), según se explica a continuación:
El cuerpo del dispositivo se imprime siguiendo la técnica de impresión 3D“Modelado por Deposición Fundida” (FDM). Según se puede ver en la figura 1 , el cuerpo del dispositivo de microondas (1) comprende una tapa superior y dos paredes laterales en una única pieza. La pieza se imprime utilizando como base la tapa superior del cuerpo del dispositivo de microondas (1) y depositando el material polimérico para formar tanto la propia tapa como las paredes. Será el diseño de las paredes del cuerpo del dispositivo de microondas (1) el que cambie su funcionalidad. Por ejemplo, en el presente ejemplo mostrado en la figura 1 se ha diseñado una cavidad resonante. Durante el proceso de impresión se conforman huecos de transición (h1 , h2) que permiten acomodar las secciones de transición (2, 3) correspondientes con el resto de la circuitería de la placa de circuito impreso (PCB) en la que se integrará el dispositivo. También se conforman orificios de conexión (p1 , p2, p3, p4) que permiten el paso de unos tornillos que unirán el cuerpo del dispositivo de microondas (1) a la base de anclaje (4).
El material utilizado para la deposición es ácido poliláctico (PLA) dopado con cobre al 20%. Según una realización alternativa el material utilizado para la deposición es ácido poliláctico (PLA) dopado con bronce al 20%.
El tiempo de la etapa de impresión es de 22 minutos.
A continuación se procede con la etapa de metalización, según se explica a continuación:
El proceso de metalización comprende necesariamente dos etapas, ya que si una de ellas faltase la capa de metalizado resultante no sería suficiente para una óptima conductividad del dispositivo.
Para ello, el cuerpo del dispositivo de microondas (1) impreso se somete inicialmente a una metalización química que se desarrolla según el siguiente procedimiento:
Modificación de la superficie: Inicialmente el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge en una disolución hidroalcohólica de NaOH según una concentración de entre 8 y 12 g/L, preferiblemente 10 g/L, a una temperatura de entre 45 y 60°C, preferiblemente 54°C, durante un tiempo de entre 9 y 11 minutos, preferiblemente 10 minutos, agitando el cuerpo del dispositivo de microondas (1) de forma continuada.
Activación de la superficie: A continuación, el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge en una disolución que contiene PdCI2 según una concentración de entre 0.2 y 0.3 g/L, preferiblemente 0.25 g/L, SnCI2 según una concentración de entre 10 y 15 g/L, preferiblemente 12.5 g/L, en HCI según una concentración de entre 0.5 y 1 M, preferiblemente 0.75 M, a temperatura ambiente, durante un tiempo de entre 4 y 6 minutos, preferiblemente 5 min, agitando el cuerpo del dispositivo de microondas (1) de forma continuada.
Aceleración: El cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge posteriormente en una disolución de HCI según una concentración de entre 0.02 y 0.05 M, preferiblemente 0.035 M, a temperatura ambiente, durante un tiempo de entre 4 y 6 min, preferiblemente 5 min.
- Metalización: Tras el procedimiento de aceleración, el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge en una disolución que contiene cobre según una concentración de entre 1.8 y 2.2 g/L, preferiblemente 2 g/L, sosa caustica según una concentración de entre 8 y 10 g/L, preferiblemente 9 g/L, quelante según una concentración de entre 0.1 y 0.2 M, preferiblemente 0.125 M, y formaldehido según una concentración de entre 3 y 5 g/L, preferiblemente 4 g/L, a una temperatura de entre 41 y 51 °C, preferiblemente 46°C, agitando y aireando el cuerpo del dispositivo de microondas (1) durante un tiempo de entre 36 y 44 min, preferiblemente 40 min. Según un modo de realización particular el quelante es ácido etilendiaminotetraacético (EDTA).
Tras la metalización química, el cuerpo del dispositivo de microondas (1) impreso se somete a una metalización galvánica clásica que se desarrolla según el siguiente procedimiento:
Limpiado y desengrasado: El cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge en una disolución desengrasante durante 15 minutos, y en acetona durante 5 min. Baño en activador: El cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge posteriormente en una disolución coloidal de carbón conductor, durante un tiempo de entre 15 y 20 min.
Electrodeposición: Finalmente, el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se somete a un secado en horno a 95°C durante 5 minutos, y se sumerge en una disolución de ácido sulfúrico y sulfato de cobre aplicando corriente eléctrica durante 90 minutos.
Por último se procede con la etapa de integración, según se explica a continuación:
El cuerpo del dispositivo de microondas (1) metalizado se integra en el resto de la circuitería de la placa PCB por medio de las secciones de transición (2, 3) y la base de anclaje (4) que han sido previamente fabricadas. Las secciones de transición (2, 3) son las secciones del circuito impreso sobre placa PCB que llevan la señal al cuerpo del dispositivo de microondas (1) impreso. La placa PCB es un sustrato de material dieléctrico con metalización de cobre por sus caras superior e inferior. La cara inferior actúa como tierra y sobre la cara superior se diseña el circuito o la línea de transmisión. En el presente ejemplo, m1 y m2 son microtiras de cobre que conforman el activo de la línea microstrip de la placa PCB. La placa PCB se atornilla a la base de anclaje (4) a través de varios orificios (t1 , t2, t3 y t4) practicados tanto en las secciones de transición (2, 3) como en la propia base de anclaje (4). La base de anclaje (4) es una lámina sustrato PCB metalizada por su parte superior, para asegurar la continuidad eléctrica de la estructura. Para completar el dispositivo, el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se atornilla a la base de anclaje (4) a través de los orificios de conexión (p1 , p2, p3 y p4) así como de varios orificios correspondientes practicados en la propia base de anclaje (4).
En el caso de ser necesario cambiar el dispositivo por otro (para modificar sus prestaciones o porque el dispositivo se ha dañado), únicamente hay que desatornillar el cuerpo del dispositivo de microondas (1) y sustituirlo por otra.
Anteriormente se ha descrito la presente invención haciendo referencia a realizaciones preferidas específicas de la misma, presentadas únicamente a modo de ejemplo. Sin embargo, los expertos en la técnica podrán aplicar fácilmente modificaciones y variaciones a dichas realizaciones sin por ello apartarse del alcance de protección de la presente invención, definido únicamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Método de fabricación de dispositivo de microondas basado en guía de onda vacía integrada en sustrato, que comprende las etapas de:
- Impresión, en la que se imprime mediante impresión 3D un cuerpo del dispositivo de microondas (1) a partir de un material polimérico derivado de una fuente renovable dopado con al menos un metal;
- Metalización, en la que se metaliza la superficie del cuerpo del dispositivo de microondas (1) en dos etapas: una primera metalización autocatalítica seguida por una metalización galvánica; e
- Integración, en la que se integra modularmente el dispositivo de microondas en un sistema basado en placa de circuito impreso mediante medios de conexión desmontables, donde en dicha etapa se conforman los siguientes elementos:
- unas secciones de transición (2, 3), que son secciones del circuito impreso sobre placa PCB que llevan la señal al cuerpo del dispositivo de microondas (1);
- y una base de anclaje (4).
2. Método según la reivindicación 1 , caracterizado por que la etapa de impresión se realiza siguiendo la técnica de impresión 3D Modelado por Deposición Fundida.
3. Método según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en la etapa de impresión, el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se imprime utilizando como base la tapa superior del cuerpo del dispositivo de microondas (1) y depositando el material polimérico para formar tanto la propia tapa como las paredes, conformando huecos de transición (h1 , h2) que permiten acomodar las secciones de transición (2, 3) correspondientes con el resto de la circuitería de la placa de circuito impreso en la que se integra el dispositivo de microondas, y conformando orificios de conexión (p1 , p2, p3, p4) que permiten el paso de unos tornillos que unirán el cuerpo del dispositivo de microondas (1) a la base de anclaje (4).
4. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el material polimérico es PLA.
5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el material polimérico está dopado con un metal seleccionado de cobre y bronce.
6. Método según la reivindicación 5, caracterizado por que el material polimérico está dopado según un 20% de metal.
7. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en la etapa de impresión se imprime el cuerpo del dispositivo de microondas (1) al menos parcialmente hueco.
8. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la metalización autocatalítica consiste en un primer tratamiento básico para modificar químicamente la superficie, seguido por activación con ácido y metalización en un baño de disolución de metal.
9. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se metaliza con cobre.
10. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la metalización autocatalítica se desarrolla según el siguiente procedimiento:
- Modificación de la superficie, en la que inicialmente el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge en una disolución hidroalcohólica de NaOH según una concentración de entre 8 y 12 g/L, a una temperatura de entre 45 y 60°C, durante un tiempo de entre 9 y 11 minutos, agitando el cuerpo del dispositivo de microondas (1) de forma continuada.
- Activación de la superficie, en la que el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge en una disolución que contiene PdCI2 según una concentración de entre 0.2 y 0.3 g/L, SnCI2 según una concentración de entre 10 y 15 g/L, en HCI según una concentración de entre 0.5 y 1 M, a temperatura ambiente, durante un tiempo de entre 4 y 6 minutos, agitando el cuerpo del dispositivo de microondas (1) de forma continuada.
- Aceleración, en la que el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge posteriormente en una disolución de HCI según una concentración de entre 0.02 y 0.05 M, a temperatura ambiente, durante un tiempo de entre 4 y 6 min.
- Metalización, en la que tras el procedimiento de aceleración, el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge en una disolución que contiene cobre según una concentración de entre 1.8 y 2.2 g/L, sosa caustica según una concentración de entre 8 y 10 g/L, quelante según una concentración de entre 0.1 y 0.2 M, y formaldehido según una concentración de entre 3 y 5 g/L, a una temperatura de entre 41 y 51°C, agitando y aireando el cuerpo del dispositivo de microondas (1) durante un tiempo de entre 36 y 44 min.
11. Método según la reivindicación 10, caracterizado por que la metalización autocatalítica se desarrolla según el siguiente procedimiento:
- Modificación de la superficie, en la que inicialmente el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge en una disolución hidroalcholócia de NaOH según una concentración de 10 g/L, a 54°C, durante 10 minutos, agitando el cuerpo del dispositivo de microondas (1) de forma continuada.
- Activación de la superficie en la que el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge en una disolución que contiene PdCI2 según una concentración de 0.25 g/L, SnCI2 según una concentración de 12.5 g/L, en HCI según una concentración de 0.75 M, a temperatura ambiente, durante 5 min, agitando el cuerpo del dispositivo de microondas (1) de forma continuada.
- Aceleración, en la que el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge posteriormente en una disolución de HCI según una concentración de 0.035 M, a 25°C, durante 5 min.
- Metalización, en la que tras el procedimiento de aceleración, el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge en una disolución que contiene cobre según una concentración de 2 g/L, sosa caustica según una concentración de 9 g/L, quelante según una concentración de 0.125 M, y formaldehido según una concentración de 4 g/L, a 46°C, agitando y aireando el cuerpo del dispositivo de microondas (1) durante 40 minutos.
12. Método según la reivindicación 9, caracterizado por que la metalización galvánica se desarrolla según el siguiente procedimiento:
- Limpiado y desengrasado, en los que el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge en una disolución desengrasante durante 15 minutos, y en acetona durante 5 min.
- Baño en activador, en el que el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se sumerge en una disolución coloidal de carbón conductor, durante un tiempo de entre 15 y 20 min.
- Electrodeposición, en la que el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se somete a un secado en horno a 95°C durante 5 minutos, y se sumerge en una disolución de ácido sulfúrico y sulfato de cobre aplicando corriente eléctrica durante 90 minutos.
13. Método según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado por que en la etapa de metalización se proporciona una capa de 30 mhi de cobre sobre el cuerpo del dispositivo de microondas (1).
14. Método según la reivindicación 1 , caracterizado por que la placa PCB es un sustrato de material dieléctrico con metalización de cobre por sus caras superior e inferior, actuando la cara inferior como tierra y siendo la cara superior sobre la que se diseña el circuito o la línea de transmisión, conformándose por medio de microtiras de cobre (m1 y m2) el activo de la línea microstrip de la placa PCB.
15. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 14, caracterizado por que la base de anclaje (4) es una lámina sustrato PCB metalizada por su parte superior.
16. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 , 14 y 15, caracterizado por que en la etapa de integración, el cuerpo del dispositivo de microondas (1) se integra en el resto de la circuitería de la placa PCB por medio de las secciones de transición (2, 3), y por medio de la base de anclaje (4), atornillándose las secciones de transición (2, 3) de la placa PCB a la base de anclaje (4) a través de varios orificios (t1 , t2, t3 y t4), y atornillándose el cuerpo el dispositivo de microondas (1) a la base de anclaje (4) a través de los orificios de conexión (p1 , p2, p3 y p4) así como de varios orificios correspondientes practicados en la propia base de anclaje (4).
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