微立體光刻技術(shù)將為電子元件的小型化、批量生產(chǎn)帶來(lái)新的可能性

導(dǎo)讀：電子元器件的小型化、精密化正在成為一種趨勢(shì)，這也對(duì)制造技術(shù)提出了更大挑戰(zhàn)。通過(guò)使用精密SLA技術(shù)及材料，正在為定制、小批量甚至更高批量制造真正的毫米波頻段的無(wú)源和有源組件開辟一條新的途徑。

無(wú)線甚至有線電路的工作頻率正在迅速升高，這并不是什么新聞�，F(xiàn)實(shí)情況是，就在不久前，在1-2GHz頻率上工作還被認(rèn)為是一項(xiàng)測(cè)試臺(tái)上的成就，但現(xiàn)在已經(jīng)有了面向30-300GHz(毫米波)的大眾市場(chǎng)消費(fèi)產(chǎn)品，并且隨著5G的推廣，工作頻率還正快速地往更高發(fā)展。其物理含義是眾所周知的；隨著頻率的增加和波長(zhǎng)的縮短，元器件、電路板線寬以及所有相關(guān)尺寸和允許公差也隨之減小。

對(duì)于這些微小的尺寸，即便是連接器等基本部件的制造和使用也是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。例如，同軸電纜的直徑約為1-2毫米。連接器和波導(dǎo)管也總是有嚴(yán)格的尺寸公差，并且需要一定的堅(jiān)固性。然而，之前較低頻率上的一些“小”問(wèn)題(如表面光潔度和平滑度)，如今卻會(huì)顯著影響連接器、電路板層壓板以及更多方面的電性能。加工這么小尺寸的表面和連接器，從另一個(gè)層面來(lái)說(shuō)，本身就是非硅全金屬的MEMS制造。

2022年6月12日，南極熊獲悉，來(lái)自英國(guó)伯明翰大學(xué)的研究人員和制造商目前正在研究，如何利用另一種如今已成為主流的、更精密前沿技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。該技術(shù)就是立體光刻，簡(jiǎn)稱SLA，也稱為3D打印或附加制造(AM)，目前正在用于微小連接器和其他組件的制造中以解決障礙，這元器件的制造以往都是依賴傳統(tǒng)精密加工或蝕刻。該技術(shù)尤其適用于啟動(dòng)和設(shè)備準(zhǔn)備工作量大、以及成本相對(duì)較高的小批量到中批量生產(chǎn)當(dāng)中。然而即使批量也無(wú)法證明昂貴的電路腔體結(jié)構(gòu)、模具、夾具，以及制造這些微小器件所需的任何其他設(shè)備都具有所需的精度和光潔度。

但為什么要停止使用無(wú)源器件呢？一個(gè)非常有趣的實(shí)例是一款由英國(guó)伯明翰大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的、具有集成波導(dǎo)的有源器件，器件中組件之間的互連是最主要的挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一款頻率為62.5GHz到125GHz的肖特基二極管倍頻器。是的，是125GHz，而不是12.5GHz。利用的是高精度SLA打印工藝，組件中采用的是分離波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。參見(jiàn)他們發(fā)表的論文：《使用立體光刻技術(shù)制作的125GHz波導(dǎo)腔倍頻器/3D printing challenges multi-GHz component constraints》。

相關(guān)論文鏈接：https://www.planetanalog.com/3d- ... 72.1636460833&_gl=1*dnuum5*_ga*NDk0NTI4OTcyLjE2MzY0NjA4MzM.*_ga_ZLV02RYCZ8*MTY1NTAxNDY4OC41LjEuMTY1NTAxNTYzNS4w#

波導(dǎo)腔及其波導(dǎo)法蘭是使用BMF Boston Micro Fabring公司的系統(tǒng)印刷而成的。該系統(tǒng)使用投影微立體光刻(PμSL)技術(shù)，如圖1和圖2所示。

圖1：125GHz倍頻器的構(gòu)造顯示了(a)一個(gè)分割塊的布局和(b)肖特基二極管MMIC的特寫圖片。資料來(lái)源：伯明翰大學(xué)

圖2：使用SLA工藝制作的預(yù)制聚合物波導(dǎo)的照片(左)和MMIC所在區(qū)域的光學(xué)顯微鏡圖像(右)。資料來(lái)源：伯明翰大學(xué)

印刷聚合物波導(dǎo)部件鍍有銅和一層薄薄的金保護(hù)層。他們對(duì)印刷波導(dǎo)部件的表面粗糙度進(jìn)行了表征，并測(cè)量了關(guān)鍵尺寸。數(shù)據(jù)顯示，印刷質(zhì)量良好，精度滿足此類太赫茲有源器件的嚴(yán)格公差要求(見(jiàn)圖3)。

圖3：制作的倍頻器圖片，(a)放置在3D打印波導(dǎo)分離塊中的制作好的MMIC和(b)組裝好的倍頻器。資料來(lái)源：伯明翰大學(xué)

該倍頻器據(jù)稱是有史以來(lái)第一個(gè)使用SLA生產(chǎn)的倍頻器，由制作在波導(dǎo)中厚度為20μm的GaAs肖特基二極管單片微波集成電路(MMIC)組成。其在126GHz上的最大輸出功率為33mW，輸入功率為100mW。作為一個(gè)重要的性能指標(biāo)-峰值轉(zhuǎn)換效率，在輸入功率為80mW至110mW時(shí)，約為32%。

肖特基二極管設(shè)計(jì)倍頻器設(shè)計(jì)中使用的則是一種常見(jiàn)技術(shù)，即使用非線性元件，在這里就是一只二極管，由基頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生諧波，如圖4所示。

圖4：上圖為使用非線性元件的倍頻器方框圖，而下圖為該倍頻器的核心電路示意圖。資料來(lái)源：QSL.net。

當(dāng)然，對(duì)于毫米波頻段來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的示意圖只能表示在實(shí)際構(gòu)建倍頻器時(shí)真正需要的是什么，因?yàn)檫@些精致的、離散的、集成元件在毫米波頻段電路中的表現(xiàn)形式，與線條型原理圖中那些簡(jiǎn)單符號(hào)所示的表現(xiàn)形式是非常不同的。使用精密SLA及其支持材料，為定制、小批量甚至更高批量制造真正的毫米波頻段的無(wú)源和有源組件開辟了一條新途徑。

未來(lái)，我們將會(huì)看到采用精密SLA來(lái)設(shè)計(jì)和制造這些使用傳統(tǒng)精密技術(shù)難以或根本不可能實(shí)現(xiàn)的組件，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)讓射頻設(shè)計(jì)變得更加容易。