以3D列印技術突破高頻元件製造極限

作者 : Bill Schweber,Planet Analog

使用精密SLA--或稱3D列印--以及該技術能支援的材料,為生產客製化、少量,甚至較高產量的獨特高頻主/被動元件開闢了一條新途徑...

無線甚至有線通訊電路的運作頻率都在迅速升高,這並不是什麼新聞。現實情況是,不久前以1~2GHz頻率運作還被認為是一項測試檯上的成就,現在則有支援數GHz頻率範圍的大眾市場消費性產品,且頻率隨著5G來臨迅速升高。而其物理意涵可說眾所周知──當頻率提升、波長縮短,零組件相關尺寸與容差、電路板走線,以及幾乎所有東西都跟著縮小。

在這樣微小的尺寸下,製造與使用最基本的零組件,甚至像是連接器,會是一大挑戰。舉例來說,同軸電纜的直徑僅約1~2mm,連接器和波導(waveguide)也總是有嚴格的尺寸容差,並且需要具備一定程度的耐用性。然而,像是表面光滑度等先前的「小問題」,如今在高頻之下會對連接器、層壓電路板以及更多方面的性能帶來顯著影響。從許多方面來看,製造小尺寸表面和連接器,是一種非矽、全金屬版本的微機電系統(MEMS)。

 

圖1:英國伯明罕大學團隊開發的125GHz倍頻器構造;(a)為其中一個分區的佈局,(b)則為蕭特基二極體MMIC特寫。

(來源:University of Birmingham)

 

為此,研究人員和製造商目前正在探索如何利用另一種已經躍居主流、更精密的尖端技術來解決以上問題,也就是光固化立體成型法(stereolithography),簡稱SLA;或者又被叫做3D列印、積層製造(additive manufacturing,AM)。目前該方法正被用於製造以傳統精密加工或蝕刻技術生產正面臨障礙的微型連接器或其他零組件,並且特別適合中/小規模數量的生產;因為這類量產任務的製程設置工作繁瑣,成本也相對較高,而且那樣的生產量也無法保證昂貴的模具、夾具…等用以製造這些微小元件的各種設備,能實現所需的精密度與光潔度。

 

圖2:左圖為以SLA製程打造的聚合物波導;右圖則為MMIC所在區域的光學顯微鏡影像。

(來源:University of Birmingham)

 

一個非常有趣的例子是一款最初由英國伯明罕大學(University of Birmingham)團隊所設計、具備完整波導的主動元件,該元件的導線是主要設計挑戰之一。該團隊設計打造出一款頻率為62.5GHz~125GHz的蕭特基二極體倍頻器(doubler);沒錯,是125GHz、不是12.5GHz。那是利用高精度SLA列印技術打造的分區(split-block)波導結構(細節可參考該團隊題為《125 GHz Frequency Doubler using a Waveguide Cavity Produced by Stereolithography》的論文)。

上述元件的波導腔及其波導凸緣(flange)是採用Boston Micro Fabring (BMF)的系統印刷而成,該系統使用投影式微型光固化立體成型(projection micro stereolithography,PμSL)技術,如圖1和圖2所示。

印刷的聚合物波導零件鍍了銅和一層薄薄的金(gold)保護層,根據開發團隊針對元件表面粗糙度的特徵化與關鍵尺寸量測資料,印刷品質相當良好,尺寸精確度符合這類sub-THz主動元件的嚴格容差要求(參考圖3)。

 

圖3:打造出的倍頻器實品;(a)為放置在3D列印製作之波導分區中的MMIC成品,(b)為組裝完成的倍頻器。

(來源:University of Birmingham)

 

該倍頻器號稱是有史以來第一款以SLA技術生產的倍頻器,由製作於波導中、20μm厚度的砷化鎵(GaAs)蕭特基二極體單晶微波積體電路(MMIC)組成,在126GHz頻率下的最大輸出功率為33mW,輸入功率為100mW。作為重要性能指標之一的峰值轉換效率,則是在輸入功率為80mW至110mW時,約達32%。

如果讀者不熟悉以蕭特基二極體作為倍頻器,這種方法是一種常見技術,即利用非線性元件──在這裡就是一個二極體──以基頻波型驅動產生諧波,如圖4所示。

 

圖4:上方為使用非線性元件的倍頻器原理圖,下方為該倍頻器的核心電路圖。

(來源:QSL.net)

 

當然,對於GHz頻率範圍的設計來說,簡單的電路圖只能提示在實際打造倍頻器時會需要什麼,因為那些精緻的、離散的、整合的元件,在GHz頻率下實際運作時的表現形式,會與利用簡單電路符號繪製的圖形符號大不相同。使用精密SLA以及該技術能支援的材料,為生產客製化、少量,甚至較高產量的獨特高頻主/被動元件開闢了一條新途徑。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年6月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:3D printing challenges multi-GHz component constraints,By Bill Schweber;本文原刊於EE Times出版集團ASPENCORE旗下網站Planet Analog)

 

 

 

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