微立體光刻技術將為電子元件的小型化、批量生產帶來新的可能性

導讀：電子元器件的小型化、精密化正在成為一種趨勢，這也對制造技術提出了更大挑戰(zhàn)。通過使用精密SLA技術及材料，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源和有源組件開辟一條新的途徑。

無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實情況是，就在不久前，在1-2GHz頻率上工作還被認為是一項測試臺上的成就，但現在已經有了面向30-300GHz(毫米波)的大眾市場消費產品，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的縮短，元器件、電路板線寬以及所有相關尺寸和允許公差也隨之減小。

對于這些微小的尺寸，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。連接器和波導管也總是有嚴格的尺寸公差，并且需要一定的堅固性。然而，之前較低頻率上的一些“小”問題(如表面光潔度和平滑度)，如今卻會顯著影響連接器、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，從另一個層面來說，本身就是非硅全金屬的MEMS制造。

2022年6月12日，南極熊獲悉，來自英國伯明翰大學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、更精密前沿技術來解決這個問題。該技術就是立體光刻，簡稱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。該技術尤其適用于啟動和設備準備工作量大、以及成本相對較高的小批量到中批量生產當中。然而即使批量也無法證明昂貴的電路腔體結構、模具、夾具，以及制造這些微小器件所需的任何其他設備都具有所需的精度和光潔度。

但為什么要停止使用無源器件呢？一個非常有趣的實例是一款由英國伯明翰大學的一個團隊設計的、具有集成波導的有源器件，器件中組件之間的互連是最主要的挑戰(zhàn)。該團隊設計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結構。參見他們發(fā)表的論文：《使用立體光刻技術制作的125GHz波導腔倍頻器/3D printing challenges multi-GHz component constraints》。

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

波導腔及其波導法蘭是使用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，如圖1和圖2所示。

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

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

印刷聚合物波導部件鍍有銅和一層薄薄的金保護層。他們對印刷波導部件的表面粗糙度進行了表征，并測量了關鍵尺寸。數據顯示，印刷質量良好，精度滿足此類太赫茲有源器件的嚴格公差要求(見圖3)。

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

該倍頻器據稱是有史以來第一個使用SLA生產的倍頻器，由制作在波導中厚度為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。作為一個重要的性能指標-峰值轉換效率，在輸入功率為80mW至110mW時，約為32%。

肖特基二極管設計倍頻器設計中使用的則是一種常見技術，即使用非線性元件，在這里就是一只二極管，由基頻信號驅動產生諧波，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。資料來源：QSL.net。

當然，對于毫米波頻段來說，簡單的示意圖只能表示在實際構建倍頻器時真正需要的是什么，因為這些精致的、離散的、集成元件在毫米波頻段電路中的表現形式，與線條型原理圖中那些簡單符號所示的表現形式是非常不同的。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源和有源組件開辟了一條新途徑。

未來，我們將會看到采用精密SLA來設計和制造這些使用傳統(tǒng)精密技術難以或根本不可能實現的組件，這項技術會讓射頻設計變得更加容易。