用于制造波导管天线的方法与流程

1.本发明涉及一种用于波导管天线的基于喷墨的增材制造方法。


背景技术：

2.目前，用于雷达天线系统的波导管天线通过注塑成型的塑料结构制造，该塑料结构在随后的步骤中涂覆以金属并且然后接合在一起。电磁波通过mmic(单片微波集成电路)和波导管天线之间的短印制导线耦合到波导管天线中。


技术实现要素：

3.本发明提出一种用于制造波导管天线的基于喷墨的增材制造方法。该方法尤其可以借助三维打印技术实现。根据变型可以使用具有两种或三种材料的多材料喷墨打印(multimaterial-inkjet-druck)。替代地，也可以使用激光诱导前移(laser-induced-forward-transfer，lift)方法。在开始时提供一个基底，尤其呈电路载体的形式。例如电路板用作基底。替代地，也可以使用中介层封装(interposer package)，即用于半导体芯片的载体作为基底。
4.根据第一方面，将一层壳体材料施加到基底上。在此，壳体材料以一层打印到基底上，然后固化。壳体材料尤其是塑料并且可以含有例如环氧树脂和/或丙烯酸。层高度优选在10μm至30μm的范围内。壳体材料层在波导管的应位于制成的波导管天线中的部位处具有空隙。
5.然后，将一层含金属纳米颗粒的悬浮物在壳体材料层的朝向空隙延伸的棱边处施加到壳体材料层上。在此，含金属纳米颗粒的悬浮物也润湿空隙的内壁。含金属纳米颗粒的悬浮物尤其是金属纳米墨并且可以由金属纳米颗粒例如银、铜或金纳米颗粒等、溶剂和其它有机和/或无机填料组成。湿层优选具有在10μm至30μm范围内的层高度。随后，对含金属纳米颗粒的悬浮物进行烧结。在此，含金属纳米颗粒的悬浮物的溶剂逸出，并且金属纳米颗粒在壳体材料层的棱边处和尤其在空隙或制成的波导管的内壁处烧结成在微米范围内的金属层。
6.重复施加一层壳体材料、施加一层含金属纳米颗粒的悬浮物和烧结含金属纳米颗粒的悬浮物的步骤。在壳体材料的另外的层中，之前施加的、先前的壳体材料层用作新的基底。一直重复所述步骤，直至构造所希望的波导管天线。多个相叠的壳体材料层与其空隙形成一个空腔，该空腔的位置和形状相应于制成的波导管天线的波导管。优选地，如此施加壳体材料的层，使得空隙形成具有倾斜的壁的空腔。由此整体改善了打印结果。通过由含金属纳米颗粒的悬浮物烧结后在空腔中形成的金属层形成用于波导管天线的波导管。在空腔内壁上的金属层形成尽可能光滑的金属表面。金属表面朝向壳体材料层的不规则构造对于波导管天线的有效性没有影响。
7.在该变型中可以设置，将金属盖件施加到最上面的壳体材料层上。在此，盖件在空腔上方延伸并向上封闭该空腔。盖件具有至少一个开口，电磁波可以通过该开口从波导管
天线解耦到周围环境和/或从周围环境耦合到波导管天线中。金属盖件可以借助已知的接合工艺进行连接，例如与导电粘合剂粘合、与非导电粘合剂粘合或钎焊、与最上面的壳体材料层以及必要时与含金属纳米颗粒的悬浮物烧结后在最上面的壳体材料层上形成的最上面的金属层连接。
8.在一个变型中，介电材料层附加地施加在壳体材料层的空隙中并且优选至少部分地施加到基底上。优选地，这直接在含金属纳米颗粒的悬浮物烧结之后进行。层高度也可以在10μm至30μm的范围内。然后也重复施加介电材料层，并且将下一层分别施加到之前施加的前一层介电材料上。介电材料的介电常数根据用作第一基底的电路载体进行选择，即例如在电路板与电路板上的高频层压板配合的情况下。由此，在波导管天线和第一基底之间实现良好的电磁耦合。
9.纯理论上在该变型中，如上所述，也可以施加金属盖件。优选地，通过最后将含金属纳米颗粒的悬浮物再次施加到最上层介电材料上，随后烧结来形成盖件。由此产生一个用作盖件的金属层。起盖件作用的金属层具有至少一个开口，电磁波可以通过该开口从波导管天线解耦到周围环境和/或从周围环境耦合到波导管天线中。因此，在该变型中，无需额外的工艺步骤用于接合盖件。
10.根据另一方面，重复将壳体材料的各层施加到基底上，使得多层壳体材料彼此相叠地布置在第一基底上。壳体材料尤其是塑料并且可以含有例如环氧树脂和/或丙烯酸。从第二层开始，相应地之前施加的、先前的壳体材料层用作新的基底。层高度优选在10μm至30μm的范围内。每一层都具有一个空隙，并且多个相叠的壳体材料层与其空隙形成一个空腔，该空腔的位置和形状相应于制成的波导管天线的波导管。优选地，如此施加壳体材料的层，使得空隙形成具有倾斜的壁的空腔。由此整体改善打印结果。当形成用于所希望的波导管天线的空腔时，结束各个层的施加。
11.随后，空腔被填充以含金属纳米颗粒的悬浮物。含金属纳米颗粒的悬浮物尤其是金属纳米墨并且可以含有例如银、铜等。在一个变型中，可以填充整个空腔。然后对空腔中的含金属纳米颗粒的悬浮物进行烧结。在此，溶剂从含金属纳米颗粒的悬浮物中逸出，并且金属纳米颗粒在空腔的内壁处烧结成在微米范围内的金属层。
12.在该变型中也可以设置，将金属盖件施加到最上面的壳体材料层上。在此，盖件在空腔上方延伸并且向上封闭该空腔。盖件具有至少一个开口，电磁波可以通过该开口从波导管天线解耦到周围环境和/或从周围环境耦合到波导管天线中。金属盖件可以借助已知的接合工艺进行连接，例如与导电粘合剂粘合、与非导电粘合剂粘合或钎焊、与最上面的壳体材料层以及必要时与含金属纳米颗粒的悬浮物烧结后在最上面的壳体材料层上形成的最上面的金属层连接。
13.在一个变型中，将多层介电材料或支撑材料施加到第一基底上。多层介电材料或支撑材料施加在形成用于所希望的波导管天线的空腔的部位处。因此，介电材料或支撑材料形成用于波导管的填充物。在构造波导管天线之后，随后又移除支撑材料。介电材料保留在波导管中。在介电材料的情况下，介电常数根据用作第一基底的电路载体进行选择，即例如在电路板与电路板上的高频层压板配合的情况下。由此，在波导管天线和第一基底之间实现良好的电磁耦合。优选地，在壳体材料的空腔填充以含金属纳米颗粒的悬浮物之前，施加多层介电材料或支撑材料。由此，含金属纳米颗粒的悬浮物不会流入到波导管的内部空
间中，并且还确保在烧结后形成具有光滑表面的均质金属层。尤其，在施加多层壳体材料之前，施加多层介电材料或支撑材料。壳体材料层在存在介电材料或支撑材料层的位置处具有空隙。由此能够以简单的方式在形成用于所希望的波导管天线的空腔的部位处实现填充。
14.在另一变型中，将一层介电材料或支撑材料施加到第一基底上。介电材料或支撑材料层施加在形成用于所希望的波导管天线的空腔的部位处。然后施加壳体材料层，其中，壳体材料层在存在介电材料或支撑材料层的位置处具有空隙。然后，重复地施加介电材料层或支撑材料层和施加壳体材料层。在此，下一层介电材料或支撑材料分别施加到之前施加的、前一层介电材料或支撑材料上。因此，介电材料或支撑材料形成用于波导管的填充物。在构造波导管天线之后，事后又移除支撑材料。介电材料保留在波导管中。在介电材料的情况下，介电常数根据用作第一基底的电路载体进行选择，即例如在电路板与电路板上的高频层压板配合的情况下。由此，在波导管天线和第一基底之间实现良好的电磁耦合。
15.多层介电材料或支撑材料可以具有与壳体材料层或金属层相同的层厚度，但也可以与它们不同并且原则上自由选择。优选地，介电材料或支撑材料的相应最上层构造得高于相应最上面的壳体材料层。如果在施加壳体材料层之前施加多层介电材料或支撑材料，则仅最上层介电材料或支撑材料能够构造得更高。在施加介电材料层或支撑材料层时，由工艺引起地，通常层的上侧被倒圆。如果介电材料或支撑材料的相应层与壳体材料层的高度相同，则壳体材料层和/或含金属纳米颗粒的悬浮物将侵入到由倒圆的上侧形成的凹陷中，由此在内壁上产生金属层的粗糙表面。如果介电材料或支撑材料的层构造得高于壳体材料层，则倒圆的部分超过壳体材料层伸出并且不形成凹陷，使得内壁上的金属层表面是平坦的。
16.如果已经使用介电材料作为上述填充物，则优选地可以通过最后将含金属纳米颗粒的悬浮物再次施加到最上层介电材料上，随后烧结来形成盖件。由此产生一个用作盖件的金属层。起盖件作用的金属层具有至少一个开口，电磁波可以通过该开口从波导管天线解耦到周围环境和/或从周围环境耦合到波导管天线中。因此，在该变型中，无需额外的工艺步骤用于接合盖件。
17.如果使用事后又被移除的支撑材料，则可以如上所述地施加金属盖件。纯原理上，这对于电介质材料也是可能的。
18.在所描述的基于喷墨的增材制造方法中，波导管天线的壳体和金属结构逐层地局部被打印。这提供以下优点：实现了波导管天线的小型化。与传统的制造方法相比，实现了材料节省和重量减轻。能够实现与工具无关地制造波导管天线结构。此外，由于电路板翘曲(warpage)而对波导管天线有效性的影响通过选择性打印(selektives drucken)是很小的。在将盖件接合到选择性打印的波导管结构上时，公差补偿得到改善，因为不需要在电路板的整个面区域上的公差补偿。
附图说明
19.在附图中示出并且在下面的说明中更详细地解释本发明的实施例。
20.图1示出根据第一实施方式的增材制造工艺的多个横截面；
21.图2示出根据第二实施方式的增材制造工艺的多个横截面；
22.图3示出根据第三实施方式的增材制造工艺的多个横截面；
23.图4示出根据第四实施方式的增材制造工艺的多个横截面；
24.图5示出根据第五实施方式的增材制造工艺的多个横截面；
25.图6示出电路板的形成波导管天线的上侧(a)以及波导管天线和电路板的两个横截面(b和c)；
26.图7示出波导管天线和在其上形成波导管天线的中介层的横截面。
具体实施方式
27.在图1中示出根据本发明的增材制造方法的第一实施方式。在图1a中，将第一层壳体材料1(例如由环氧树脂构成)打印到未示出的基底上。层厚度例如为约20μm。在这里，在右棱边处设置壳体材料层1中的空隙5a。在图1b中，将具有湿层厚度为约20μm的金属纳米墨2施加到朝向空隙5a的右棱边上，然后将金属纳米墨2烧结。在此，金属纳米墨的溶剂逸出并且金属纳米颗粒在壳体材料层1的棱边处烧结成金属层3，如在图1c中所示的那样。金属层3具有约5μm的层厚度。重复上述方法步骤，其中，将第二层壳体材料1打印到壳体材料1的第一层上，然后将金属纳米墨2施加到壳体材料1的第二层上，并且最后烧结，使得形成根据图1d的结构。朝向空隙5a形成具有光滑表面4的均质金属层3。图1e和1f示出通过重复上述方法步骤施加到各前一层上的另外的层。为简单起见，在图1a至1f中，空隙5a布置在右侧。通常，空隙5a布置在壳体材料层1内并且金属层3构造在每个壳体材料层1的两个棱边上。
28.如此频繁地重复执行上述方法步骤，直到形成在图1g中所示的波导管天线6。壳体材料层1中的空隙5a一起形成空腔5b，在该空腔的内壁上布置具有光滑表面4的金属层3。具有金属层3的空腔5b用作用于波导管天线6的波导管。在该示例中，波导管天线6构造在具有高频层压板8的电路板7上。此外设置衬底集成的波导(siw)9，用于将发射的电磁波从电路板7耦合到波导管天线6中和用于将接收到的电磁波从波导管天线6解耦到电路板7中。最后，如在图1h中所示地，金属盖件10通过接合工艺(例如粘合或钎焊)固定在波导管天线6的上侧上。在粘合时，例如将导电或非导电的粘合剂11施加到最上面的壳体材料层1的上侧上，然后金属盖件10与粘合剂连接。金属盖件10超过空腔5b伸出并且将该空腔向上封闭。在此，金属盖件10具有开口12，借助该开口，待发射的电磁波从波导管天线6解耦到周围环境，而待接收的电磁波从周围环境耦合到波导管天线6中。
29.在图2中示出根据本发明的增材制造方法的第二实施方式。第二实施方式与第一实施方式的不同之处在于用介电材料13填充空腔5b。介电材料13具有匹配于电路板7的高频层压板8的介电常数。在图2a至2c中所示的方法步骤：打印第一层壳体材料1、施加金属纳米墨2和烧结金属纳米墨2类似于第一实施方式1实施(参见图1a至1c)。在图2d中示出，在重复上述步骤时，在空隙5a中附加地形成一层介电材料13。在进一步重复方法步骤时，如在图2e和2f中所示地，始终将新一层介电材料13施加到前一层上。如从图2g可看到，整个空腔5b最后填充以电介质材料13。介电材料13在此与高频层压板8接触。因为电介质材料13的介电常数匹配于高频层压板8，所以由此改善电磁波的耦合和解耦。最后，如在图2h中所示地，金属纳米墨2打印在空腔5b中的介电材料13上方，使得形成盖件14。在此，留出盖件14中的开口15。
30.图3示出根据本发明的增材制造方法的第三实施方式。如在图3a中所示地，在这里
首先将多个单层壳体材料1彼此相叠地打印到未示出的基底上。每个壳体材料层1都具有一个空隙5a，该空隙在此分别居中地布置。空隙5a在多个壳体材料层1中一起形成空腔5b。在图3b中，将金属纳米墨2填充到空腔5b中。然后将金属纳米墨2烧结。在此，金属纳米墨的溶剂逸出并且金属纳米颗粒烧结成金属层3，该金属层以约5μm的层厚度涂覆空腔5b的内壁，如在图3c中所示的那样。因此，在空腔5b的内壁上形成具有光滑表面4的均质金属层3。具有金属层3的空腔5b用作用于波导管天线6的波导管。波导管天线6可以如在第一实施方式中结合图1g和1h所描述地构造在电路板7上。对此也参考上述说明。
31.图4示出根据本发明的增材制造方法的第四实施方式。在图4a中，在开始时在未示出的基底上形成由介电材料13构成的填充物。在第四实施方式中，介电材料13已经在第一步骤中形成延伸到波导管天线6的整个高度上的填充物。随后，如在图4b至4e中所示地，将多层单个壳体材料1彼此相叠地打印到基底上。对此参考第三实施方式的描述和图3a至3c。每个壳体材料层1都具有一个空隙5a，该空隙分别围绕着介质材料13的填充物布置。在每个壳体材料层1的空隙5a中填充在此未示出的金属纳米墨2。在多个壳体材料层1中的空隙5a一起形成空腔5b，在该空腔中间是由介电材料13构成的填充物。在此，介电材料13的填充物防止金属纳米墨2流到空腔5b的内部空间中。替代地，金属纳米墨2也可以在形成所有壳体材料层1之后才填入。然后将金属纳米墨2烧结。金属纳米墨2的溶剂逸出并且将金属纳米颗粒烧结成金属层3，该金属层以约5μm的层厚度涂覆在空腔5b的内壁上。因此，在空腔5b的内壁上形成金属层3，该金属层在该变型中特别均匀并且具有特别光滑的表面4。具有金属层3的空腔5b用作用于波导管天线6的波导管。出于生产技术原因，填充物在上侧倒圆。因此，填充物优选构造得高于壳体材料层1，使得填充物的倒圆位于最上面的壳体材料层1上方，如在图4e中所示的那样。由此防止金属纳米墨2沿着填充物的倒圆扩散，这在烧结状态下将导致不平的金属层3。最后，如图4f所示地，金属纳米墨打印到空腔5b中的介电材料13上方，使得形成盖件14。在此，留出盖件14中的开口15。波导管天线6可以如在第一实施方式中结合图1g和1h所描述地构造在电路板7上。对此参考上述说明。
32.图5示出根据本发明的增材制造方法的第五实施方式。第五实施方式与第四实施方式的区别仅在于电介质材料13的填充物也逐层地制造。在将相应的壳体材料层1施加、将金属纳米墨2填入并最终烧结成金属层3之前，将介电材料层13施加到基底上。参考对于第四实施方式的描述和图4。在此，介电材料13的填充物也防止金属纳米墨2流到空腔5b的内部空间中。替代地，金属纳米墨2也可以在形成所有壳体材料层1之后才填入。在该变型中形成的金属层3特别均匀并且具有特别光滑的表面4。在填充物的逐层构造时重要的是，每层介电材料13超过相应的壳体材料层1伸出。出于制造技术原因，每层填充物在上侧倒圆。如在图5b至5e中所示地，填充物的每层都如此程度地超过相应的壳体材料层1伸出，使得填充物的倒圆自由突出。由此防止金属纳米墨2沿着填充物的倒圆扩散，这将在烧结状态下导致不平的金属层3。
33.在另外的未示出的实施方式中，在图4或图5中所示的填充物可以是支撑材料。该支撑材料同样用于确保金属纳米墨2不流到空腔5b的内部空间中。在烧结金属纳米墨2之后移除支撑材料。作为盖件可以设置金属盖件10，如在第一实施方式中结合图1h所描述的那样。
34.图6示出具有多个波导管天线6的电路板7，这些波导管天线根据本发明的增材制
造方法的一个上述实施方式制造，如在实践中使用的那样。在图6a中示出电路板7的上侧，在其上构造有多个波导管天线6。为了清楚起见，尽可能避免重复附图标记。图6b示出电路板7和波导管天线6沿着图6a中的线b-b的横截面。图6c示出电路板7和波导管天线6的与此垂直的、沿着图6a中的线c-c的横截面。电路板7具有与多个衬底集成的波导(siw)9连接的mmic(单片微波集成电路)16。siw9又与波导管天线6连接并且用于电磁波的耦合或解耦。波导管天线6在一个方向上比在另一方向上构造得更长。在图6c中示出，波导管天线6的空腔5b在耦合区域中与siw9连接。在那里，盖件10没有开口。波导管天线6从那里平行于电路板7延伸。在该区域中，空腔5b不与siw9或电路板7直接连接，并且盖件14具有多个开口15，电磁波通过这些开口从周围环境耦合到波导管中，并且电磁波通过这些开口从波导管解耦到周围环境中。波导管天线6的高度约为1mm。通过逐层制造，可以简单地通过在各个壳体材料层1中布置空隙5a实现这些形状。当使用由介电材料13构成的填充物时，这尤其适用。
35.图7示出具有多个波导管天线6的中介层17的横截面，这些波导管天线根据本发明的增材制造方法的一个上述实施方式制造。用于制造方法的上述特征可以应用于中介层17。中介层17具有mmic(单片微波集成电路)16。此外，在下侧上布置有钎焊球19，借助该钎焊球可以将中介层17与插口连接。中介层17在上侧具有高频层压板18。在此用作填充物的介电材料13具有介电常数，该介电常数在这种情况下匹配于中介层17的高频层压板18。在此，借助根据本发明的制造方法也可以以所希望的形状构造波导管天线6。参考对于图5的描述。波导管天线6的高度在该示例中也为约1mm。

技术特征：
1.一种用于制造波导管天线(6)的方法，其特征在于以下步骤：a)提供基底(7、17)；b)将一层壳体材料(1)施加到基底(7、17、1)上，其中，该层具有空隙(5a)；c)将一层含金属纳米颗粒的悬浮物(2)施加在所述壳体材料层(1)的朝向所述空隙(5a)的棱边处；d)烧结所述含金属纳米颗粒的悬浮物(2)；e)重复步骤b)至d)，其中，之前的壳体材料层(1)用作基底，并且其中，所述壳体材料层(1)的空隙(5a)形成空腔(5b)，直至构造所希望的波导管天线(6)。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将金属的盖件(10)施加到最上面的壳体材料层(1)上，其中，所述盖件(10)在所述空腔(5b)上方延伸并且具有至少一个开口(12)。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述壳体材料层(1)的空隙(5a)中施加一层介电材料(13)，其中，在步骤e)期间，该层介电材料(13)也重复地施加在前一层介电材料(13)上。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于通过将含有金属纳米颗粒的悬浮物(2)施加和烧结到最上层介电材料(13)上来形成盖件(14)，其中，所述盖件(14)具有至少一个开口(15)。5.一种用于制造波导管天线的方法，其特征在于以下步骤：a)提供基底(7、17)；b)将多层壳体材料(1)施加到基底(7，17，1)上，其中，每层(1)具有空隙(5a)，并且其中，所述壳体材料层(1)的空隙(5a)形成空腔(5b)，直至该空腔(5b)构造为用于所希望的波导管天线(6)；c)用含金属纳米颗粒的悬浮物(2)填充所述空腔(5b)；d)烧结所述含金属纳米颗粒的悬浮物(2)。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于将金属的盖件(10)施加到最上面的壳体材料层(1)上，其中，所述盖件(10)在所述空腔(5b)上方延伸并且具有至少一个开口(12)。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，e)在形成用于所希望的波导管天线(6)的空腔(5b)的部位处将多层介电材料(13)或支撑材料施加到所述基底(7，17)上。8.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤e)在步骤c)之前，尤其在步骤b)之前实施。9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在形成用于所希望的波导管天线(6)的空腔(5b)的部位处将一层介电材料(13)或支撑材料施加到所述基底(7，17)上，其中，该层介电材料(13)或支撑材料与壳体材料层在步骤b)中交替地施加。10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，当在步骤e)中已经施加介电材料(13)时，通过将含金属纳米颗粒的悬浮物(2)施加和烧结到最上层介电材料(13)上来形成盖件(14)，其中，所述盖件(14)具有至少一个开口(15)。11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述含金属纳米颗粒的悬浮物是金属纳米墨(2)。12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，壳体材料(1)的层施加成，
使得所述空隙(5a)形成具有倾斜的壁的空腔(5b)。13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述壳体材料(1)含有环氧树脂和/或丙烯酸。14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，步骤a)中的基底(7、17)是电路板(7)或中介层封装部(17)。

技术总结
本发明涉及一种用于制造波导管天线(6)的方法，其特征在于以下步骤：a)提供基底(7、17)；b)将一层壳体材料(1)施加到基底(7、17、1)上，其中，该层具有空隙(5a)；c)将一层含金属纳米颗粒的悬浮物(2)施加到壳体材料层(1)的朝向所述空隙(5a)的棱边处；d)烧结含金属纳米颗粒的悬浮物(2)；e)重复步骤b)至d)，其中，之前的壳体材料层(1)用作基底，并且其中，所述壳体材料层(1)的空隙(5a)形成空腔(5b)，直至构造所希望的波导管天线(6)。希望的波导管天线(6)。希望的波导管天线(6)。


技术研发人员：A
受保护的技术使用者：罗伯特
技术研发日：2023.02.07
技术公布日：2023/8/9