mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2023-11-5-34-44mireabulletin-761Research ArticleСОВРЕМЕННЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫMODERN RADIO ENGINEERING AND TELECOMMUNICATION SYSTEMSИсследование профилограммной структуры микрополосковых СВЧ-модулей, изготовленных по аддитивной технологии трехмерной печатиInvestigation of the profilogram structure of microstrip microwave modules manufactured using additive 3D-printing technologyhttps://orcid.org/0000-0003-0512-7572ВоруничевД. С.VorunichevD. S.

Воруничев Дмитрий Сергеевич, заместитель директора Института радиоэлектроники и информатики; преподаватель, кафедра конструирования и  производства радиоэлектронных средств Института радиоэлектроники и информатики

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Scopus Author ID 57204939440

Dmitry S. Vorunichev, Deputy Director of the Institute of Radio Electronics and Informatics; Lecturer of the Department of Design and Production of Radioelectronic Means

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454 

Scopus Author ID 57204939440

vorunichev@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5232-5478КостинМ. С.KostinM. S.

Костин Михаил Сергеевич, д.т.н., доцент, заведующий кафедрой радиоволновых процессов и технологий Института радиоэлектроники и информатики

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Scopus Author ID 57208434671

Mikhail S. Kostin, Dr. Sci. (Eng.), Head of the Department of Radio Wave Processes and Technologies, Institute of Radio Electronics and Informatics

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

Scopus Author ID 57208434671

kostin_m@mirea.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2023051020231153444Copyright © Воруничев Д.С., Костин М.С., 20232023Воруничев Д.С., Костин М.С.Vorunichev D.S., Kostin M.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/761Цели

Цели. Целью работы является исследование шероховатости поверхности токонесущей топологии и диэлектрика верхней (Top Layer) и нижней (Bottom Layer) сторон СВЧ-модулей, изготовленных по аддитивной технологии трехмерной печати при прототипировании опытных образцов СВЧ-модулей на 3D-принтере многослойных печатных плат DragonFly 2020 LDM.

Методы

Методы. Использованы методы металлографического анализа в светлом и темном поле, профилографирование шероховатости поверхностей, компьютерное моделирование.

Результаты

Результаты. Получены экспериментальные образцы микрополосковых СВЧ-элементов модулей многослойных плат заданной конфигурации, датчиков телеметрии, PCB-антенн (антенн на печатных платах). Исследованы топологические и радиофизические особенности аддитивно сформированных верхнего и нижнего поверхностных слоев экспериментальных образцов плат полосковых модулей. Проведены оптические профилограммные измерения шероховатости наружных сторон платы по 10 точкам, которые составили для верхнего слоя топологии – 2 мкм, для нижнего – 0.3 мкм, а также определен средний размер зерна диэлектрической основы – 0.007 мм2. Показано, что шероховатость токопроводящей топологии и диэлектрика верхней стороны соответствует 6–7 классам точности. При этом шероховатость микрополосковой токопроводящей топологии и диэлектрика нижней стороны платы соответствует 10–12 классам точности.

Выводы

Выводы. Установлено, что неравномерное формирование нижнего и верхнего полосковых слоев печатного модуля способно оказывать влияние на неоднородность распределения радиофизических параметров (диэлектрическую проницаемость, поверхностную проводимость и т.д.), а также на нестабильность конструктивных характеристик (адгезионной способности, теплопроводности и т.д.) полоскового модуля, что необходимо учитывать при прототипировании устройств по технологии струйной 3D-печати, в т.ч. при адаптации Gerber-проектов PCB-модулей, созданных под технологию классического производства плат.

Objectives

Objectives. The aim of the work is to study the surface roughness of the current-carrying topology and dielectric of the upper (Top Layer) and lower (Bottom Layer) sides of microwave modules manufactured using additive three-dimensional printing technology when prototyping prototypes of microwave modules on a 3D printer of DragonFly 2020 LDM multilayer printed circuit boards.

Methods

Methods. Methods of metallographic analysis in bright and dark fields, surface roughness profiling, and computer modeling were used.

Results

Results. Experimental samples of microstrip microwave elements of modules of multilayer boards of a given configuration, telemetry sensors, printed circuit board (PCB) antennas were obtained. The topological and radiophysical features of the additively formed upper and lower surface layers of experimental samples of boards of strip modules were studied. Optical profilogram measurements of the roughness of the outer sides of the board were carried out at 10 points, amounting to 2 µm for the upper layer of the topology and 0.3 µm for the lower layer; the average grain size of the dielectric base was determined at 0.007 mm2. The roughness of the conductive topology and upper side dielectric was shown to correspond to an accuracy class of 6–7, while the roughness of the microstrip conductive topology and the dielectric of the lower side of the board corresponds to an accuracy class of 10–12.

Conclusions

Conclusions. It is established that an uneven formation of the lower and upper strip layers of the printed module can affect the inhomogeneity of the distribution of radiophysical parameters (dielectric permittivity, surface conductivity, etc.), as well as the instability of the structural (adhesion ability, thermal conductivity, etc.) characteristics of the strip module, which must be taken into account when prototyping devices using inkjet 3D printing technology, including when adapting Gerber projects of PCB modules created for classical board production technology.

3D-печатьСВЧ-модульпрототипированиеаддитивная технологиянаночерниламикрополосковые датчикиСВЧ-элементымногослойные печатные платырадиофизические параметрыструктурная неоднородность3D printingmicrowave moduleprototypingadditive technologynanoinkmicrostrip sensorsmicrowave elementsmultilayer printed circuit boardsradiophysical parametersstructural heterogeneityReferencesХаралгин С.В., Куликов Г.В., Котельников А.Б., Снастин М.В., Добычина Е.М. Прототипирование СВЧ-устройств с заданными электродинамическими характеристиками по технологии аддитивной 3D-печати. Russ. Technol. J. 2019;7(1):80–101. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2019-7-1-80-101Kharalgin S.V., Kulikov G.V., Kotelnikov A.B., Snastin M.V., Dobychina E.M. Prototyping of microwave devices with specified electrodynamic characteristics using additive 3D printing technology. Russ. Technol. J. 2019;7(1):80–101 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2019-7-1-80-101Sokol D., Yamada M., Nulman J. Design and Performance of Additively Manufactured In-Circuit Board Planar Capacitors. IEEE Transactions on Electron Devices. 2021;68(11): 5747–5752. https://doi.org/10.1109/TED.2021.3117934Sokol D., Yamada M., Nulman J. Design and Performance of Additively Manufactured In-Circuit Board Planar Capacitors. IEEE Transactions on Electron Devices. 2021;68(11): 5747–5752. https://doi.org/10.1109/TED.2021.3117934Li M., Yang Y., Nulman J., Yamada M., Iacopi F. Unique multi-level metal layer electronics solutions offered by advanced 3D printing. In: 2022 6th IEEE Electron Devices Technology & Manufacturing Conference (EDTM). 2022. P. 144–144. https://doi.org/10.1109/EDTM53872.2022.9798133Li M., Yang Y., Nulman J., Yamada M., Iacopi F. Unique multi-level metal layer electronics solutions offered by advanced 3D printing. In: 2022 6th IEEE Electron Devices Technology & Manufacturing Conference (EDTM). 2022. P. 144–144. https://doi.org/10.1109/EDTM53872.2022.9798133de Marzo G., Mastronardi V.M., Algieri L., et al. Sustainable, Flexible, and Biocompatible Enhanced Piezoelectric Chitosan Thin Film for Compliant Piezosensors for Human Health. Advanced Electronic Materials. 2022. https://doi.org/10.1002/aelm.202200069de Marzo G., Mastronardi V.M., Algieri L., et al. Sustainable, Flexible, and Biocompatible Enhanced Piezoelectric Chitosan Thin Film for Compliant Piezosensors for Human Health. Advanced Electronic Materials. 2022. https://doi.org/10.1002/aelm.202200069Wu S.-Y., Yang C., Hsu W., Lin L. 3D-printed microelectronics for integrated circuitry and passive wireless sensors. Microsyst. Nanoeng. 2015;1(1):15013. https://doi.org/10.1038/micronano.2015.13Wu S.-Y., Yang C., Hsu W., Lin L. 3D-printed microelectronics for integrated circuitry and passive wireless sensors. Microsyst. Nanoeng. 2015;1(1):15013. https://doi.org/10.1038/micronano.2015.13Li M., Yang Y., Iacopi F., Yamada M., Nulman J., et al. Compact multilayer bandpass filter using low-temperature additively manufacturing solution. IEEE Trans. Electron Devices. 2021;68(7):3163–3169. https://doi.org/10.1109/TED.2021.3072926Li M., Yang Y., Iacopi F., Yamada M., Nulman J., et al. Compact multilayer bandpass filter using low-temperature additively manufacturing solution. IEEE Trans. Electron Devices. 2021;68(7):3163–3169. https://doi.org/10.1109/TED.2021.3072926Li Y., Ge L., Wang J., et al. A Ka-band 3-D-printed wideband stepped waveguide fed magnetoelectric dipole antenna array. IEEE Trans. Antennas Propag. 2020;68(4): 2724–2735. https://doi.org/10.1109/TAP.2019.2950868Li Y., Ge L., Wang J., et al. A Ka-band 3-D-printed wideband stepped waveguide-fed magnetoelectric dipole antenna array. IEEE Trans. Antennas Propag. 2020;68(4): 2724–2735. https://doi.org/10.1109/TAP.2019.2950868Корнилов Д.Ю., Ткачев С.В., Зайцев Е.В., Ким В.П., Кушнир А.Е. Принтерные технологии в электронике. Материалы и устройства для печати – первый российский семинар (Москва, 15.12.2017). РЭНСИТ. 2017;9(2):181–204.Kornilov D.Yu., Tkachev S.V., Zaitsev E.V., Kim V.P., Kushnir A.E. Printer technologies in electronics. Materials and Devices for Printing – the First Russian Seminar (Moscow, December 15, 2017). RENSIT. 2017;9(2):181–204. https://doi.org/10.17725/rensit.2017.09.181Воруничев Д.С., Воруничева К.Ю. Текущие возможности технологии прототипирования многослойных печатных плат на 3D-принтере. Russ. Technol. J. 2021;9(4): 28–37. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2021-9-4-28-37Vorunichev D.S., Vorunicheva K.Yu. Current capabilities of prototyping technologies for multilayer printed circuit boards on a 3D printer. Russ. Technol. J. 2021;9(4):28–37 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2021-9-4-28-37Huang G.-L., Han C.-Z., Xu W., Yuan T., Zhang X. A compact 16-way high-power combiner implemented via 3-D metal printing technique for advanced radio-frequency electronics system applications. IEEE Trans. Ind. Electron. 2019;66(6):4767–4776. https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2863219Huang G.-L., Han C.-Z., Xu W., Yuan T., Zhang X. A compact 16-way high-power combiner implemented via 3-D metal printing technique for advanced radio-frequency electronics system applications. IEEE Trans. Ind. Electron. 2019;66(6):4767–4776. https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2863219Vorunichev D.S. Application of Additive Technology for 3D Printing of Electronic Devices as a Way to Reduce Prototyping Time. In: Proceedings of the 2021 IEEE International Conference on Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies (IT&QM&IS). 2021. P. 480–483. https:// doi.org/10.1109/ITQMIS53292.2021.9642806Vorunichev D.S. Application of Additive Technology for 3D Printing of Electronic Devices as a Way to Reduce Prototyping Time. In: Proceedings of the 2021 IEEE International Conference on Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies (IT&QM&IS). 2021. P. 480–483. https://doi.org/10.1109/ITQMIS53292.2021.9642806Vorunichev D.S. Prototyping Electronic Devices on a Dragonfly 3D Printer as a Means of Preserving Original Developments inside the Design Center. In: Proceedings of the 2021 IEEE International Conference on Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies (IT&QM&IS). 2021. P. 472–475. https://doi.org/10.1109/ITQMIS53292.2021.9642911Vorunichev D.S. Prototyping Electronic Devices on a Dragonfly 3D Printer as a Means of Preserving Original Developments inside the Design Center. In: Proceedings of the 2021 IEEE International Conference on Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies (IT&QM&IS). 2021. P. 472–475. https://doi.org/10.1109/ITQMIS53292.2021.9642911Костин М.С., Ярлыков А.Д. Радиоволновая технология резонансной газосенсорной СВЧ-телеметрии. Russ. Technol. J. 2021;9(1):18–28. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2021-9-1-18-28Kostin M.S., Yarlykov A.D. Radiowave technology of resonant gas-sensor microwave telemetry. Russ. Technol. J. 2021;9(1):18–28 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2021-9-1-18-28Li M., Yang Y., Iacopi F., Nulman J., Chappel-Ram S. 3D-printed low-profile single-substrate multi-metal layer antennas and array with bandwidth enhancement. IEEE Access. 2020;8:217370–217379. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3041232Li M., Yang Y., Iacopi F., Nulman J., Chappel-Ram S. 3D-printed low-profile single-substrate multi-metal layer antennas and array with bandwidth enhancement. IEEE Access. 2020;8:217370–217379. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3041232

The authors declare that there are no conflicts of interest present.