Исследование профилограммной структуры микрополосковых СВЧ-модулей, изготовленных по аддитивной технологии трехмерной печати

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

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. 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.

1. Харалгин 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-2019-7-1-80-101

2. Sokol 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.2021.3117934

3. Li 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/EDTM53872.2022.9798133

4. de 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.202200069

5. Wu 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.2015.13

6. Li 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.2021.3072926

7. Li 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.2019.2950868

8. Корнилов 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.

9. Воруничев 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-2021-9-4-28-37

10. Huang 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.2018.2863219

11. Vorunichev 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/ITQMIS53292.2021.9642806

12. Vorunichev 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/ITQMIS53292.2021.9642911

13. Костин 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-2021-9-1-18-28

14. Li 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