マイクロ光造形は電子部品の小型化と大量生産に新たな可能性をもたらす

はじめに: 電子部品の小型化と高精度化がトレンドになりつつあり、製造技術にも大きな課題が生じています。精密 SLA テクノロジーと材料を使用することで、真の mmWave 周波数帯域の受動コンポーネントと能動コンポーネントのカスタム、少量生産、さらには大量生産への新たな道が開かれます。

無線、さらには有線回路の動作周波数が急速に増加していることは、目新しいことではありません。現実には、つい最近まで 1 ～ 2 GHz での動作はテストベンチの成果と考えられていましたが、現在では 30 ～ 300 GHz (mmWave) をターゲットとする量販消費者向け製品があり、5G の導入により動作周波数は急速に上昇しています。物理的な影響はよく知られています。周波数が増加し、波長が減少すると、コンポーネント、ボードのトレース幅、および関連するすべての寸法と許容誤差が減少します。

寸法が小さいため、コネクタなどの基本的なコンポーネントの製造と使用も大きな課題となります。例えば、同軸ケーブルの直径は約1～2mmです。コネクタと導波管にも常に厳しい寸法公差があり、ある程度の堅牢性が求められます。しかし、表面仕上げや滑らかさなど、以前は低周波数では「軽微な」問題であったものが、現在ではコネクタや回路基板ラミネートなどの電気的性能に大きな影響を与える可能性があります。このような小さな表面やコネクタの加工は、別の観点から見ると、非シリコン全金属 MEMS 製造です。

2022年6月12日、アンタークティックベアは、英国バーミンガム大学の研究者とメーカーが、現在主流となっている別のより洗練された最先端技術を使用してこの問題を解決する方法を研究していることを知りました。 3Dプリンティングや積層造形（AM）としても知られるステレオリソグラフィー（SLA）技術は、従来は精密機械加工やエッチングに依存していた小型コネクタやその他の部品の製造における障壁を克服するために使用されています。この技術は、起動と設備準備の作業が大きく、コストが比較的高い小規模から中規模のバッチ生産に特に適しています。しかし、大量生産であっても、高価な回路キャビティ構造、金型、固定具、およびこれらの小型デバイスの製造に必要なその他の機器の必要な精度と仕上げを正当化することはできません。

しかし、なぜ受動部品の使用をやめるのでしょうか?非常に興味深い例の 1 つは、英国バーミンガム大学のチームによって設計された統合導波管を備えたアクティブデバイスです。このデバイスでは、コンポーネント間の相互接続が主な課題となっています。チームは、周波数範囲が 62.5 GHz ～ 125 GHz のショットキーダイオード周波数 2 倍器を設計および製造しました。はい、12.5GHzではなく125GHzです。高精度SLA印刷プロセスを採用し、コンポーネントに分離された導波管構造を採用しています。彼らの発表された論文を参照してください: ステレオリソグラフィー/3D 印刷を使用して製造された 125 GHz 導波路キャビティ周波数ダブラーは、マルチ GHz コンポーネントの制約に挑戦します。

関連論文リンク: https://www.planetanalog.com/3d- ... 72.1636460833&_gl=1*dnuum5*_ga*NDk0NTI4OTcyLjE2MzY0NjA4MzM.*_ga_ZLV02RYCZ8*MTY1NTAxNDY4OC41LjEuMTY1NTAxNTYzNS4w#

導波管キャビティとその導波管フランジは、BMF Boston Micro Fabring のシステムを使用して印刷されました。このシステムは、図 1 および 2 に示すように、投影マイクロステレオリソグラフィー (PμSL) 技術を使用します。

図 1: 125 GHz 周波数逓倍器の構造。(a) 分割ブロックレイアウトと (b) ショットキーダイオード MMIC のクローズアップを示しています。出典: バーミンガム大学図 2: SLA プロセスを使用して製造されたプレハブポリマー導波路の写真 (左) と、MMIC が配置されている領域の光学顕微鏡画像 (右)。出典: バーミンガム大学印刷されたポリマー導波管コンポーネントは、銅と薄い金の保護層でメッキされています。彼らは、印刷された導波管コンポーネントの表面粗さを特徴付け、重要な寸法を測定しました。データは、印刷品質が良好であり、精度がこのようなテラヘルツアクティブデバイスの厳しい許容範囲要件を満たしていることを示しました (図 3 を参照)。

図 3: 製造された周波数倍増器の画像、(a) 3D プリントされた導波管スプリッター内に配置された製造された MMIC、および (b) 組み立てられた周波数倍増器。出典: バーミンガム大学 SLA を使用して初めて製造されたとされるこの周波数逓倍器は、導波管内に製造された厚さ 20μm の GaAs ショットキーダイオードモノリシックマイクロ波集積回路 (MMIC) で構成されています。 126 GHz での最大出力は 33 mW、入力電力は 100 mW です。重要な性能指標として、入力電力が80mW～110mWのとき、ピーク変換効率は約32%です。

ショットキーダイオードの設計周波数 2 倍器の設計で使用される一般的な手法は、図 4 に示すように、基本周波数信号によって駆動される非線形要素 (この場合はダイオード) を使用して高調波を生成することです。

図 4: 上の図は非線形素子を使用した周波数逓倍器のブロック図、下の図は周波数逓倍器のコア回路の回路図です。出典: QSL.net。
もちろん、mmWave 周波数の場合、これらの繊細で個別の統合コンポーネントは、線型回路図の単純なシンボルの場合と mmWave 回路での動作が大きく異なるため、単純な回路図では、実際に周波数逓倍器を構築するために実際に必要なものについて、それほど多くのことを伝えることはできません。高精度 SLA とそのサポート材料の使用により、真の mmWave 周波数帯域の受動コンポーネントと能動コンポーネントのカスタム、少量生産、さらには大量生産への新たな道が開かれます。

将来的には、従来の精密技術では実現が困難または不可能なコンポーネントの設計と製造に精密 SLA が使用されるようになるでしょう。この技術により、RF 設計がはるかに容易になります。

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