Nano Dimension和UTS 合作開發(fā)3D打印5G天線陣列，共同邁向精密AMES

2021年10月11日，南極熊獲悉，悉尼科技大學（UTS）ProtoSpace和納米維度公司（Nano Dimension）已經(jīng)合作開展了一個試點項目，以加速5G AME設(shè)備的開發(fā)。一直以來，Nano Dimension都是作為增材制造電子產(chǎn)品（AME）行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的工業(yè)3D打印機制造商而聞名。

利用Nano Dimension公司的DragonFlyLDM 3D打印系統(tǒng)，此兩家合作伙伴制造了5G毫米波天線封裝（AiP）設(shè)計。據(jù)報道，這些設(shè)計提供了增強的帶寬，同時彌補了AME AiP和芯片之間的差距。

據(jù)合作伙伴稱，天線陣列原型的成功打印為5G消費類移動電子產(chǎn)品開辟了巨大的可能性。

△Nano Dimension公司的DragonFlyLDM 3D打印技術(shù)正在運行中。照片來自Nano Dimension公司。

The DragonFly LDM 3D打印機

Nano Dimension公司的旗艦產(chǎn)品——DragonFly LDM系統(tǒng)是它們公司AME能力背后的驅(qū)動力，它將自由形狀的幾何圖形與嵌入式電子裝置結(jié)合起來。這款打印機配備了兩個噴墨打印頭，可同時打印導(dǎo)電銀納米墨水（形成印刷電路的大部分連接）和電介質(zhì)光聚合物墨水（為周圍結(jié)構(gòu)提供機械支持、熱阻和電絕緣）。

今年4月份，NanoDimension公司收購了機器學習公司DeepCube，此后將該公司的深度學習專長用于開發(fā)基于機器學習的分布式電子制造網(wǎng)絡(luò)。這項平臺實現(xiàn)了對該公司全球3D打印機網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字控制，使得打印機能夠不斷地自我學習并提高其效率。

不久之后，Nano Dimension公司還收購了微型3D打印機開發(fā)商Nanofabrica公司，并將該公司的技術(shù)整合到其機器中，以進一步推動精密高性能電子設(shè)備（Hi-PEDs）的3D打印。

通過這些收購，Nano Dimension公司正在尋求解決由于供應(yīng)鏈問題和印刷電路板（PCB）制造商面臨的日益增長的利潤壓力而導(dǎo)致的全球范圍內(nèi)持續(xù)的半導(dǎo)體芯片短缺問題。

最近，Nano Dimension公司宣布與弗勞恩霍夫制造工程和自動化研究所（Fraunhofer IPA）合作，專門為機電系統(tǒng)的生產(chǎn)開發(fā)新的自由形態(tài)3D打印和裝配工藝。在為期兩年的項目結(jié)束時，Nano Dimension公司希望能將這些工藝整合到其DragonFly LDM系統(tǒng)中。

△Nano Dimension公司的DragonFlyLDM 3D電子打印機。照片來自Nano Dimension公司。

推進精密電子元件的開發(fā)

位于悉尼市中心的ProtoSpace UTS是澳大利亞最先進的增材制造設(shè)施中心之一，它可以提供先進的3D打印和掃描技術(shù)。

ProtoSpace UTS和NanoDimension之間的試點項目由UTS技術(shù)實驗室毫米波集成電路和天線小組組長楊揚博士領(lǐng)導(dǎo)。Yang與Francesca Lacopi教授和Nano Dimension的研發(fā)團隊合作，共同推進3D打印毫米波/太赫茲天線和電路的研發(fā)，并為太空領(lǐng)域利用5G貢獻了力量。

這些合作伙伴一直致力于建立一個無線生態(tài)系統(tǒng)，使數(shù)十億的高速無線設(shè)備和在毫米波頻段工作的高度集成的AME設(shè)備天線能夠被封裝在移動設(shè)備上。

不過要實現(xiàn)這一目標，在開啟5G物聯(lián)網(wǎng)新時之前，他們?nèi)匀幻媾R著幾個挑戰(zhàn)。5G AME設(shè)備的開發(fā)仍處于起步階段，由于毫米波AiPs的成本高、生產(chǎn)周期長，使得定制原型和概念驗證困難重重。

此外，由于傳統(tǒng)設(shè)備天線的收益已經(jīng)達到極限，因此在數(shù)字環(huán)境中仍然迫切需要高速可轉(zhuǎn)向的多波束移動天線。

該團隊還負責研究如何在不影響其關(guān)鍵性能的情況下，實現(xiàn)天線陣列的集成和小型化封裝最優(yōu)化。

為了解決這些問題，楊和他的團隊在UTS和Nano Dimension開展的試點項目的概念驗證基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種用于生產(chǎn)5G毫米波AiP設(shè)計的新型AME工藝。據(jù)報道，該工藝可以制造出具有定制封裝外形的單襯底多導(dǎo)電層，而不會對保密性或知識產(chǎn)權(quán)安全造成風險。

△Nano Dimension公司的AME3D打印技術(shù)通過沉積兩種不同類型的墨水來工作。圖片來自Nano Dimension公司。

制造天線陣列

研究團隊通過使用DragonFly LDM，開發(fā)出基于壓電3D打印的AME工藝，并生產(chǎn)了幾個單基板多金屬層天線。金屬層被垂直堆疊到3D打印的單一基板中，形成了一個天線原型，表現(xiàn)出寬帶寬和超低輪廓的優(yōu)勢。

為了證明他們的概念，該團隊設(shè)計并3D打印了多層線性極化（LP）貼片天線元件和2×2 LP天線陣列。所謂的 "饋電網(wǎng)絡(luò)"可以被集成到天線陣列元件的同一基板上，而不增加陣列的尺寸和外形。

與傳統(tǒng)的單層LP貼片天線相比，該團隊的裝置將阻抗帶寬從5.9%提高到10.9%（三層），以及83%（七層）。該團隊的設(shè)計可以在厚度僅為1.5毫米的單一襯底中制造，使其適用于期待超低輪廓和寬頻貼片天線的應(yīng)用。

在此之后，合作伙伴又生產(chǎn)了圓極化（CP）貼片天線元件和2×2 CP天線陣列，這驗證了該團隊的垂直金屬層堆疊方法得可行性，可以獲得更寬的阻抗帶寬和更廣泛的3dB以下的軸向比率的頻率范圍。天線的設(shè)計頻率為6GHz以下，為5G消費類移動電子產(chǎn)品內(nèi)的應(yīng)用提供了相當大的潛力。

研究團隊認為，其AME AiP技術(shù)能夠無縫銜接AME AiP和芯片之間的差距，同時提供比傳統(tǒng)制造方法便宜得多的原型設(shè)計成本。他們認為，這些因素將有助于實現(xiàn)AME AiP的初始概念驗證和定制原型，從而加速5G AME設(shè)備天線在太空和消費移動電子等行業(yè)的發(fā)展。