Nano Dimension和UTS 合作開(kāi)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(xué)（UTS）ProtoSpace和納米維度公司（Nano Dimension）已經(jīng)合作開(kāi)展了一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，以加速5G AME設(shè)備的開(kāi)發(fā)。一直以來(lái)，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(jī)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(jì)。據(jù)報(bào)道，這些設(shè)計(jì)提供了增強(qiáng)的帶寬，同時(shí)彌補(bǔ)了AME AiP和芯片之間的差距。

據(jù)合作伙伴稱(chēng)，天線陣列原型的成功打印為5G消費(fèi)類(lèi)移動(dòng)電子產(chǎn)品開(kāi)辟了巨大的可能性。

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

The DragonFly LDM 3D打印機(jī)

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(dòng)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(lái)。這款打印機(jī)配備了兩個(gè)噴墨打印頭，可同時(shí)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?chē)�結(jié)構(gòu)提供機(jī)械支持、熱阻和電絕緣）。

今年4月份，NanoDimension公司收購(gòu)了機(jī)器學(xué)習(xí)公司DeepCube，此后將該公司的深度學(xué)習(xí)專(zhuān)長(zhǎng)用于開(kāi)發(fā)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分布式電子制造網(wǎng)絡(luò)。這項(xiàng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)該公司全球3D打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字控制，使得打印機(jī)能夠不斷地自我學(xué)習(xí)并提高其效率。

不久之后，Nano Dimension公司還收購(gòu)了微型3D打印機(jī)開(kāi)發(fā)商N(yùn)anofabrica公司，并將該公司的技術(shù)整合到其機(jī)器中，以進(jìn)一步推動(dòng)精密高性能電子設(shè)備（Hi-PEDs）的3D打印。

通過(guò)這些收購(gòu)，Nano Dimension公司正在尋求解決由于供應(yīng)鏈問(wèn)題和印刷電路板（PCB）制造商面臨的日益增長(zhǎng)的利潤(rùn)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(wèn)題。

最近，Nano Dimension公司宣布與弗勞恩霍夫制造工程和自動(dòng)化研究所（Fraunhofer IPA）合作，專(zhuān)門(mén)為機(jī)電系統(tǒng)的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)新的自由形態(tài)3D打印和裝配工藝。在為期兩年的項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，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(jī)。照片來(lái)自Nano Dimension公司。

推進(jìn)精密電子元件的開(kāi)發(fā)

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

ProtoSpace UTS和NanoDimension之間的試點(diǎn)項(xiàng)目由UTS技術(shù)實(shí)驗(yàn)室毫米波集成電路和天線小組組長(zhǎng)楊揚(yáng)博士領(lǐng)導(dǎo)。Yang與Francesca Lacopi教授和Nano Dimension的研發(fā)團(tuán)隊(duì)合作，共同推進(jìn)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(xiàn)了力量。

這些合作伙伴一直致力于建立一個(gè)無(wú)線生態(tài)系統(tǒng)，使數(shù)十億的高速無(wú)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(dòng)設(shè)備上。

不過(guò)要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在開(kāi)啟5G物聯(lián)網(wǎng)新時(shí)之前，他們?nèi)匀幻媾R著幾個(gè)挑戰(zhàn)。5G AME設(shè)備的開(kāi)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(zhǎng)，使得定制原型和概念驗(yàn)證困難重重。

此外，由于傳統(tǒng)設(shè)備天線的收益已經(jīng)達(dá)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(dòng)天線。

該團(tuán)隊(duì)還負(fù)責(zé)研究如何在不影響其關(guān)鍵性能的情況下，實(shí)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(wèn)題，楊和他的團(tuán)隊(duì)在UTS和Nano Dimension開(kāi)展的試點(diǎn)項(xiàng)目的概念驗(yàn)證基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種用于生產(chǎn)5G毫米波AiP設(shè)計(jì)的新型AME工藝。據(jù)報(bào)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(huì)對(duì)保密性或知識(shí)產(chǎn)權(quán)安全造成風(fēng)險(xiǎn)。

△Nano Dimension公司的AME3D打印技術(shù)通過(guò)沉積兩種不同類(lèi)型的墨水來(lái)工作。圖片來(lái)自Nano Dimension公司。

制造天線陣列

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用DragonFly LDM，開(kāi)發(fā)出基于壓電3D打印的AME工藝，并生產(chǎn)了幾個(gè)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(gè)天線原型，表現(xiàn)出寬帶寬和超低輪廓的優(yōu)勢(shì)。

為了證明他們的概念，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)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(yàn)證了該團(tuán)隊(duì)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(jì)頻率為6GHz以下，為5G消費(fèi)類(lèi)移動(dòng)電子產(chǎn)品內(nèi)的應(yīng)用提供了相當(dāng)大的潛力。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，其AME AiP技術(shù)能夠無(wú)縫銜接AME AiP和芯片之間的差距，同時(shí)提供比傳統(tǒng)制造方法便宜得多的原型設(shè)計(jì)成本。他們認(rèn)為，這些因素將有助于實(shí)現(xiàn)AME AiP的初始概念驗(yàn)證和定制原型，從而加速5G AME設(shè)備天線在太空和消費(fèi)移動(dòng)電子等行業(yè)的發(fā)展。