3D-MID技術在電子產品天線制造領域的應用

2015-04-19 02:03:11李梅竹

機械制造 2015年11期

□ 李梅竹

陜西廣播電視大學工程管理系西安 710119

電子產品的發展——以手機為例，正朝著大屏、輕薄、個性化等趨勢發展，而電子產品內在的天線制造技術也發生了翻天覆地的變化。同樣以手機天線為例，從外置天線演變到內置天線，天線的制造技術發展更是日新月異。

3D打印技術被稱為具有工業革命意義的制造技術［1］。近兩年來，這種技術的發展尤為迅猛，3D打印現在可以制造從玩具模型到汽車、房屋、飛機、器官等各種類型和各種尺寸的物體［2］。作為3D打印技術中的3D-MID激光打印技術，已經在手機等常用電子產品天線制造領域中大規模使用。

1 手機天線的發展

1.1 手機天線簡介

一切無線電通信、廣播、雷達、導航等系統都是利用無線電波來進行工作的，而無線電波的發射與接收則是依靠天線來完成［3］。在無線通信系統中，手機天線負責接收空間的射頻能量，并分配這些信號，用之于信號發射［4］。手機天線按照所處的位置分為外置和內置兩大類。

1）外置天線。優點是頻帶范圍寬、接受信號穩定、制造簡單、費用低。缺點是天線暴露于手機體外易于損壞，天線靠近人體時導致性能變壞，不易添加諸如反射層和保護層等以減小天線對人體的輻射傷害等［5］，并且天線外露，影響手機外觀。因此，目前外置天線應用較少。

2）內置天線。內置天線集成在手機內部，具有的特點是：可以縮小外形，不易損壞，可以安放在手機中遠離人腦的部分，而在靠近人腦的部分貼上反射層和保護層，減小天線對人體的輻射傷害。現在手機上天線數量越來越多，內置天線可以很方便組陣，從而實現手機天線的智能化。

1.2 手機內置天線制造技術演進及對比

內置天線是目前手機天線的主流［6］，內置天線制造技術的演進如圖1所示。以3D-MID為核心的技術，是目前天線制造技術發展的最前沿。

1.2.1 Metal天線

Metal天線，即金屬天線，采用不銹鋼熱熔在天線支架上，優點為成本低。但缺點是：①不能做成弧面，只能做成平面或大斜面，導致天線實際可利用的區域??；②和其它殼體的設計間隙要求在0.5 mm以上（不銹鋼厚度0.15 mm，熱燙柱高度0.25 mm，間隙0.1 mm）；③ 不銹鋼片和天線支架的制造需要開模；后期天線的調試，也可能會導致不銹鋼片和天線支架多次修模。

1.2.2 FPCB天線

FPCB即柔性印刷電路板，是一種利用柔性基材制成的具有圖形的印刷電路板。得益于FPCB本身的優點，它具有可連續自動化生產、配線密度高、質量輕、體積小、配線錯誤少以及可撓性及可彈性改變形狀等特性。FPCB在天線上應用非常廣泛，可以貼在支架或者直接貼在手機殼體上。

▲圖1 內置天線制造技術的演進圖

優點：①具有柔性特性，除了貼在平面或大斜面，也可貼在大弧面上（主要是單曲面），天線可利用區域比較大；②與殼體設計間隙要求為0.2～0.3 mm（FPCB厚度一般為0.1～0.15 mm，間隙0.1 mm）；③雖然FPCB和支架都需要開模，但FPCB開模后可修改內部走線，修改后不需要重新開模，后期調試只需要支架修模即可。缺點為成本略高，但隨著大規模使用以及工藝的改進，成本會下降。

1.2.3 2-Shot天線

2-Shot即雙色注塑，金屬和塑膠注塑在一起，金屬部分作為天線。IPhone5、IPhone5s/c即采用這種天線形式。這種方式的優點是：科技感十足、超薄、強度好；缺點是工藝復雜、價格超高、調試難度大、周期長。目前，只有蘋果手機在使用該項技術。

1.2.4 3D-MID天線

3D-MID（Three-dimensional Molded Intercon-nect Device的簡稱），即三維模塑互連器或電子組件。3DMID技術是指在注塑成型的塑料殼體表面，制作有電氣功能的導線、圖形，制作或安裝元器件，將普通的電路板具有的電氣互連功能、支承元器件功能和塑料殼體的支撐與防護等功能，以及由機械實體與導電圖形結合而產生的屏蔽、天線等功能集于一體，形成所謂三維模塑互連器件，也就是指在注塑成型的塑料殼體表面上制作具有電氣功能的三維電路，它集機械功能和電子功能于一體［7］。

手機天線制造是3D-MID技術最成熟的應用領域，替代普通內置天線，將天線作為手機結構件中的一部分，有效利用了空間。

相比傳統天線，其優點如下。

1）3D-MID技術作用在殼體表面，直接在塑殼上進行3D線路鐳雕。對手機殼體的設計要求沒那么嚴格，且天線的有效利用空間大，可以節省出更多的設計空間，讓手機做得更加纖薄。

2）設計可變換，彈性自由。因為是直接在成型殼體上制作天線，可以根據實際天線調試情況，快速進行設計變化，而不用像傳統天線那樣，重新打樣后再裝配。

3）天線成型在殼體表面，無須單獨開模，減少了零組件數目，成本降低。

4）制程簡化，流程管控較容易，精度很高，線寬線距可縮短至150 μm，提高了產品可靠性和一致性。

5）3D-MID成型的天線厚度可做到20 μm以內，通過噴漆遮蓋，直接做在手機外觀面上，且不破壞手機整體造型設計，這是傳統天線制作技術無法實現的。

6）生態經濟方面的優勢。由于制造流程短，直接用殼體作為互連載體，投入制造的材料數量和種類都有所下降，循環利用和處理容易。

2 3D-MID技術在天線制造中的應用

2.1 3D-MID在天線設計中的規范

采用3D-MID技術制造天線，對殼體設計要求更為寬泛，但為了實現更好的天線性能，必須有一定的設計規范要求，設計規范如下。

1）3D-MID天線。根據其本身制造精度，一般覆蓋不到殼體邊緣，需要預留0.1 mm以上的間隙，如圖2（a）所示。

2）殼體設計。面與面之間不能直角過渡，至少采用R0.3 mm的圓角過渡，如果是外觀面，圓角需適當加大，避免磨損，如圖2（b）所示。

3）毛刺高度需要控制在0.02 mm以內，太高的毛刺會導致天線覆蓋出現斷裂，影響天線性能，如圖3（a）所示。

4）臺階面需要采用斜面過渡，具體設計要求如圖3（b）所示。其中 A=B×1.5，因子 1.5越大越好，對應的臺階過渡越平緩越好。

5）槽深度不要超過1 mm，內角圓角大于0.5 mm，如圖3（c）所示。

6）整個3D-MID天線覆蓋面需要下沉0.15 mm以上，如圖4（a），B≥0.15 mm，避免天線覆蓋層被刮傷。而根據不同的下沉深度，考慮工藝能達到的精度，天線覆蓋與沉槽邊緣距離也不相同，經驗值約為：0＜B＜0.5，A≥0.3；0.5≤B＜1， A≥1.0；1.0＜B＜1.5， A≥1.5；1.5＜B＜4.0， A≥2.0。或者更保守的策略采用 A∶B=1.5∶1，根據此數值可精確給出天線覆蓋面積。