□ 李梅竹

陜西廣播電視大學(xué)工程管理系 西安 710119

電子產(chǎn)品的發(fā)展——以手機為例，正朝著大屏、輕薄、個性化等趨勢發(fā)展，而電子產(chǎn)品內(nèi)在的天線制造技術(shù)也發(fā)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(nèi)置天線，天線的制造技術(shù)發(fā)展更是日新月異。

3D打印技術(shù)被稱為具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)［1］。近兩年來，這種技術(shù)的發(fā)展尤為迅猛，3D打印現(xiàn)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(shù)中的3D-MID激光打印技術(shù)，已經(jīng)在手機等常用電子產(chǎn)品天線制造領(lǐng)域中大規(guī)模使用。

1 手機天線的發(fā)展

1.1 手機天線簡介

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

1）外置天線。優(yōu)點是頻帶范圍寬、接受信號穩(wěn)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(dǎo)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(yīng)用較少。

2）內(nèi)置天線。內(nèi)置天線集成在手機內(nèi)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?，F(xiàn)在手機上天線數(shù)量越來越多，內(nèi)置天線可以很方便組陣，從而實現(xiàn)手機天線的智能化。

1.2 手機內(nèi)置天線制造技術(shù)演進及對比

內(nèi)置天線是目前手機天線的主流［6］，內(nèi)置天線制造技術(shù)的演進如圖1所示。以3D-MID為核心的技術(shù)，是目前天線制造技術(shù)發(fā)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(yōu)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(dǎo)致天線實際可利用的區(qū)域??；②和其它殼體的設(shè)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(diào)試，也可能會導(dǎo)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(yōu)點，它具有可連續(xù)自動化生產(chǎn)、配線密度高、質(zhì)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(yīng)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(nèi)置天線制造技術(shù)的演進圖

優(yōu)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(qū)域比較大；②與殼體設(shè)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(nèi)部走線，修改后不需要重新開模，后期調(diào)試只需要支架修模即可。缺點為成本略高，但隨著大規(guī)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(yōu)點是：科技感十足、超薄、強度好；缺點是工藝復(fù)雜、價格超高、調(diào)試難度大、周期長。目前，只有蘋果手機在使用該項技術(shù)。

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(shù)是指在注塑成型的塑料殼體表面，制作有電氣功能的導(dǎo)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(dǎo)電圖形結(jié)合而產(chǎn)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(shù)最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域，替代普通內(nèi)置天線，將天線作為手機結(jié)構(gòu)件中的一部分，有效利用了空間。

相比傳統(tǒng)天線，其優(yōu)點如下。

1）3D-MID技術(shù)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(shè)計要求沒那么嚴格，且天線的有效利用空間大，可以節(jié)省出更多的設(shè)計空間，讓手機做得更加纖薄。

2）設(shè)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(jù)實際天線調(diào)試情況，快速進行設(shè)計變化，而不用像傳統(tǒng)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(shù)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(chǎn)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(nèi)，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(shè)計，這是傳統(tǒng)天線制作技術(shù)無法實現(xiàn)的。

6）生態(tài)經(jīng)濟方面的優(yōu)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(shù)量和種類都有所下降，循環(huán)利用和處理容易。

2 3D-MID技術(shù)在天線制造中的應(yīng)用

2.1 3D-MID在天線設(shè)計中的規(guī)范

采用3D-MID技術(shù)制造天線，對殼體設(shè)計要求更為寬泛，但為了實現(xiàn)更好的天線性能，必須有一定的設(shè)計規(guī)范要求，設(shè)計規(guī)范如下。

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

2）殼體設(shè)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(dāng)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(nèi)，太高的毛刺會導(dǎo)致天線覆蓋出現(xiàn)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(shè)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(yīng)的臺階過渡越平緩越好。

5）槽深度不要超過1 mm，內(nèi)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(jù)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(jīng)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(jù)此數(shù)值可精確給出天線覆蓋面積。

▲圖2 設(shè)計規(guī)范1

▲圖3 設(shè)計規(guī)范2

▲圖4 設(shè)計規(guī)范3

▲圖5 工藝流程圖

7）3D-MID天線要和主板上天線饋點進行接觸，需要從殼體外表面翻轉(zhuǎn)到殼體內(nèi)表面，一般有兩種形式：一種是從殼體邊緣翻過來，該形式按照上述設(shè)計規(guī)范做即可；另一種是通過殼體上通孔翻轉(zhuǎn)，要求通孔直徑不小于1.0 mm，通孔深度不小于1.2 mm，通孔邊緣圓角不小于0.5 mm，具體可參考圖4（b）。

8）3D-MID成型的天線厚度可做到20 μm以內(nèi)，通過表面噴漆遮蓋，可直接做在手機的外觀面。外觀面的設(shè)計要求除了滿足以上設(shè)計規(guī)范以外，噴漆也有要求。為了保證外觀平整，需要進行多次噴涂并反復(fù)打磨；為了不影響天線性能，不能使用金屬性質(zhì)的表面處理，例如金屬漆、電鍍等。

2.2 3D-MID技術(shù)的發(fā)展趨勢

3D-MID包含多種技術(shù)，其常用的技術(shù)見表1，工藝流程如圖5所示，未來發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢［8］。

目前運用最多的是LDS技術(shù)，LDS即激光直接成型技術(shù)。已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于通信、汽車電子、機電設(shè)備、醫(yī)療器械等應(yīng)用領(lǐng)域。

LDS技術(shù)主要缺點：①需要采用專用激光改性有機材料，為了制作LDS天線，整個手機殼體都需要采用專用材料，成本上升較多；②打樣周期長，需要3-5天；③需要化學(xué)鍍，環(huán)保性能略差。

表1 3D-MID常用的技術(shù)

針對以上缺點，近年來LAP、LSC、LRP等技術(shù)也取得了一定發(fā)展，以上3種技術(shù)都可以通過普通材料來實現(xiàn)制作天線，價格相對LDS便宜。其中LRP采用激光銀漿印刷制作電路圖，不需要化學(xué)鍍來實現(xiàn)，打樣周期更短，一天內(nèi)可實現(xiàn)，也更環(huán)保。綜上所述，LRP的技術(shù)前景更廣闊，也是目前發(fā)展的方向之一。

3 應(yīng)用實例

3D-MID技術(shù)已在手機上大量采用，尤其是中高端手機，應(yīng)用已非常成熟，下面以實例介紹其應(yīng)用。

圖6為實例手機后殼內(nèi)外表面，從內(nèi)表面可以看出總共有4處天線。標(biāo)識4為LDS天線，圖7為局部放大視圖。

參照其工藝流程可知：標(biāo)識1白色底材注塑成型；標(biāo)識2 LDS鍍層形成天線；標(biāo)識3和4為常規(guī)表面處理，噴底漆再噴面漆。最終形成成品外殼。

▲圖6 手機后殼內(nèi)外表面實例圖

▲圖7 局部放大視圖

4 結(jié)論

3D-MID技術(shù)的應(yīng)用不僅僅局限于天線制造上，隨著電子設(shè)備集成度的提高，通信設(shè)備的體積也越來越小，其中的電子組件就需要減小自身尺寸。在這背景下，通過激光三維精密加工工藝創(chuàng)新，實現(xiàn)與載體同型的3D-MID加工工藝技術(shù)，發(fā)展前景會越來越廣。

［1］王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路［J］.經(jīng)濟縱橫，2013（1）：90-94.

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［5］張靜.內(nèi)置天線的設(shè)計與選型［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24（2）：105-107.

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