目前，市場上常見的無源RFID標(biāo)簽芯片和絕緣基材的性能、價格基本上相差不多，因而無源RFID標(biāo)簽的優(yōu)劣集中體現(xiàn)在天線的制作工藝和成本上。圖1所示為無源RFID標(biāo)簽的制造過程。
從工藝上講，無源RFID標(biāo)簽天線的制作工藝有以下3種：銅導(dǎo)線繞制工藝、金屬箔蝕刻工藝和印刷工藝。銅導(dǎo)線繞制工藝制作速度慢、成本高、天線的環(huán)境協(xié)調(diào)性差，目前常用于制作頻率在135kHz以下的低頻RFID標(biāo)簽的天線。
金屬箔蝕刻工藝是印制金屬電路板的標(biāo)準(zhǔn)方法，但是將其制作無源RFID標(biāo)簽天線卻存在如下缺陷：①成本高;②精度低;③標(biāo)簽尺寸大;④效率低;⑤污染環(huán)境;⑥標(biāo)簽底材單一，標(biāo)簽應(yīng)用領(lǐng)域有限;⑦防金屬屏蔽、防水、抗折等環(huán)境友好性差。用印刷工藝制作無源RFID標(biāo)簽天線是近年來被廣泛關(guān)注的一種方法，其中又以網(wǎng)印工藝制作無源RFID標(biāo)簽天線最為成熟。
具體來說，網(wǎng)印工藝印制無源RFID標(biāo)簽天線就是通過網(wǎng)印導(dǎo)電油墨，在紙張、PET、PE等承印材料上印刷天線。在這種工藝中，使用的絲網(wǎng)通常是PET絲網(wǎng)或鎳箔絲網(wǎng)等。天線線圈的墨層厚度通過改變網(wǎng)版的目數(shù)來實(shí)現(xiàn)。對于高頻RFID標(biāo)簽，其天線線圈由上下兩層導(dǎo)體回路構(gòu)成，網(wǎng)印時需要套印3次才能完成一個天線的印制。其中第2次套印時印刷的是絕緣油墨層，防止上下兩層印刷導(dǎo)線短路。
印制完成的無源RFID標(biāo)簽天線與芯片的連接一般都使用Flip-Chip工藝，即將芯片的兩個壓焊點(diǎn)向下直接放置到線圈的兩個連接端點(diǎn)上，再用導(dǎo)電膠固定，導(dǎo)電膠干燥后，芯片便與天線連接端形成持久的機(jī)械和電子連接。
網(wǎng)印工藝印制無源RFID標(biāo)簽天線具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①印刷速度快，自動化程度高;
②導(dǎo)線的均勻度好，且可印刷小間隙線圈，便于實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的小型化;
③所使用的導(dǎo)電材料少;
④產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定;
⑤印制過程無廢棄物，無污染，符合國家綠色環(huán)保的要求。
網(wǎng)印工藝對無源RFID標(biāo)簽天線性能的影響
1.網(wǎng)印無源RFID標(biāo)簽天線的穩(wěn)定性研究
在無源RFID標(biāo)簽天線的印制中，穩(wěn)定性是非常重要的前提，穩(wěn)定性高才能用于大規(guī)模批量生產(chǎn)。下面，我們通過實(shí)驗(yàn)來分析一下在相同的網(wǎng)印工藝條件下制作出來的天線的一致性。
實(shí)驗(yàn)條件：普通網(wǎng)印車間
實(shí)驗(yàn)設(shè)備：平面半自動絲網(wǎng)印刷機(jī)、普通萬能表
工藝參數(shù)：網(wǎng)版材質(zhì)為聚酯，刮板硬度為肖氏60。，刮印夾角為65°，刮板移動速度為4m/min，導(dǎo)電油墨黏度為90pa.s。
實(shí)驗(yàn)過程：印制A、B兩款無源RFID標(biāo)簽天線(如圖2～3所示)各14張，分別測定天線阻抗值，分析網(wǎng)印無源RFID標(biāo)簽天線的可靠性。結(jié)果如表1所示。通過閱讀器對天線A和B進(jìn)行閱讀實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)印制出的天線閱讀距離具有一致性。所以，網(wǎng)印工藝條件可以滿足大規(guī)模批量生產(chǎn)無源RFID標(biāo)簽天線的要求。
圖2 A款無源RFID標(biāo)簽天線
圖3 B款無源RFID標(biāo)簽天線
表1 無源RFID標(biāo)簽天線阻抗值(單位：Ω)
2.導(dǎo)電油墨性能對網(wǎng)印天線的影響
導(dǎo)電油墨與固體金屬材料的導(dǎo)電機(jī)理完全不同。導(dǎo)電油墨是將導(dǎo)電金屬微粒分散在有機(jī)聚合物連結(jié)料、溶劑和助劑中形成的導(dǎo)電漿料，導(dǎo)電金屬微粒與聚合物基體共同構(gòu)成一個復(fù)雜的迷津結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電金屬微粒之間的絕緣介質(zhì)越厚，自由電子躍遷受阻越大，其導(dǎo)電能力也就越弱。因此，導(dǎo)電油墨中導(dǎo)電金屬微粒體積分?jǐn)?shù)是衡量其電化學(xué)性能的一個重要指標(biāo)。由于導(dǎo)電油墨中的導(dǎo)電金屬微粒通常是銀粒子，因此本實(shí)驗(yàn)主要采用銀漿導(dǎo)電油墨來進(jìn)行研究。
(1)銀微粒填充量與導(dǎo)電油墨導(dǎo)電性之間的關(guān)系
在同樣的加工條件下，使用銀微粒填充量分別為40%、45%、55%、60%、70%的5種同一品牌導(dǎo)電銀漿分別印刷天線，然后測量每種天線同一長度內(nèi)的電阻值，各測量5次，再取其平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。
由此可見，導(dǎo)電油墨的銀微粒填充量高，導(dǎo)電性好;銀微粒填充量低，導(dǎo)電性差。
導(dǎo)電油墨的流動性將直接決定印刷出來的天線表面銀微粒的分布，這也是影響天線印刷效果的一個重要指標(biāo)。
下面我們通過實(shí)驗(yàn)研究導(dǎo)電油墨銀微粒填充量與導(dǎo)電油墨流動性及天線印刷效果的關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)條件：普通網(wǎng)印車間
實(shí)驗(yàn)設(shè)備：平面絲網(wǎng)印刷機(jī)、整體式光切顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、QJ23型直流電阻電橋等。
工藝參數(shù)：250目/英寸聚酯網(wǎng)版，刮板硬度為肖氏60°，刮板角度65°，刮板移動速度為3m/min。
實(shí)驗(yàn)材料：某品牌導(dǎo)電銀漿，銀微粒填充量分別是：20%、30%、40%、55%、60%、74%共6款。
實(shí)驗(yàn)過程：用上述各款導(dǎo)電銀漿在PET片基上印刷如圖4所示的天線各5份，天線設(shè)計寬度均為2mm，印刷后置于120℃烘箱內(nèi)干燥20分鐘。
將各印刷天線置于光學(xué)顯微鏡下(放大倍率為70倍)，可得到如圖5所示的天線局部放大圖。分析圖5可知：①銀微粒填充量為20%或30%的導(dǎo)電銀漿黏度小，接近聚合物基體黏度，在印刷過程中，漿料流動性好，但回彈性低，導(dǎo)線邊界模糊，有嚴(yán)重的邊滲現(xiàn)象;②銀微粒填充量為55%或60%導(dǎo)電銀漿的黏度高，在印刷過程中，漿料滾動性好，但恢復(fù)性差，在網(wǎng)版上抬后，線條邊緣可保持印刷初始狀態(tài)，但網(wǎng)線處會出現(xiàn)拉絲及鋸齒邊;③銀微粒填充量為74%的導(dǎo)電銀漿黏度太大，在印刷過程中，漿體流動性和滾動性均不理想，在承印材料上的鋪展效果差，銀微粒浮至表層，在網(wǎng)版離開承印材料的瞬間，墨膜表面凹凸不平，出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)痕、斷線及針眼;④銀微粒填充量為40%的導(dǎo)電銀漿黏度適中，漿料的流平性等印刷適性均合適，導(dǎo)線邊界清晰均勻，表面平整光潔，可達(dá)到較高的分辨率。
圖4
雖然用網(wǎng)印工藝生產(chǎn)RFID標(biāo)簽天線是目前國內(nèi)外一致認(rèn)可的最具發(fā)展前景的技術(shù)手段。但也存在如下技術(shù)瓶頸。
(1)無源RFID標(biāo)簽天線設(shè)計參數(shù)與絲網(wǎng)印刷品質(zhì)不匹配。由于印刷過程中印品質(zhì)量受到印刷壓力、網(wǎng)版拉伸等數(shù)十個因素的影響，而且各因素相互干擾，呈一個復(fù)雜的非線性相關(guān)過程，因此，無源RFID標(biāo)簽天線經(jīng)印刷后必然出現(xiàn)變形，導(dǎo)致設(shè)計尺寸與實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸不符、導(dǎo)線邊界粗糙、實(shí)際輻射效率與理論輻射效率有所偏差等現(xiàn)象。綜觀國內(nèi)外的研究成果，幾乎沒有針對這些偏差的科學(xué)控制手段，只能憑經(jīng)驗(yàn)實(shí)時監(jiān)控，頻繁調(diào)整參數(shù)值以達(dá)到局部最優(yōu)，這限制了無源RFID標(biāo)簽天線印制效率、質(zhì)量控制難度大。
(2)無源RFID標(biāo)簽天線的輻射效率受到導(dǎo)電油墨金屬銀含量的制約。根據(jù)無源RFID標(biāo)簽天線的輻射效率要求，導(dǎo)電油墨中金屬銀顆粒的含量必須達(dá)到50%左右，但是金屬銀價格昂貴。而且由于金屬銀的含量高，導(dǎo)電油墨黏度高，印刷時導(dǎo)電油墨從網(wǎng)版轉(zhuǎn)移到承印材料上的難度大，印刷后導(dǎo)線邊界擴(kuò)展嚴(yán)重，制造精度受到制約，從而導(dǎo)致無源RFID標(biāo)簽天線輻射效率的穩(wěn)定性差。
(3)印刷后，導(dǎo)電油墨層必須在120℃的高溫烘箱內(nèi)烘干，使導(dǎo)電油墨中的溶劑完全揮發(fā)，銀微粒相互接觸才能導(dǎo)電。烘干溫度、烘干時間、烘箱內(nèi)的風(fēng)速影響墨層表面性狀，溶劑揮發(fā)程度等都會影響導(dǎo)電效果，此外高溫加熱會使承印底材變形。因此，網(wǎng)印無源RFID標(biāo)簽天線的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)還存在諸多困難。
基于此，現(xiàn)在又提出了一種用環(huán)保真空鍍鋁技術(shù)制造無源RFID標(biāo)簽天線的思路。該制作方法能夠?qū)崿F(xiàn)高速度、高精度、無污染、低成本的技術(shù)優(yōu)勢和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的可能，前景十分廣闊。但是這種技術(shù)在現(xiàn)階段還僅處于開發(fā)狀態(tài)。
從工藝上講，無源RFID標(biāo)簽天線的制作工藝有以下3種：銅導(dǎo)線繞制工藝、金屬箔蝕刻工藝和印刷工藝。銅導(dǎo)線繞制工藝制作速度慢、成本高、天線的環(huán)境協(xié)調(diào)性差，目前常用于制作頻率在135kHz以下的低頻RFID標(biāo)簽的天線。
金屬箔蝕刻工藝是印制金屬電路板的標(biāo)準(zhǔn)方法，但是將其制作無源RFID標(biāo)簽天線卻存在如下缺陷：①成本高;②精度低;③標(biāo)簽尺寸大;④效率低;⑤污染環(huán)境;⑥標(biāo)簽底材單一，標(biāo)簽應(yīng)用領(lǐng)域有限;⑦防金屬屏蔽、防水、抗折等環(huán)境友好性差。用印刷工藝制作無源RFID標(biāo)簽天線是近年來被廣泛關(guān)注的一種方法，其中又以網(wǎng)印工藝制作無源RFID標(biāo)簽天線最為成熟。
圖1 無源RFID標(biāo)簽的制造
網(wǎng)印工藝印制無源RFID標(biāo)簽天線的特點(diǎn)具體來說，網(wǎng)印工藝印制無源RFID標(biāo)簽天線就是通過網(wǎng)印導(dǎo)電油墨，在紙張、PET、PE等承印材料上印刷天線。在這種工藝中，使用的絲網(wǎng)通常是PET絲網(wǎng)或鎳箔絲網(wǎng)等。天線線圈的墨層厚度通過改變網(wǎng)版的目數(shù)來實(shí)現(xiàn)。對于高頻RFID標(biāo)簽，其天線線圈由上下兩層導(dǎo)體回路構(gòu)成，網(wǎng)印時需要套印3次才能完成一個天線的印制。其中第2次套印時印刷的是絕緣油墨層，防止上下兩層印刷導(dǎo)線短路。
印制完成的無源RFID標(biāo)簽天線與芯片的連接一般都使用Flip-Chip工藝，即將芯片的兩個壓焊點(diǎn)向下直接放置到線圈的兩個連接端點(diǎn)上，再用導(dǎo)電膠固定，導(dǎo)電膠干燥后，芯片便與天線連接端形成持久的機(jī)械和電子連接。
網(wǎng)印工藝印制無源RFID標(biāo)簽天線具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①印刷速度快，自動化程度高;
②導(dǎo)線的均勻度好，且可印刷小間隙線圈，便于實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的小型化;
③所使用的導(dǎo)電材料少;
④產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定;
⑤印制過程無廢棄物，無污染，符合國家綠色環(huán)保的要求。
網(wǎng)印工藝對無源RFID標(biāo)簽天線性能的影響
1.網(wǎng)印無源RFID標(biāo)簽天線的穩(wěn)定性研究
在無源RFID標(biāo)簽天線的印制中，穩(wěn)定性是非常重要的前提，穩(wěn)定性高才能用于大規(guī)模批量生產(chǎn)。下面，我們通過實(shí)驗(yàn)來分析一下在相同的網(wǎng)印工藝條件下制作出來的天線的一致性。
實(shí)驗(yàn)條件：普通網(wǎng)印車間
實(shí)驗(yàn)設(shè)備：平面半自動絲網(wǎng)印刷機(jī)、普通萬能表
工藝參數(shù)：網(wǎng)版材質(zhì)為聚酯，刮板硬度為肖氏60。，刮印夾角為65°，刮板移動速度為4m/min，導(dǎo)電油墨黏度為90pa.s。
實(shí)驗(yàn)過程：印制A、B兩款無源RFID標(biāo)簽天線(如圖2～3所示)各14張，分別測定天線阻抗值，分析網(wǎng)印無源RFID標(biāo)簽天線的可靠性。結(jié)果如表1所示。通過閱讀器對天線A和B進(jìn)行閱讀實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)印制出的天線閱讀距離具有一致性。所以，網(wǎng)印工藝條件可以滿足大規(guī)模批量生產(chǎn)無源RFID標(biāo)簽天線的要求。
圖2 A款無源RFID標(biāo)簽天線圖3 B款無源RFID標(biāo)簽天線表1 無源RFID標(biāo)簽天線阻抗值(單位：Ω)
導(dǎo)電油墨與固體金屬材料的導(dǎo)電機(jī)理完全不同。導(dǎo)電油墨是將導(dǎo)電金屬微粒分散在有機(jī)聚合物連結(jié)料、溶劑和助劑中形成的導(dǎo)電漿料，導(dǎo)電金屬微粒與聚合物基體共同構(gòu)成一個復(fù)雜的迷津結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電金屬微粒之間的絕緣介質(zhì)越厚，自由電子躍遷受阻越大，其導(dǎo)電能力也就越弱。因此，導(dǎo)電油墨中導(dǎo)電金屬微粒體積分?jǐn)?shù)是衡量其電化學(xué)性能的一個重要指標(biāo)。由于導(dǎo)電油墨中的導(dǎo)電金屬微粒通常是銀粒子，因此本實(shí)驗(yàn)主要采用銀漿導(dǎo)電油墨來進(jìn)行研究。
(1)銀微粒填充量與導(dǎo)電油墨導(dǎo)電性之間的關(guān)系
在同樣的加工條件下，使用銀微粒填充量分別為40%、45%、55%、60%、70%的5種同一品牌導(dǎo)電銀漿分別印刷天線，然后測量每種天線同一長度內(nèi)的電阻值，各測量5次，再取其平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。
由此可見，導(dǎo)電油墨的銀微粒填充量高，導(dǎo)電性好;銀微粒填充量低，導(dǎo)電性差。
表2 銀微粒填充量與電阻的關(guān)系
(2)銀微粒填充量與導(dǎo)電油墨流動性及天線印刷效果之間的關(guān)系導(dǎo)電油墨的流動性將直接決定印刷出來的天線表面銀微粒的分布，這也是影響天線印刷效果的一個重要指標(biāo)。
下面我們通過實(shí)驗(yàn)研究導(dǎo)電油墨銀微粒填充量與導(dǎo)電油墨流動性及天線印刷效果的關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)條件：普通網(wǎng)印車間
實(shí)驗(yàn)設(shè)備：平面絲網(wǎng)印刷機(jī)、整體式光切顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、QJ23型直流電阻電橋等。
工藝參數(shù)：250目/英寸聚酯網(wǎng)版，刮板硬度為肖氏60°，刮板角度65°，刮板移動速度為3m/min。
實(shí)驗(yàn)材料：某品牌導(dǎo)電銀漿，銀微粒填充量分別是：20%、30%、40%、55%、60%、74%共6款。
實(shí)驗(yàn)過程：用上述各款導(dǎo)電銀漿在PET片基上印刷如圖4所示的天線各5份，天線設(shè)計寬度均為2mm，印刷后置于120℃烘箱內(nèi)干燥20分鐘。
將各印刷天線置于光學(xué)顯微鏡下(放大倍率為70倍)，可得到如圖5所示的天線局部放大圖。分析圖5可知：①銀微粒填充量為20%或30%的導(dǎo)電銀漿黏度小，接近聚合物基體黏度，在印刷過程中，漿料流動性好，但回彈性低，導(dǎo)線邊界模糊，有嚴(yán)重的邊滲現(xiàn)象;②銀微粒填充量為55%或60%導(dǎo)電銀漿的黏度高，在印刷過程中，漿料滾動性好，但恢復(fù)性差，在網(wǎng)版上抬后，線條邊緣可保持印刷初始狀態(tài)，但網(wǎng)線處會出現(xiàn)拉絲及鋸齒邊;③銀微粒填充量為74%的導(dǎo)電銀漿黏度太大，在印刷過程中，漿體流動性和滾動性均不理想，在承印材料上的鋪展效果差，銀微粒浮至表層，在網(wǎng)版離開承印材料的瞬間，墨膜表面凹凸不平，出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)痕、斷線及針眼;④銀微粒填充量為40%的導(dǎo)電銀漿黏度適中，漿料的流平性等印刷適性均合適，導(dǎo)線邊界清晰均勻，表面平整光潔，可達(dá)到較高的分辨率。
圖4圖5 天線局部放大圖
網(wǎng)印無源RFID標(biāo)簽天線存在的問題雖然用網(wǎng)印工藝生產(chǎn)RFID標(biāo)簽天線是目前國內(nèi)外一致認(rèn)可的最具發(fā)展前景的技術(shù)手段。但也存在如下技術(shù)瓶頸。
(1)無源RFID標(biāo)簽天線設(shè)計參數(shù)與絲網(wǎng)印刷品質(zhì)不匹配。由于印刷過程中印品質(zhì)量受到印刷壓力、網(wǎng)版拉伸等數(shù)十個因素的影響，而且各因素相互干擾，呈一個復(fù)雜的非線性相關(guān)過程，因此，無源RFID標(biāo)簽天線經(jīng)印刷后必然出現(xiàn)變形，導(dǎo)致設(shè)計尺寸與實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸不符、導(dǎo)線邊界粗糙、實(shí)際輻射效率與理論輻射效率有所偏差等現(xiàn)象。綜觀國內(nèi)外的研究成果，幾乎沒有針對這些偏差的科學(xué)控制手段，只能憑經(jīng)驗(yàn)實(shí)時監(jiān)控，頻繁調(diào)整參數(shù)值以達(dá)到局部最優(yōu)，這限制了無源RFID標(biāo)簽天線印制效率、質(zhì)量控制難度大。
(2)無源RFID標(biāo)簽天線的輻射效率受到導(dǎo)電油墨金屬銀含量的制約。根據(jù)無源RFID標(biāo)簽天線的輻射效率要求，導(dǎo)電油墨中金屬銀顆粒的含量必須達(dá)到50%左右，但是金屬銀價格昂貴。而且由于金屬銀的含量高，導(dǎo)電油墨黏度高，印刷時導(dǎo)電油墨從網(wǎng)版轉(zhuǎn)移到承印材料上的難度大，印刷后導(dǎo)線邊界擴(kuò)展嚴(yán)重，制造精度受到制約，從而導(dǎo)致無源RFID標(biāo)簽天線輻射效率的穩(wěn)定性差。
(3)印刷后，導(dǎo)電油墨層必須在120℃的高溫烘箱內(nèi)烘干，使導(dǎo)電油墨中的溶劑完全揮發(fā)，銀微粒相互接觸才能導(dǎo)電。烘干溫度、烘干時間、烘箱內(nèi)的風(fēng)速影響墨層表面性狀，溶劑揮發(fā)程度等都會影響導(dǎo)電效果，此外高溫加熱會使承印底材變形。因此，網(wǎng)印無源RFID標(biāo)簽天線的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)還存在諸多困難。
基于此，現(xiàn)在又提出了一種用環(huán)保真空鍍鋁技術(shù)制造無源RFID標(biāo)簽天線的思路。該制作方法能夠?qū)崿F(xiàn)高速度、高精度、無污染、低成本的技術(shù)優(yōu)勢和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的可能，前景十分廣闊。但是這種技術(shù)在現(xiàn)階段還僅處于開發(fā)狀態(tài)。
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