網(wǎng)印工藝印制無源RFID標(biāo)簽天線的特點(diǎn)

          發(fā)布時間:2024-02-03 點(diǎn)擊:112
          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(jià)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。
          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)
          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。
          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(jì)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(jì)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(jì)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(jià)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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