目前，市場上常見的無源RFID標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標簽的制造過程。
從工藝上講，無源RFID標簽天線的制作工藝有以下3種：銅導線繞制工藝、金屬箔蝕刻工藝和印刷工藝。銅導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標簽的天線。
金屬箔蝕刻工藝是印制金屬電路板的標準方法，但是將其制作無源RFID標簽天線卻存在如下缺陷：①成本高;②精度低;③標簽尺寸大;④效率低;⑤污染環(huán)境;⑥標簽底材單一，標簽應用領域有限;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標簽天線是近年來被廣泛關注的一種方法，其中又以網(wǎng)印工藝制作無源RFID標簽天線最為成熟。
具體來說，網(wǎng)印工藝印制無源RFID標簽天線就是通過網(wǎng)印導電油墨，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)來實現(xiàn)。對于高頻RFID標簽，其天線線圈由上下兩層導體回路構成，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線短路。
印制完成的無源RFID標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向下直接放置到線圈的兩個連接端點上，再用導電膠固定，導電膠干燥后，芯片便與天線連接端形成持久的機械和電子連接。
網(wǎng)印工藝印制無源RFID標簽天線具有以下優(yōu)點：
①印刷速度快，自動化程度高;
②導線的均勻度好，且可印刷小間隙線圈，便于實現(xiàn)標簽的小型化;
③所使用的導電材料少;
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標簽天線性能的影響
1.網(wǎng)印無源RFID標簽天線的穩(wěn)定性研究
在無源RFID標簽天線的印制中，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，我們通過實驗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。
實驗條件：普通網(wǎng)印車間
實驗設備：平面半自動絲網(wǎng)印刷機、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，導電油墨黏度為90pa.s。
實驗過程：印制A、B兩款無源RFID標簽天線(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標簽天線的可靠性。結果如表1所示。通過閱讀器對天線A和B進行閱讀實驗，我們發(fā)現(xiàn)實驗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標簽天線的要求。
圖2 A款無源RFID標簽天線
圖3 B款無源RFID標簽天線
表1 無源RFID標簽天線阻抗值(單位：Ω)
2.導電油墨性能對網(wǎng)印天線的影響
導電油墨與固體金屬材料的導電機理完全不同。導電油墨是將導電金屬微粒分散在有機聚合物連結料、溶劑和助劑中形成的導電漿料，導電金屬微粒與聚合物基體共同構成一個復雜的迷津結構，導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，其導電能力也就越弱。因此，導電油墨中導電金屬微粒體積分數(shù)是衡量其電化學性能的一個重要指標。由于導電油墨中的導電金屬微粒通常是銀粒子，因此本實驗主要采用銀漿導電油墨來進行研究。
(1)銀微粒填充量與導電油墨導電性之間的關系
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，實驗結果見表2。
由此可見，導電油墨的銀微粒填充量高，導電性好;銀微粒填充量低，導電性差。
導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。
下面我們通過實驗研究導電油墨銀微粒填充量與導電油墨流動性及天線印刷效果的關系。
實驗條件：普通網(wǎng)印車間
實驗設備：平面絲網(wǎng)印刷機、整體式光切顯微鏡、光學顯微鏡、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。
實驗材料：某品牌導電銀漿，銀微粒填充量分別是：20%、30%、40%、55%、60%、74%共6款。
實驗過程：用上述各款導電銀漿在PET片基上印刷如圖4所示的天線各5份，天線設計寬度均為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，導線邊界模糊，有嚴重的邊滲現(xiàn)象;②銀微粒填充量為55%或60%導電銀漿的黏度高，在印刷過程中，漿料滾動性好，但恢復性差，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)嚴重的網(wǎng)痕、斷線及針眼;④銀微粒填充量為40%的導電銀漿黏度適中，漿料的流平性等印刷適性均合適，導線邊界清晰均勻，表面平整光潔，可達到較高的分辨率。
圖4
雖然用網(wǎng)印工藝生產(chǎn)RFID標簽天線是目前國內(nèi)外一致認可的最具發(fā)展前景的技術手段。但也存在如下技術瓶頸。
(1)無源RFID標簽天線設計參數(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，呈一個復雜的非線性相關過程，因此，無源RFID標簽天線經(jīng)印刷后必然出現(xiàn)變形，導致設計尺寸與實際結構尺寸不符、導線邊界粗糙、實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控制手段，只能憑經(jīng)驗實時監(jiān)控，頻繁調(diào)整參數(shù)值以達到局部最優(yōu)，這限制了無源RFID標簽天線印制效率、質(zhì)量控制難度大。
(2)無源RFID標簽天線的輻射效率受到導電油墨金屬銀含量的制約。根據(jù)無源RFID標簽天線的輻射效率要求，導電油墨中金屬銀顆粒的含量必須達到50%左右，但是金屬銀價格昂貴。而且由于金屬銀的含量高，導電油墨黏度高，印刷時導電油墨從網(wǎng)版轉(zhuǎn)移到承印材料上的難度大，印刷后導線邊界擴展嚴重，制造精度受到制約，從而導致無源RFID標簽天線輻射效率的穩(wěn)定性差。
(3)印刷后，導電油墨層必須在120℃的高溫烘箱內(nèi)烘干，使導電油墨中的溶劑完全揮發(fā)，銀微粒相互接觸才能導電。烘干溫度、烘干時間、烘箱內(nèi)的風速影響墨層表面性狀，溶劑揮發(fā)程度等都會影響導電效果，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)保真空鍍鋁技術制造無源RFID標簽天線的思路。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。但是這種技術在現(xiàn)階段還僅處于開發(fā)狀態(tài)。
從工藝上講，無源RFID標簽天線的制作工藝有以下3種：銅導線繞制工藝、金屬箔蝕刻工藝和印刷工藝。銅導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標簽的天線。
金屬箔蝕刻工藝是印制金屬電路板的標準方法，但是將其制作無源RFID標簽天線卻存在如下缺陷：①成本高;②精度低;③標簽尺寸大;④效率低;⑤污染環(huán)境;⑥標簽底材單一，標簽應用領域有限;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標簽天線是近年來被廣泛關注的一種方法，其中又以網(wǎng)印工藝制作無源RFID標簽天線最為成熟。
圖1 無源RFID標簽的制造
網(wǎng)印工藝印制無源RFID標簽天線的特點具體來說，網(wǎng)印工藝印制無源RFID標簽天線就是通過網(wǎng)印導電油墨，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)來實現(xiàn)。對于高頻RFID標簽，其天線線圈由上下兩層導體回路構成，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線短路。
印制完成的無源RFID標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向下直接放置到線圈的兩個連接端點上，再用導電膠固定，導電膠干燥后，芯片便與天線連接端形成持久的機械和電子連接。
網(wǎng)印工藝印制無源RFID標簽天線具有以下優(yōu)點：
①印刷速度快，自動化程度高;
②導線的均勻度好，且可印刷小間隙線圈，便于實現(xiàn)標簽的小型化;
③所使用的導電材料少;
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標簽天線性能的影響
1.網(wǎng)印無源RFID標簽天線的穩(wěn)定性研究
在無源RFID標簽天線的印制中，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，我們通過實驗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。
實驗條件：普通網(wǎng)印車間
實驗設備：平面半自動絲網(wǎng)印刷機、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，導電油墨黏度為90pa.s。
實驗過程：印制A、B兩款無源RFID標簽天線(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標簽天線的可靠性。結果如表1所示。通過閱讀器對天線A和B進行閱讀實驗，我們發(fā)現(xiàn)實驗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標簽天線的要求。
圖2 A款無源RFID標簽天線圖3 B款無源RFID標簽天線表1 無源RFID標簽天線阻抗值(單位：Ω)
導電油墨與固體金屬材料的導電機理完全不同。導電油墨是將導電金屬微粒分散在有機聚合物連結料、溶劑和助劑中形成的導電漿料，導電金屬微粒與聚合物基體共同構成一個復雜的迷津結構，導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，其導電能力也就越弱。因此，導電油墨中導電金屬微粒體積分數(shù)是衡量其電化學性能的一個重要指標。由于導電油墨中的導電金屬微粒通常是銀粒子，因此本實驗主要采用銀漿導電油墨來進行研究。
(1)銀微粒填充量與導電油墨導電性之間的關系
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，實驗結果見表2。
由此可見，導電油墨的銀微粒填充量高，導電性好;銀微粒填充量低，導電性差。
表2 銀微粒填充量與電阻的關系
(2)銀微粒填充量與導電油墨流動性及天線印刷效果之間的關系導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。
下面我們通過實驗研究導電油墨銀微粒填充量與導電油墨流動性及天線印刷效果的關系。
實驗條件：普通網(wǎng)印車間
實驗設備：平面絲網(wǎng)印刷機、整體式光切顯微鏡、光學顯微鏡、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。
實驗材料：某品牌導電銀漿，銀微粒填充量分別是：20%、30%、40%、55%、60%、74%共6款。
實驗過程：用上述各款導電銀漿在PET片基上印刷如圖4所示的天線各5份，天線設計寬度均為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，導線邊界模糊，有嚴重的邊滲現(xiàn)象;②銀微粒填充量為55%或60%導電銀漿的黏度高，在印刷過程中，漿料滾動性好，但恢復性差，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)嚴重的網(wǎng)痕、斷線及針眼;④銀微粒填充量為40%的導電銀漿黏度適中，漿料的流平性等印刷適性均合適，導線邊界清晰均勻，表面平整光潔，可達到較高的分辨率。
圖4圖5 天線局部放大圖
網(wǎng)印無源RFID標簽天線存在的問題雖然用網(wǎng)印工藝生產(chǎn)RFID標簽天線是目前國內(nèi)外一致認可的最具發(fā)展前景的技術手段。但也存在如下技術瓶頸。
(1)無源RFID標簽天線設計參數(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，呈一個復雜的非線性相關過程，因此，無源RFID標簽天線經(jīng)印刷后必然出現(xiàn)變形，導致設計尺寸與實際結構尺寸不符、導線邊界粗糙、實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控制手段，只能憑經(jīng)驗實時監(jiān)控，頻繁調(diào)整參數(shù)值以達到局部最優(yōu)，這限制了無源RFID標簽天線印制效率、質(zhì)量控制難度大。
(2)無源RFID標簽天線的輻射效率受到導電油墨金屬銀含量的制約。根據(jù)無源RFID標簽天線的輻射效率要求，導電油墨中金屬銀顆粒的含量必須達到50%左右，但是金屬銀價格昂貴。而且由于金屬銀的含量高，導電油墨黏度高，印刷時導電油墨從網(wǎng)版轉(zhuǎn)移到承印材料上的難度大，印刷后導線邊界擴展嚴重，制造精度受到制約，從而導致無源RFID標簽天線輻射效率的穩(wěn)定性差。
(3)印刷后，導電油墨層必須在120℃的高溫烘箱內(nèi)烘干，使導電油墨中的溶劑完全揮發(fā)，銀微粒相互接觸才能導電。烘干溫度、烘干時間、烘箱內(nèi)的風速影響墨層表面性狀，溶劑揮發(fā)程度等都會影響導電效果，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)保真空鍍鋁技術制造無源RFID標簽天線的思路。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。但是這種技術在現(xiàn)階段還僅處于開發(fā)狀態(tài)。
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