RFID 電子標簽技術又稱RFID(Radio FrequencyIdentification)射頻識別技術,是一種非接觸式的自動識別技術,通過相距幾厘米到幾米距離內傳感器發射的無線電波,可以讀取RFID 電子標簽內儲存的信息,識別RFID 電子標簽所代表的物品、人和器具的身份。
這種技術早由美國海軍研究試驗室(NRL)開發用于敵我識別系統(IFF),將盟軍的飛機和敵方的飛機區別開來。目前在范圍內,RFID 電子標簽技術正逐漸被應用到人們生活的方方面面。
RFID 電子標簽技術與其它自動識別技術,例如與條形碼識別技術相比,具有如下特點:RFID電子標簽的閱讀器能透過泥漿、污垢、油污、木材、水泥、塑料、蒸汽等非金屬材料閱讀標簽,不必一定與標簽直接接觸;RFID 電子標簽的數據存儲容量大,標簽上數據可以加密、隨時更新;RFID 電子標簽實現了“免接觸”,不需要直線瞄準掃描操作,讀寫速度快,讀取距離大;RFID 電子標簽的體積小、易封裝,外形多樣;RFID 電子標簽的使用壽命可長達10 年以上,讀寫10 萬次,無機械磨損、無機械故障;RFID 電子標簽的編號,而且可以加入防偽識別碼。RFID 電子標簽和條形碼的主要區別是數據被電子化儲存在RFID 電子標簽的存儲單元內,采用專用芯片的RFID 讀卡機能根據每件貨物的序列標識號來進行識別,并可以進行密鑰認證,保障數據安全。
另外,值得一提的是,RFID 電子標簽因具有上述的讀寫速度快,讀取距離遠,數據容量大等特點,被應用在物流過程和供應鏈管理之中,使交易成本減少,管理水平得到提高。
一、RFID 電子標簽的構成與使用
RFID 電子標簽通常由標簽天線(或線圈)及標簽芯片組成,是射頻技術的核心。其結構圖見圖1。
標簽天線在整個RFID 系統中起著很重要的作用,它不僅要將RFID 電子標簽所存儲的信息調制反射,同時還要捕獲閱讀器發射的電磁波,為標簽芯片提供能量。
由于RFID 電子標簽要粘貼到被識別的物體上,這就需要RFID 電子標簽能夠足夠小,標簽天線不僅要求小尺寸,而且具有全向或半球覆蓋的方向性。另外,作為數據載體的微型芯片基本已模塊化,但芯片的數據信息及讀寫要求不同,芯片阻抗不確定,這就需要標簽天線能夠實現可變性,以便與芯片阻抗共軛匹配,以提供大功率給芯片。當然,RFID 電子標簽需要大規模使用,要求標簽天線加工簡單,成品率高,制造成本低。
標簽天線作為RFID 系統中易變的部分,面臨著小型化、共形化、低損耗和低成本的實際要求,其制造在整個RFID 系統中占有重要地位。
二、RFID 電子標簽天線的印刷
1. RFID 電子標簽天線的印刷方法
RFID 電子標簽天線制造常用的技術方法有:蝕刻法、電鍍法和直接印制法(導電油墨印刷法),都屬于天線的印制技術。目前國內外主要是以蝕刻法和電鍍法為主,直接印制法是近正在興起和研究的印制技術。
(1)蝕刻法。也稱印制腐蝕法,或減成印制法。先在一個底基載體(如塑料)上面覆蓋一層20mm~25mm 厚的銅或鋁,另外制作一張天線陽圖的絲網印版,用網印的方法將抗蝕劑印在銅或鋁的表面上,保護下面的銅或鋁不受腐蝕劑侵蝕;而未被抗蝕劑膜覆蓋的銅或鋁會被腐蝕劑溶化,露出底基成為天線電路線的間隔線;后涂上脫膜液去除抗蝕膜,進而制成天線。工藝流程如圖2 所示。
(2)電鍍法。也稱印制電鍍法,或加成印制法。
在底基上通過印刷涂覆一層薄的(幾微米)起催化作用的油墨,呈天線的陽圖形狀。此種特殊油墨含有金屬顆粒,在印制之后,印過的材料再經過電鍍過程,銅被鍍在材料上,只附著在油墨形成的圖形
上。電鍍過程持續到材料上沉積的銅的量達到一定的厚度使之具有合適的導電性,進而形成天線。
具體的工藝流程(以網印為例)如圖3 所示。
(3)直接印制法是直接用導電油墨在絕緣底基(薄膜、紙張等)上印制導電線路,形成天線和電路,具體工藝流程見圖4。
直接印制法制作RFID 電子標簽與蝕刻法和電鍍法相比,主要有3 方面的優點:
①用傳統蝕刻法和電鍍法制作RFID 電子標簽天線,工藝復雜,成品制作時間長;直接印制法制作RFID 電子標簽天線高效快速。如今,直接印制法已開始取代制作各頻率段的蝕刻天線,如超高頻段(860MHz ~950MHz) 和微波頻段(2450MHz),同時在天線質量方面,直接印制法制作的天線可以與傳統工藝制作的天線相媲美。
②傳統蝕刻法和電鍍法制作的RFID 電子標簽天線要消耗大量的金屬材料,成本較高;而直接印制法的原材料成本要低于傳統的金屬天線,這對于降低電子標簽的制作成本有很大的意義。
③傳統蝕刻或電鍍工藝的制作過程產生大量含金屬和化學物質的廢液,對環境造成較大的污染;直接印制法采用導電油墨直接在底基上進行印制,不含侵蝕性材料,化學試劑的使用較少或沒有,具有“綠色”環保的優點。
2. 導電油墨的使用
直接印制法印刷的RFID 電子標簽天線之所以具有強于傳統方法制成的RFID 電子標簽天線的特點和優勢,主要取決于導電油墨的特性和與印刷技術的結合。
導電油墨又稱導電膠、導電銀漿,是一種允許電流流動的特殊油墨,由分散的細微導電粒子和導電聚合物等組成。印刷在柔性或硬質承印物上可制成印刷電路,起到導線、天線和電阻的作用,從較大程度上決定了RFID 印刷天線的阻抗這一關系RFID 天線性能的重要參數。導電油墨按所含導電因子的成分,可分為碳漿油墨、銅漿油墨、銀漿油墨和金漿油墨。由于銀漿油墨有較低的電阻率,對于RFID 標簽而言是佳的選擇;銅氧化速度非常快,并不適合用于RFID 天線的印刷。
目前,優尼威爾、Parelec 公司、杜邦公司、韓國ABC 納米技術公司分別研發了各種RFID 印刷天線用導電油墨。
從未來的發展看,直接印制法將成為制作RFID 電子標簽天線主流的印制方法,這源于利用導電油墨進行RFID 電子標簽天線印刷的下列優勢:
(1)成本低。導電油墨成本的降低主要取決于其材料,從材料本身的成本上來講,油墨要比沖壓或蝕刻金屬線圈的價格低,特別是在銅、銀的價格上漲的情況下,采用導電油墨印刷法制作RFID 天線不失為一種理想的替代方法;從材料耗用量上說,蝕刻要消耗大量金屬,而導電油墨所消耗的金屬材料少,成本低。
(2)導電性能好。導電油墨干燥后,由于導電粒子間的距離變小,自由電子沿外加電場方向移動形成電流,因此RFID 印刷天線具有良好的導電性能。
(3)操作容易。直接印制印刷技術作為一種加成法制作技術,較之減成法制作技術(如蝕刻)而言,本身是一種容易控制、的工藝過程。
(4)無污染。銅蝕刻過程必須采用的光敏膠和其他化學試劑都具有較強的侵蝕作用,所產生的廢料及排出物對環境造成較大的污染;而采用導電油墨直接在基材上進行印刷,無需使用化學試劑,因而具有無污染的優點。
(5)基材選擇靈活多樣。導電油墨幾乎能印刷在所有的承印材料上,包括聚酯、聚酰亞胺、ABS 工程塑料、PVC(聚氯乙烯)、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、(涂料)紙板等;而銅蝕刻技術則只能采用具有高度抗腐蝕性的基材如聚酯,這類基材的價格一般要比印刷所選擇的基材高。
(6)抗壓性能強。用導電油墨印刷的RFID 電子標簽天線能夠經受住更高的外部機械壓力,具有更好的彈性和更高的可靠性。
需要說明的是:用導電材料印刷時,還需注意印刷面積的問題。RFID 電子標簽天線印刷有一定的橫截面積。如果用很薄的油墨來印刷雖然也可以,但印刷的面積會很大,即線印得寬;RFID電子標簽本身就處于輕、薄、小的發展趨勢,不能印得太寬,而且由于不同工作頻率的RFID 電子標簽的天線線圈將對應不同的圈數、線圈厚度(如:HF 波段使用13.56MHz 的芯片,通常它要求線圈圈數為6,線圈截面厚度約為20μm;UHF 波段使用868MHz 和950MHz 的芯片,線圈截面厚度約為4μm),RFID 電子標簽天線每一圈之間的距離也不同。所印刷的墨層厚度、每一道線的寬度和干燥后的圖形輪廓都有嚴格的允差范圍(如:兩次重疊套印的誤差必須在0.1mm 之內)。
所以要注意合理選擇印刷方式,否則,就可能會影響天線的印刷質量和導電性能。因為不同的印刷方式達到的印刷性能不一樣,要根據印刷天線的要求,來選擇印刷方式。
三、RFID 電子標簽天線印刷的4 種方式
RFID 電子標簽是一種微結構,對印刷的要求較高,且需要用導電油墨印刷,印刷的膜層要求高。通常的膠印機由于墨膜厚度較小,并不適合這種微結構的印刷。為了能讓導電油墨均勻而極薄地涂布在很薄的基材上,必須解決兩個問題:一是導電油墨的研發;二是印刷設備提供商能夠提供出印刷RFID 電子標簽的理想解決方案,如采用混合印刷技術。下面介紹一下電子標簽印刷的4 種方式。
1. 網版印刷
RFID 電子標簽天線的印刷制作過程采用此種方案的案例多,也是目前的印刷方式。
這是因為呈六角形的鎳箔穿孔網(不是由金屬或尼龍編織成的網)的整個網面平整勻薄,能極大地提高印跡的穩定性和精密性,比較適合用導電油墨印刷且印刷效果較好, 線路間隔可達0.1mm,定位精度可達0.01mm。
網印印刷RFID 電子標簽天線具有下列優勢:綠色環保,可實現一步式印刷,不含侵蝕性材料,印刷設備價格較低,可以在各種承印材料上印刷,并且可以印制交叉線路。但網版印刷的油
墨黏度較高,且印刷膜厚高可達100um,而RFID 電子標簽天線的印刷膜厚僅約為8~12um即可。由于絲網印刷墨層厚度由絲網網版的透墨量決定,在印制時可以通過調節刮印參數(刮印
壓力、刮印速度、網版距離、刮板角度等)、選擇不同分辨率的網版等來印刷得到所需的印刷膜層厚度。另外,還需注意選擇合適的導電油墨、確定印刷墨膜的佳干燥條件。網版印刷后干燥可以
通過UV、IR 及熱風等方式來達成。
2. 凹版印刷
凹版印刷是將刻有圖樣的金屬薄版(凹刻),固定于印刷機上的印刷版上,沾上印刷油墨后轉印至承印底材上,其分辨率可達1000l/cm,墨膜厚度為8~12μm。凹版印刷的油墨黏度較網版印刷油墨的黏度來得低,油墨膜厚控制較為,亦可符合RFlD 電子標簽天線印制所需膜厚要求,而且印刷速度更快,極適合大量印刷生產。缺點是需投入之設備資金較高,印刷壓力太大,印刷RFID 標簽天線時存在一定困難。
3. 凸版印刷
凸版印刷是將有圖樣的橡膠厚版(凸刻),固定于印刷機上的印刷版上,在沾上印刷油墨后轉印至底材上。凸版印刷的油墨黏度比凹版印刷來得低,油墨膜厚也是遠低于前二者的,且印刷導電銀膠時困難重重。但若能克服以下障礙,如印跡的邊緣部分會有印紋出現,使得天線邊緣的印跡不規則,影響天線的精度及阻抗性;容易產生廢品等,凸版印刷直接將RFID 電子標簽印刷在紙箱上的價格競爭力卻是前二者所不能媲美的。
4. 噴墨印刷
噴墨印刷技術是近10 年來發展的新興技術,其多功能性是其他印刷方式無法比擬的。這種無壓力的印刷方式可將計算機中的數字信息直接噴涂到任何形狀的材料上。噴墨印刷技術的油墨系統較為復雜,可以使用水性、UV 墨水,其大型噴墨印刷設備的印刷精度高可達50um 左右,此技術也是有可能成功實現以印刷方式來直接制作IC 電路的技術。但是噴墨印刷存在著噴墨位置偏差,小墨滴會出現在區域影響印刷質量,印刷速度慢,設備及油墨成本高等問題。
噴墨印刷技術的油墨黏度是4 種印刷方式中低的,膜厚控制精度卻是高。
綜上所述,雖然RFID 電子標簽印刷天線具有很大的優勢,但在印刷天線的過程中,要求沒有任何雜質摻合其中,否則會影響導電效果。另外,烘干溫度的控制也很重要,溫度不合適,會使天線的基材發生超標準的變形,還會對后面的工序造成影響。這就對印刷企業的生產管理提出更高的要求,同時也會促進印刷企業在技術細節、管理水平上的提高。
頭發直徑一般約0.05mm~0.1mm,而如今我們電子標簽天線的線距也可做到僅僅只是一根發絲的寬度。完成這一有難度任務的是廈門英諾爾電子科技股份有限公司。
廈門英諾爾電子科技股份有限公司是一家專業生產高端柔性線路板(FPC)、RFID電子標簽、物聯網讀寫設備、IC封裝基板、超高頻射頻天線、特殊電子材料、耐高溫條碼標簽、電源適配器等產品、集產品研發設計、生產、銷售于一體的高新技術企業,也是一家由歸國留學人員于2010年創立高新企業。雖然是新企業,但英諾爾電子的技術團隊肯下苦功、精益求精,成功地在蝕刻電子標簽天線技術上取得新,將小線距至0.1mm以內。
電子標簽天線對一枚電子標簽的性能的影響不言而喻,越是做工精良的天線,越能充分發揮出一枚標簽的性能。特別是標簽尺寸較小的情況下,天線的精密程度尤為重要。蝕刻天線技術是生產電子標簽天線重要的技術,蝕刻法也稱為減法制作技術。其制作流程市首先在一個塑料薄膜上層壓一個平面銅箔片(或其它金屬);然后在銅箔片上涂覆光敏膠,干燥后通過一個正片對其進行光照;放入化學顯影液中,此時感光膠的光照部分被洗掉,露出銅;后放入蝕刻池,所有未被感光膠覆蓋部分的銅被蝕刻掉,從而得到所需形狀的銅線圈。 蝕刻印制天線因為其精度高,特性能夠與讀寫機的詢問信號相匹配,同時在天線的阻抗、應用到物品上的射頻性能等都很好等優點受到了行業人士的喜愛。但在國內能將線距至0.1mm以內,并不多見。
“這是我們的一個。天線精度提高,可以提高倒封裝良品率,可以降低倒封裝設備成本,可以讓芯片做的更小,從而降低芯片成本。如果用銅蝕刻,我們線距精度可以做到0.05mm以內。”英諾爾市場部經理謝立非表示:“雖然與的蝕刻天線技術相比,我們還有一定的距離,但秉承、持續創新的經營理念,我們將會繼續努力,向世界水平看齊乃至!”
物聯傳媒觀察員石先生也表示:“在蝕刻天線精度控制上國內已經有一定的水平,但能穩定地將線距至0.1mm以內的,可能只有少數幾家企業能夠掌握。英諾爾電子科技以一個新銳企業的身份,能做到如此水平,也算難能可貴了。電子標簽天線技術的提高將有利于電子標簽的良品率,進而影響到電子標簽的整體成本。”