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浅谈RFID电子标签封装技术
作者：刁裕博
来源：RFID世界网
日期：2011-05-03 15:26:26
摘要：本文结合当前RFID的技术特点和发展趋势,对RFID技术及其制作工艺进行了简要论述,并对电子标签在国内的发展瓶颈进行了探讨,指出了电子标签普及应用还需解决的几个课题。
1 RFID技术概述
1.1 RFID 技术概念
RFID 是Radio Frequency Identification的缩写, 即射频识别技术, 俗称电子标签。R F I D 射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。R F I D 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签, 操作快捷方便。
1.2 RFID 系统的基本组成部分
最基本的RFID 系统由三部分组成:标签(Tag)、阅读器(Reader)、天线(Antenna) ,一套完整的系统还需具备数据传输和处理系统。
1.3 RFID 技术的基本工作原理
RFID 技术的基本工作原理并不复杂:标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息,或者主动发送某一频率的信号;解读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。
2 RFID封装技术
2.1 封装方法
印刷天线与芯片的互连上,因RFID 标签的工作频率高、芯片微小超薄,最适宜的方法是倒装芯片(Flip Chip)技术,它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特点,为适应柔性基板材料,倒装的键合材料要以导电胶来实现芯片与天线焊盘的互连。柔性基板要实现大批量低成本的生产,以及为了更有效地降低生产成本,采用新的方法进行天线与芯片的互连是目前国际国内研究的热点问题。
为了适应更小尺寸的RFID 芯片,有效地降低生产成本,采用芯片与天线基板的键合封装分为两个模块分别完成是目前发展的趋势。其中一具体做法是: 大尺寸的天线基板和连接芯片的小块基板分别制造,在小块基板上完成芯片贴装和互连后,再与大尺寸天线基板通过大焊盘的粘连完成电路导通。与上述将封装过程分两个模块类似的方法是将芯片先转移至可等间距承载芯片的载带上,再将载带上的芯片倒装贴在天线基板。该方法中,芯片的倒装是靠载带翻卷的方式来实现的,简化了芯片的拾取操作,因而可实现更高的生产效率。
2.2 RFID 标签封装工艺
RFID 标签因不同的用途呈现多种封装形式, 因而在天线制造、凸点形成、芯片键合互连等封装过程工艺也呈多样性。
(1)天线制造
绕制天线基板(对应着引线键合封装)
印刷天线基板(对应着倒装芯片导电胶封装)
蚀刻天线基板(对应着引线键合封装或者模块铆接封装)
(2)凸点的形成
目前RFID 标签产品的特点是品种繁多,但并非每个品种的数量能形成规模。因此,采用柔性化制作凸点技术具有成本低廉,封装效率高,使用方便,灵活,工艺控制简单,自动化程度高等特点。不仅可解决微电子工业中可变加工批量、高密度、低成本封装急需的难题,还为目前正蓬勃兴起的RFID 标签的柔性化生产提供条件。
(3)RFID 芯片互连方法
RFID 标签制造的主要目标之一是降低成本。为此,应尽可能减少工序,选择低成本材料, 减少工艺时间。
倒装芯片凸点与柔性基板焊盘互连可采用三种方式:各向同性导电胶(ICA)加底部填充, 各项异性导电胶(ACA,ACF),不导电胶( N C A ) 直接压合钉头凸点的方法。理论上,应优先考虑NCA 互连,可以同点胶凸点相配合实现低成本制造,但存在一定的局限性和可靠性。
采用ICA,优点是成本低,固化不需要加压。操作工艺步骤繁琐,难以降低成本,通常固化时间长, 难以提高生产速度。在采用先制造连接芯片的小块基板,再与大尺寸天线基板连接的形式下,通过ICA 的粘连完成电路导通是首选。通常是使用低成本、快速固化的ACF 和ACA, 具体做法是用普通漏版印刷技术在天线基板焊盘相应位置涂刷一层A C A ,利用倒装芯片贴片机将芯片贴放到对应位置,然后热压固化。
还有另一种键合方式是先制造RFID 模块, 然后将其与天线基板进行铆接组装。
2.3 RFID 标签封装设备
目前RFID 产品的封装设备只有国外一些厂商提供,柔性基板的标签均选用从卷到卷的生产方式, 该生产线包括基板进料、上胶、芯片翻转贴装(倒装)、热压固化、测试、基板收料等工艺流程。另一种生产方式为先制造RFID 模块,然后将其与天线基板进行键合组装。该方法由独立的可精密定位的芯片转移设备将芯片置于载带构成芯片模块,再由芯片模块将芯片转移至天线基板,其优点是两次转移可独立并行执行,芯片翻转通过载带的盘卷方式实现, 因而生产效率得以提高。
柔性基板的标签通过全自动高速卷对卷的设备生产,非接触Transponder 的生产通过将导电胶准确附于天线的引脚, 倒扣芯片封装,并对每个Transponder 检测以达到最佳的产品质量。设备点胶采用钢箔网印技术, 应用视觉定位系统,使用两组机械手臂高精准取放芯片, 通过可调温度、时间与压力的热压头封装,读卡头自动全检ISO 标准Transponder并统计合格率。
2.4 电子标签的封装形式
从实际应用看, 电子标签的封装形式较多,不受标准形状和尺寸的限制,而且其构成也是千差万别,甚至需要根据各种不同要求进行特殊的设计。目前已得到应用的Transponder 的尺寸从￠6mm 到76 × 45mm,小的甚至使用微米级芯片制成、包括天线在内也只有0 . 4 × 0 . 4 m m 的大小; 存储容量从6 4 -200bit 的只读ID 号的小容量型到可存储数万比特数据的大容量型(例如EEPROM32Kbit);封装材质从不干胶到开模具注塑成型的塑料。对于电子标签的各种封装形式,其材质、构成等各不相同。
(1)卡片类(PVC、纸、其他)
层压式, 有熔压和封压两种。熔压是由中心层的INLAY 片材和上下两片PVC 材加温加压制作而成。P V C 材料与I N L A Y 熔合后经冲切成ISO7816 所规定的尺寸大小。当芯片采用Transponder时芯片凸起在天线平面之上(天线厚0.01～0.03mm),可以采用另一种层压方式,即封压。此时,基材通常为PET或纸,芯片厚度通常为0.20～0.38mm,制卡封装时仅将PVC 在天线周边封合,不是熔合,芯片部位不受挤压,可以避免出现芯片被压碎。胶合式,采用纸或其他材料通过冷胶的方式使Transponder 上下材料胶合成一体,再模切成各种尺寸的卡片。
(2)标签类
粘贴式,成品可制成为人工或贴标机揭取的卷标形式,是应用中最多的主流产品,即商标背面附着电子标签,直接贴在被标识物上。如航空用行李标签, 托盘用标签等。吊牌式, 对应于服装、物品采用吊牌类产品, 特点是尺寸紧凑, 可以回收。
(3)异形类
金属表面设置型,大多数电子标签不同程度地会受到金属的影响而不能正常工作。这类标签经过特殊处理,可以设置在金属上并可以读写。用于压力容器、锅炉、消防器材等各类金属件的表面。
腕带型,可以一次性(如医用)或重复使用(如游乐场)。
动、植物使用型, 封装形式可以是注射式玻璃管、悬挂式耳标、套扣式脚环等。电子标签技术以其突破性的技术特点和广泛的适用性, 越来越多的得到了市场的认可。随着芯片制造工艺、封装工艺的进一步改善,以及封装设备和材料的日趋成熟,电子标签必将更加适合我们的需求。同时也留给我们一系列新的课题,有待我们去改进和完善。(文/山东山铝电子技术有限公司 刁裕博)
1.1 RFID 技术概念
RFID 是Radio Frequency Identification的缩写, 即射频识别技术, 俗称电子标签。R F I D 射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。R F I D 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签, 操作快捷方便。
1.2 RFID 系统的基本组成部分
最基本的RFID 系统由三部分组成:标签(Tag)、阅读器(Reader)、天线(Antenna) ,一套完整的系统还需具备数据传输和处理系统。
1.3 RFID 技术的基本工作原理
RFID 技术的基本工作原理并不复杂:标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息,或者主动发送某一频率的信号;解读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。
2 RFID封装技术
2.1 封装方法
印刷天线与芯片的互连上,因RFID 标签的工作频率高、芯片微小超薄,最适宜的方法是倒装芯片(Flip Chip)技术,它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特点,为适应柔性基板材料,倒装的键合材料要以导电胶来实现芯片与天线焊盘的互连。柔性基板要实现大批量低成本的生产,以及为了更有效地降低生产成本,采用新的方法进行天线与芯片的互连是目前国际国内研究的热点问题。
为了适应更小尺寸的RFID 芯片,有效地降低生产成本,采用芯片与天线基板的键合封装分为两个模块分别完成是目前发展的趋势。其中一具体做法是: 大尺寸的天线基板和连接芯片的小块基板分别制造,在小块基板上完成芯片贴装和互连后,再与大尺寸天线基板通过大焊盘的粘连完成电路导通。与上述将封装过程分两个模块类似的方法是将芯片先转移至可等间距承载芯片的载带上,再将载带上的芯片倒装贴在天线基板。该方法中,芯片的倒装是靠载带翻卷的方式来实现的,简化了芯片的拾取操作,因而可实现更高的生产效率。
2.2 RFID 标签封装工艺
RFID 标签因不同的用途呈现多种封装形式, 因而在天线制造、凸点形成、芯片键合互连等封装过程工艺也呈多样性。
(1)天线制造
绕制天线基板(对应着引线键合封装)
印刷天线基板(对应着倒装芯片导电胶封装)
蚀刻天线基板(对应着引线键合封装或者模块铆接封装)
(2)凸点的形成
目前RFID 标签产品的特点是品种繁多,但并非每个品种的数量能形成规模。因此,采用柔性化制作凸点技术具有成本低廉,封装效率高,使用方便,灵活,工艺控制简单,自动化程度高等特点。不仅可解决微电子工业中可变加工批量、高密度、低成本封装急需的难题,还为目前正蓬勃兴起的RFID 标签的柔性化生产提供条件。
(3)RFID 芯片互连方法
RFID 标签制造的主要目标之一是降低成本。为此,应尽可能减少工序,选择低成本材料, 减少工艺时间。
倒装芯片凸点与柔性基板焊盘互连可采用三种方式:各向同性导电胶(ICA)加底部填充, 各项异性导电胶(ACA,ACF),不导电胶( N C A ) 直接压合钉头凸点的方法。理论上,应优先考虑NCA 互连,可以同点胶凸点相配合实现低成本制造,但存在一定的局限性和可靠性。
采用ICA,优点是成本低,固化不需要加压。操作工艺步骤繁琐,难以降低成本,通常固化时间长, 难以提高生产速度。在采用先制造连接芯片的小块基板,再与大尺寸天线基板连接的形式下,通过ICA 的粘连完成电路导通是首选。通常是使用低成本、快速固化的ACF 和ACA, 具体做法是用普通漏版印刷技术在天线基板焊盘相应位置涂刷一层A C A ,利用倒装芯片贴片机将芯片贴放到对应位置,然后热压固化。
还有另一种键合方式是先制造RFID 模块, 然后将其与天线基板进行铆接组装。
2.3 RFID 标签封装设备
目前RFID 产品的封装设备只有国外一些厂商提供,柔性基板的标签均选用从卷到卷的生产方式, 该生产线包括基板进料、上胶、芯片翻转贴装(倒装)、热压固化、测试、基板收料等工艺流程。另一种生产方式为先制造RFID 模块,然后将其与天线基板进行键合组装。该方法由独立的可精密定位的芯片转移设备将芯片置于载带构成芯片模块,再由芯片模块将芯片转移至天线基板,其优点是两次转移可独立并行执行,芯片翻转通过载带的盘卷方式实现, 因而生产效率得以提高。
柔性基板的标签通过全自动高速卷对卷的设备生产,非接触Transponder 的生产通过将导电胶准确附于天线的引脚, 倒扣芯片封装,并对每个Transponder 检测以达到最佳的产品质量。设备点胶采用钢箔网印技术, 应用视觉定位系统,使用两组机械手臂高精准取放芯片, 通过可调温度、时间与压力的热压头封装,读卡头自动全检ISO 标准Transponder并统计合格率。
2.4 电子标签的封装形式
从实际应用看, 电子标签的封装形式较多,不受标准形状和尺寸的限制,而且其构成也是千差万别,甚至需要根据各种不同要求进行特殊的设计。目前已得到应用的Transponder 的尺寸从￠6mm 到76 × 45mm,小的甚至使用微米级芯片制成、包括天线在内也只有0 . 4 × 0 . 4 m m 的大小; 存储容量从6 4 -200bit 的只读ID 号的小容量型到可存储数万比特数据的大容量型(例如EEPROM32Kbit);封装材质从不干胶到开模具注塑成型的塑料。对于电子标签的各种封装形式,其材质、构成等各不相同。
(1)卡片类(PVC、纸、其他)
层压式, 有熔压和封压两种。熔压是由中心层的INLAY 片材和上下两片PVC 材加温加压制作而成。P V C 材料与I N L A Y 熔合后经冲切成ISO7816 所规定的尺寸大小。当芯片采用Transponder时芯片凸起在天线平面之上(天线厚0.01～0.03mm),可以采用另一种层压方式,即封压。此时,基材通常为PET或纸,芯片厚度通常为0.20～0.38mm,制卡封装时仅将PVC 在天线周边封合,不是熔合,芯片部位不受挤压,可以避免出现芯片被压碎。胶合式,采用纸或其他材料通过冷胶的方式使Transponder 上下材料胶合成一体,再模切成各种尺寸的卡片。
(2)标签类
粘贴式,成品可制成为人工或贴标机揭取的卷标形式,是应用中最多的主流产品,即商标背面附着电子标签,直接贴在被标识物上。如航空用行李标签, 托盘用标签等。吊牌式, 对应于服装、物品采用吊牌类产品, 特点是尺寸紧凑, 可以回收。
(3)异形类
金属表面设置型,大多数电子标签不同程度地会受到金属的影响而不能正常工作。这类标签经过特殊处理,可以设置在金属上并可以读写。用于压力容器、锅炉、消防器材等各类金属件的表面。
腕带型,可以一次性(如医用)或重复使用(如游乐场)。
动、植物使用型, 封装形式可以是注射式玻璃管、悬挂式耳标、套扣式脚环等。电子标签技术以其突破性的技术特点和广泛的适用性, 越来越多的得到了市场的认可。随着芯片制造工艺、封装工艺的进一步改善,以及封装设备和材料的日趋成熟,电子标签必将更加适合我们的需求。同时也留给我们一系列新的课题,有待我们去改进和完善。(文/山东山铝电子技术有限公司 刁裕博)
