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網(wǎng)印與RFID天線制造
作者:RFID世界網(wǎng) 收編
來(lái)源:RFID世界網(wǎng)
日期:2007-03-15 22:08:21
摘要:經(jīng)網(wǎng)印或凹印再經(jīng)蝕刻制成的回路天線,是R F I D 不可缺少的一部分,所以R F I D的發(fā)展也在帶動(dòng)著RFID 回路天線的發(fā)展。
經(jīng)網(wǎng)印或凹印再經(jīng)蝕刻制成的回路天線,是R F I D 不可缺少的一部分,所以R F I D的發(fā)展也在帶動(dòng)著RFID 回路天線的發(fā)展。筆者最近同國(guó)內(nèi)大部分RFID 回路天線制造商接觸,發(fā)現(xiàn)用φ0.013 mm 粗的銅導(dǎo)線制造回路天線的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去了。而用PET 或P P 作為基材,兩面覆銅箔的時(shí)代也在去年就消失了(這是因?yàn)殂~價(jià)格漲幅太大,制造商無(wú)法承受),而現(xiàn)在最流行的就是以P E T 或P P 為基材在雙面黏合0.025~0.076 mm 鋁箔的方法作為基體,然后凹印掩膜圖形(天線圖形),最后進(jìn)行蝕刻。
2006 年4 月我在海淀體育館舉辦的IC 展覽會(huì)上拿到了清華紫光帶有芯片的RFID 的天線樣品,天線是用銀漿網(wǎng)印的,這個(gè)樣品大概就標(biāo)志著我們制造R F I D 天線的方向。最近有不少?gòu)S商和準(zhǔn)備生產(chǎn)RFID 的朋友給我打電話,討論銀漿是否還漲價(jià),銅漿可否代替銀漿用于RFID 天線的網(wǎng)印。不難看出他們是想用直接網(wǎng)印銀漿的方法來(lái)完成天線的制造,我認(rèn)為這是一個(gè)很大的飛躍,首先使生產(chǎn)程序大大縮短,加快生產(chǎn)周期,杜絕了環(huán)境的污染和給操作者帶來(lái)的健康危害。
RFID 天線制造歷程和現(xiàn)狀
1. 導(dǎo)線的捆扎時(shí)代
最早的R F I D 天線制造大都用0 . 0 1 3 ~0.025 mm 的銅導(dǎo)線扎制而成(銅導(dǎo)線有絕緣層),這在大件的物體或機(jī)箱中使用是可行的,在小型機(jī)箱中使用就受限制了。
2. 網(wǎng)印圖形蝕刻法
為使天線減小體積和用于平面的粘貼,采用在絕緣體(片材)表面覆銅箔。然后用網(wǎng)印抗蝕油墨制成圖形,蝕刻后去墨清洗,最后裁割成形。采用此種工藝,雖能滿足一定的批量的生產(chǎn),但成本較高。另外此種天線均為雙面,加工起來(lái)較復(fù)雜,不多久就被下述方法代替。
3. 凹印圖形蝕刻法
雙面覆鋁箔→雙面凹印抗蝕圖形→雙面U V 固化→雙面蝕刻→雙面去膜⋯⋯以上整個(gè)流程均為軸對(duì)軸的生產(chǎn),有的連成線,有的分段進(jìn)行。目前國(guó)外和國(guó)內(nèi)大都用此種方法制造R F I D 天線,其突出的優(yōu)點(diǎn)是速度快、產(chǎn)量高。
4. 用印制導(dǎo)電漿料的方法制造RFID 天線
此方法是用導(dǎo)電漿料代替鋁箔或銅箔的導(dǎo)線,現(xiàn)有網(wǎng)印和凹印兩種方法。
1 )網(wǎng)印導(dǎo)電漿料
(1)網(wǎng)版的制造:無(wú)論用何種方法制造網(wǎng)版,第一要求都是應(yīng)有最佳的耐印率。第二則是根據(jù)R F I D天線導(dǎo)電層的厚度來(lái)決定網(wǎng)版圖形的厚度,在這里要提出的是當(dāng)印出天線的圖形固化后要進(jìn)行厚度的測(cè)量,既要保持厚度的均勻性,又要保持每件的一致性。最后進(jìn)行方阻值的測(cè)試,待方阻值控制在允許的技術(shù)范圍之內(nèi)后,確認(rèn)工藝參數(shù)實(shí)施于網(wǎng)印。除此之外,如果用間接法制網(wǎng)版,還應(yīng)考慮到膜片厚度的消耗因素。
(2 )網(wǎng)印:大都采用自動(dòng)或半自動(dòng)印刷機(jī),進(jìn)料和輸出料的方式均用軸對(duì)軸的方式。在本工序中最主要的是不能停機(jī),因此要在清潔環(huán)境中進(jìn)行生產(chǎn)。為使生產(chǎn)不間斷,最好在網(wǎng)版上面安裝一套自動(dòng)上墨系統(tǒng)和雙側(cè)歸墨板(作用是使油墨每刮印一次,將延出邊緣的油墨歸入圖形中部,待回墨后再次刮?。?,防止油墨擴(kuò)延至邊緣,致使溶劑揮發(fā)改變黏度。安裝一套自動(dòng)上墨系統(tǒng)的目的也是保持油墨黏度始終如一,保持刮印的均勻性和一致性。另外,膠刮的硬度、膠刮的運(yùn)行速度、網(wǎng)印角度、網(wǎng)距等參數(shù)一經(jīng)確認(rèn)不可隨意改變。
注意網(wǎng)版起落和進(jìn)出料速度的匹配,一般情況下進(jìn)料、網(wǎng)印、出料一個(gè)循環(huán)大約為7~10 s,只有在這個(gè)速度下才能完成一定數(shù)量。
用此網(wǎng)印導(dǎo)電漿料的方法雖可完成相當(dāng)?shù)呐?,但只限于單面,一遇到雙面生產(chǎn)就較麻煩,原因有對(duì)位重合難;收卷松緊無(wú)法掌握,出現(xiàn)誤差太大。如果是全自動(dòng)雙面網(wǎng)印機(jī)(專用自動(dòng)線)情況就完全不同了,前面手工或半自動(dòng)遇到的問題就都能迎刃而解了(有一定數(shù)量的公司已經(jīng)引進(jìn)或正在引進(jìn)這種自動(dòng)線)。
2 )凹印導(dǎo)電漿料
和上述的網(wǎng)印導(dǎo)電漿料的區(qū)別只是印刷方式的不同。在網(wǎng)印中,網(wǎng)版的制造對(duì)天線圖形厚度有一定的影響;而在凹印時(shí),凹印輥圖形的深淺也是決定墨層薄厚的一個(gè)因素。但是在凹印輥圖形的制造中又有激光雕刻和傳統(tǒng)制版方法兩種,前者能把圖形的凹槽加工得較為準(zhǔn)確(指凹槽的深淺和線的寬度),在后工序的操作中能提供較為精確的數(shù)值,且能很好地控制對(duì)油墨的厚度和掌握油墨的流涎。相對(duì)而言,凹印導(dǎo)電漿料制造R F I D 天線是較好的方式,其特點(diǎn)為:圖形準(zhǔn)確、厚度一致均勻、印出的圖形能滿足電性能要求。
3 )導(dǎo)電漿料方阻測(cè)算及成本
有不少人認(rèn)為測(cè)量導(dǎo)體的電阻,將三用表的兩個(gè)極棒接觸兩端看表盤的讀數(shù)就可以了,這種方法雖然可行,但是我們所要求的是體積電阻,這和我們所印漿料的厚度、長(zhǎng)度、寬度有直接關(guān)系,現(xiàn)在國(guó)際上執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是方阻值:(Ω / □)即在厚度相同的情況一個(gè)正方體任意對(duì)邊的電阻即為本導(dǎo)體的方阻值。
最近國(guó)外國(guó)內(nèi)有多家推出用于R F I D 天線的導(dǎo)電銀漿,在所有的報(bào)導(dǎo)中都說(shuō)自己的漿料有最小的電阻值、細(xì)膩、穩(wěn)定,但是電阻值有多小呢?到底用于R F I D 天線的印制后成本如何呢?我們必須做一個(gè)深入的研究和測(cè)試才有答案:有一個(gè)公司舉例說(shuō)他們的銀漿在0.4 mm 寬、1.4 m 長(zhǎng)、5 μ m 厚的情況下電阻值為4 0 Ω,經(jīng)過(guò)測(cè)算方阻值只有0.011 Ω / 口,這表明銀漿中銀的含量在5 1 % 以上,而此種銀含量的銀漿在國(guó)內(nèi)價(jià)格為2 0 0 0 ~3 000 元/kg ,那么我們每支天線所用漿料是多少呢?大約為2 g 左右,每支天線的價(jià)格就得幾元(這里是指材料費(fèi)),從上述計(jì)算不難看出使用此漿料的成本還是很高的。
我們?cè)趫?bào)導(dǎo)中看到的杜邦公司推出的專用漿料,國(guó)內(nèi)推出的漿料,最近韓國(guó)新發(fā)明的一種印在紙表面的導(dǎo)電油墨來(lái)完成天線的制造,曼羅蘭開發(fā)的直接印刷系統(tǒng)、用于RFID 以幫助消費(fèi)者判斷那些易腐爛的食物和產(chǎn)品打開時(shí)間的印料⋯⋯在這些鼓舞人心的報(bào)導(dǎo)中,誰(shuí)都沒有講他們的材料和技術(shù)用到了何種產(chǎn)品上,哪家公司已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn),誰(shuí)都沒有去計(jì)算成本。
在當(dāng)今天的商品經(jīng)濟(jì)社會(huì)中,商品是由本身的質(zhì)量和成本組成的,兩者缺一不可,而且是相互影響的。比如:海爾空調(diào)進(jìn)入沃爾瑪超市,所用的RFID 標(biāo)簽?zāi)芎鸵黄肯窗l(fā)水的標(biāo)簽價(jià)格相同嗎?同樣,一件普通的商品能同一列火車的車皮的標(biāo)簽相同嗎?世界上的發(fā)達(dá)國(guó)家正在測(cè)試5 美分的低價(jià)標(biāo)簽,用于單件的日用品和食品,顯然這個(gè)價(jià)格在我國(guó)是無(wú)法接受的??傊?,我國(guó)的導(dǎo)電銀漿價(jià)格如果降不下來(lái),或者沒有合適的替代品,R F I D 的標(biāo)簽成本是降不下來(lái)的。對(duì)于成本,RFID 天線制造商必須先熟悉訂單的技術(shù)要求,這個(gè)要求主要來(lái)自兩個(gè)方面:一是組成圖形天線的長(zhǎng)度、寬度和導(dǎo)線厚度;二是這樣長(zhǎng)的導(dǎo)線所需和允許的電阻值,通過(guò)計(jì)算來(lái)選擇導(dǎo)電漿料的方阻值,方可計(jì)算成本。
現(xiàn)代RFID 天線制造的三大要素
制造R F I D 天線的三大要素為:網(wǎng)?。ò加。?、固化(干燥)、收卷。
1 .網(wǎng)?。ò加。斑呉延兄v述。
2 .固化(干燥)。
1 )在凹印抗蝕油墨的工序中,有的工廠凹印后既有U V 固化又有I R 固化,由于所使用的油墨既需要U V 固化又要進(jìn)行I R 固化。通過(guò)近兩年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)這樣做是錯(cuò)誤的,原因有:
(1 )浪費(fèi)了能源;
(2 )有溶劑揮發(fā)污染環(huán)境;
(3 )加工繁瑣;
(4 )給后工序造成麻煩(褪油墨時(shí)困難);
(5 )廢品數(shù)量增加。
后經(jīng)過(guò)我們的努力,已經(jīng)在有關(guān)廠去掉了I R 固化系統(tǒng),使他們的生產(chǎn)面貌大大改觀,不僅節(jié)約了能源,降低了成本,還增加了成品率。
在網(wǎng)印或凹印導(dǎo)電漿料時(shí),均為IR 固化,這時(shí)對(duì)導(dǎo)電漿料的選擇就非常重要,選擇合適的固化設(shè)備更為重要。在I R 固化的系統(tǒng)中應(yīng)始終保持馬鞍形的加溫曲線,因此要想在短時(shí)間達(dá)到完全固化的目的,最主要的方法是增加烘道的長(zhǎng)度,這樣才能使被烘烤的天線漿料有較長(zhǎng)的固化時(shí)間。測(cè)試完全固化的方法非常簡(jiǎn)單,只要把固化完全的天線放入相對(duì)濕度85%~90% 的環(huán)境中保持24 h 再測(cè)試阻值,不超過(guò)1 0 % 就可以(這里的測(cè)試是自己生產(chǎn)中的自行測(cè)試, 以便掌握固化的規(guī)律,規(guī)范的測(cè)試還應(yīng)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))。
我認(rèn)為最佳的固化方式還是應(yīng)用高紅外技術(shù),它不僅節(jié)約能源,而且設(shè)備的占地面積也只有普通I R 烘道的1 / 5,而固化時(shí)間可縮短至十幾秒。其特點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間短,接通電源1 min 后可使溫度升高至所需值。因高紅外技術(shù)是全波段,瞬時(shí)可使油墨的內(nèi)層表層同時(shí)固化,解決了表面固化而內(nèi)層和底層固化不完全的弊病。具體對(duì)比如下,以軸對(duì)軸的傳送方式普通I R 固化線和高紅外的比較(表1 是使用同一種導(dǎo)電漿料的情況下的比較)。
此項(xiàng)高紅外技術(shù)可很好地解決生產(chǎn)中導(dǎo)電漿料固化的瓶頸問題,已經(jīng)在其他電子行業(yè)推廣,近期在R F I D 行業(yè)中也有廠家準(zhǔn)備使用。
3 .關(guān)于收卷的偏差:因是軸對(duì)軸的傳送方式,收卷的精度很重要,在凹印中(無(wú)論是印抗蝕油墨還是導(dǎo)電漿料)收卷的精度也影響著雙面圖形的重合度,在現(xiàn)代生產(chǎn)線上所使用的凹印機(jī)的傳送精度基本上能保證。但隨著收卷直徑的增大,使用廠家都用電子校正儀控制跑偏,可控制在0.3~0.8 mm之間。但是應(yīng)注意的是蝕刻線或固化線,因長(zhǎng)度的原因跑偏可能要超過(guò)以上的范圍,有的操作者忽略了這一工序中出現(xiàn)跑偏的問題,嚴(yán)重者將影響蝕刻的質(zhì)量和去墨的效果。
凹印油墨的自動(dòng)添加和循環(huán)系統(tǒng)
在一般的凹印中大都不設(shè)此系統(tǒng),但是隨著產(chǎn)量的增加,一般的工廠大都為兩班三運(yùn)轉(zhuǎn)——充分發(fā)揮設(shè)備的利用率,但是工人們每次上墨都是手提油墨桶,將稀釋好黏度的油墨倒入供墨槽,油墨的黏度終始無(wú)法控制。將不同程度地產(chǎn)生薄厚不均,對(duì)耐蝕刻性或電阻值都會(huì)產(chǎn)生不良影響。解決的辦法是在凹印機(jī)的外部增加一套油墨自動(dòng)添加和循環(huán)系統(tǒng),具體做法是:根據(jù)廠房設(shè)備的布局在凹印機(jī)的外部(距凹印機(jī)越近越好)設(shè)立一個(gè)20~40 kg 的恒溫儲(chǔ)墨槽,利用管道分別將油墨通向兩個(gè)供墨槽,兩個(gè)供墨槽分別設(shè)有溢出口,使多余的油墨通過(guò)溢出口再流回儲(chǔ)墨槽,其優(yōu)點(diǎn)是:
● 兩供墨槽的黏度、溫度能保持一致;
● 可長(zhǎng)期循環(huán)使用,減少油墨的浪費(fèi);
● 可以使凹印的厚度均勻;
● 工作條件穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)。
蝕刻設(shè)備及蝕刻方式
R F I D 天線制造中的蝕刻是很重要的一個(gè)工序,在這個(gè)工序中,蝕刻的方式仍然用軸對(duì)軸傳動(dòng),但我看到有的工廠在這一工序中成品率不高,這是因?yàn)樵谑褂梦g刻機(jī)中有誤區(qū)。
誤區(qū)1 :認(rèn)為可以蝕刻雙面電路板的蝕刻機(jī)均可搬來(lái)使用。其實(shí)不然,在上下噴淋的力度上應(yīng)做調(diào)整,當(dāng)收卷時(shí),雙面圖形同時(shí)蝕刻完畢,但有的廠做得很勉強(qiáng)。在軸對(duì)軸的蝕刻中,上下噴嘴相互影響,所以有功率自動(dòng)線長(zhǎng)固化時(shí)間固化方式升溫時(shí)間時(shí)會(huì)出現(xiàn)蝕刻不均勻的現(xiàn)象。
誤區(qū)2 :蝕刻液大都用一定濃度的鹽酸,為了增強(qiáng)蝕刻能力再加入一定量的雙氧水。出現(xiàn)的問題是:開始使用新溶液,溶液和鋁反應(yīng)快、溫度高,很快就完成了圖形的蝕刻,但隨著時(shí)間的推移,到后期溶液完全沒有蝕刻能力,溫度下降,于是再加入新溶液,這樣就出現(xiàn)了上述的情況,這種不穩(wěn)定因素嚴(yán)重地影響質(zhì)量,解決的辦法是安裝一套自動(dòng)校驗(yàn)補(bǔ)加系統(tǒng)。目前這套系統(tǒng)國(guó)內(nèi)已有生產(chǎn),其性能和精度完全能滿足要求,無(wú)需花巨資買進(jìn)口產(chǎn)品。
誤區(qū)3 :有的工廠錯(cuò)誤地將蝕刻設(shè)備和去墨設(shè)備連成一條線,認(rèn)為是提高了自動(dòng)化水平,但是將兩線連在一起有十幾米長(zhǎng),一旦蝕刻或去墨段出現(xiàn)問題需暫時(shí)停機(jī),停機(jī)就要損失若干片產(chǎn)品。另外蝕刻段和去墨段很難做到速度上的匹配。
未來(lái)蝕刻的展望:在R F I D 天線制造中,蝕刻占有一定的比重,在廢液的回收和處理上仍不完善,有的由所謂的污水處理商買去(低價(jià)或免費(fèi)),可能又出現(xiàn)了第二次污染。北京一家公司已經(jīng)解決了回收技術(shù)的問題,并完善了回收程序,但因費(fèi)用較高暫時(shí)不能承接污水回收業(yè)務(wù),他們正在研究更廉價(jià)的回收手段。
電解蝕刻的前景:電解蝕刻雖然是一種傳統(tǒng)技術(shù),但隨著我國(guó)工業(yè)的飛速發(fā)展,
在有關(guān)圖形蝕刻的領(lǐng)域中越來(lái)越受到青睞。如標(biāo)牌、面板、禮品、裝飾和電子行業(yè)中的柵網(wǎng)、集成線路框架等大都采用或正在準(zhǔn)備采用電解蝕刻。因?yàn)樗邢铝袃?yōu)勢(shì):
● 蝕刻液屬環(huán)保型,無(wú)大量的廢液廢氣排出;
● 蝕刻液價(jià)格便宜,使用方便;
● 設(shè)備簡(jiǎn)單,投資較?。?nbsp;
● 蝕刻速度較快,適于軸對(duì)軸的成批生產(chǎn)。
目前此種技術(shù)用于RFID 天線的應(yīng)用設(shè)備,發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)用于生產(chǎn),我國(guó)也已經(jīng)有用于設(shè)備生產(chǎn),但還有待進(jìn)一步完善。預(yù)計(jì)明年可投入使用的設(shè)備,將使用戶更滿意。
導(dǎo)電漿料的選擇和使用
前面所講使用導(dǎo)電漿料用網(wǎng)印或凹印制造RFID 天線的趨勢(shì)正在加速,從目前國(guó)內(nèi)的RFID 天線的生產(chǎn)廠家來(lái)看,還沒有把導(dǎo)電漿料用于生產(chǎn)線,有的只是小批量、小規(guī)模的試制。根據(jù)現(xiàn)在RFID 天線生產(chǎn)的種類看,整個(gè)導(dǎo)線(天線)的電阻大都在40~60 Ω左右,在導(dǎo)電漿料的選擇上必須是銀漿,才能滿足天線的電阻值要求。前段時(shí)間,國(guó)內(nèi)有些公司試用銅漿代替,試驗(yàn)有新進(jìn)展,但銅粉氧化得太快,吸取國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)采用銀包銅的方法,解決了銅氧化過(guò)快的問題,并提高了導(dǎo)電性能,但該成本核算價(jià)格太高。如果價(jià)格超過(guò)銀粉、銅粉,這種方法就毫無(wú)意義了。為什么國(guó)內(nèi)外沒有很好地將導(dǎo)電銀漿用于RFID 天線的制造呢?原因很簡(jiǎn)單,到目前為止所用的導(dǎo)電銀漿價(jià)格太高,而銀粉的價(jià)格的上漲幅度雖不像銅那樣的迅猛,一旦再漲價(jià),用戶將蒙受損失。另外在網(wǎng)印導(dǎo)電漿料中,厚度控制比較難,如果印的墨層厚了方阻值能保證,一旦印薄了方阻值減少產(chǎn)品不合格,只能報(bào)廢且無(wú)返修的余地。這樣對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的要求就又提高了檔次——最低也需十萬(wàn)級(jí)的凈化室,這一項(xiàng)又增加了成本。在導(dǎo)電銀漿的選擇上,廠家對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品不敢問津,而國(guó)產(chǎn)的用起來(lái)穩(wěn)定性較差,鑒于上述的種種原因,制造商的決策是以穩(wěn)妥為好,還是選擇使用老工藝。
關(guān)于導(dǎo)電銀漿(導(dǎo)電漿料)用于REID 天線制造的信息很多,先是于2004 年底美國(guó)杜邦公司推出專門用于RFID 的天線印刷油墨MCM5033 ,其特點(diǎn)是銀的含量低、遮蓋力強(qiáng)、有良好的印刷性、能降低高頻H F 及超高頻U H F 天線的制造成本。而今年韓國(guó)大田市的A B C 納米技術(shù)公司開發(fā)出一種納米導(dǎo)電墨水,可應(yīng)用于快速發(fā)展的R F I D 天線制造,優(yōu)點(diǎn)為:有理想的電阻率、固體含量低、銀的顆粒直徑小于25 nm,可以很均勻地分布于膠體之中。
在國(guó)內(nèi),先是上海寶銀公司推出Rf 2000d 導(dǎo)電銀漿用于R F I D 天線的制造,其優(yōu)點(diǎn)是能很好地與P E T或PP 結(jié)合,最后告訴我們完全能取代銅線的扎制、銅箔蝕刻等傳統(tǒng)工藝,但是現(xiàn)在R F I D 天線的制造,那還會(huì)有銅線和銅箔蝕刻工藝呢?為了研究R F I D 天線的制造水平,我收集了很多的樣品:既有銅導(dǎo)線扎制的天線和銅箔蝕刻的天線,也有凹印鋁箔的天線,當(dāng)然我最需要的還是國(guó)內(nèi)外網(wǎng)印或凹印導(dǎo)電漿料圖形的天線。通過(guò)對(duì)這些樣品尺寸體積的測(cè)量和對(duì)方阻值的測(cè)試,阻值還是較低的,說(shuō)明這些導(dǎo)電漿料均以銀粉為導(dǎo)電相的漿料,且含銀量較高,當(dāng)然價(jià)格也很高。
北京力拓達(dá)科技公司早在兩年前就著手研制開發(fā)適合我國(guó)RFID 發(fā)展模式的導(dǎo)電漿料,綜合國(guó)內(nèi)外的實(shí)際情況,在Ω/ 口滿足產(chǎn)品指標(biāo)的情況下,把成本放在首位,他們的目標(biāo)是:RFID 天線制造商能承受的價(jià)格,否則將束之高閣,無(wú)人問津??春么松虣C(jī),諸多的商家開始涌入這個(gè)市場(chǎng),接下來(lái)就是這些商家們的競(jìng)爭(zhēng)了,只有這樣產(chǎn)品質(zhì)量才能提升,成本和價(jià)格才能下降,才能更快地促進(jìn)我國(guó)RFID 生產(chǎn)的進(jìn)步和發(fā)展。
2006 年4 月我在海淀體育館舉辦的IC 展覽會(huì)上拿到了清華紫光帶有芯片的RFID 的天線樣品,天線是用銀漿網(wǎng)印的,這個(gè)樣品大概就標(biāo)志著我們制造R F I D 天線的方向。最近有不少?gòu)S商和準(zhǔn)備生產(chǎn)RFID 的朋友給我打電話,討論銀漿是否還漲價(jià),銅漿可否代替銀漿用于RFID 天線的網(wǎng)印。不難看出他們是想用直接網(wǎng)印銀漿的方法來(lái)完成天線的制造,我認(rèn)為這是一個(gè)很大的飛躍,首先使生產(chǎn)程序大大縮短,加快生產(chǎn)周期,杜絕了環(huán)境的污染和給操作者帶來(lái)的健康危害。
RFID 天線制造歷程和現(xiàn)狀
1. 導(dǎo)線的捆扎時(shí)代
最早的R F I D 天線制造大都用0 . 0 1 3 ~0.025 mm 的銅導(dǎo)線扎制而成(銅導(dǎo)線有絕緣層),這在大件的物體或機(jī)箱中使用是可行的,在小型機(jī)箱中使用就受限制了。
2. 網(wǎng)印圖形蝕刻法
為使天線減小體積和用于平面的粘貼,采用在絕緣體(片材)表面覆銅箔。然后用網(wǎng)印抗蝕油墨制成圖形,蝕刻后去墨清洗,最后裁割成形。采用此種工藝,雖能滿足一定的批量的生產(chǎn),但成本較高。另外此種天線均為雙面,加工起來(lái)較復(fù)雜,不多久就被下述方法代替。
3. 凹印圖形蝕刻法
雙面覆鋁箔→雙面凹印抗蝕圖形→雙面U V 固化→雙面蝕刻→雙面去膜⋯⋯以上整個(gè)流程均為軸對(duì)軸的生產(chǎn),有的連成線,有的分段進(jìn)行。目前國(guó)外和國(guó)內(nèi)大都用此種方法制造R F I D 天線,其突出的優(yōu)點(diǎn)是速度快、產(chǎn)量高。
4. 用印制導(dǎo)電漿料的方法制造RFID 天線
此方法是用導(dǎo)電漿料代替鋁箔或銅箔的導(dǎo)線,現(xiàn)有網(wǎng)印和凹印兩種方法。
1 )網(wǎng)印導(dǎo)電漿料
(1)網(wǎng)版的制造:無(wú)論用何種方法制造網(wǎng)版,第一要求都是應(yīng)有最佳的耐印率。第二則是根據(jù)R F I D天線導(dǎo)電層的厚度來(lái)決定網(wǎng)版圖形的厚度,在這里要提出的是當(dāng)印出天線的圖形固化后要進(jìn)行厚度的測(cè)量,既要保持厚度的均勻性,又要保持每件的一致性。最后進(jìn)行方阻值的測(cè)試,待方阻值控制在允許的技術(shù)范圍之內(nèi)后,確認(rèn)工藝參數(shù)實(shí)施于網(wǎng)印。除此之外,如果用間接法制網(wǎng)版,還應(yīng)考慮到膜片厚度的消耗因素。
(2 )網(wǎng)印:大都采用自動(dòng)或半自動(dòng)印刷機(jī),進(jìn)料和輸出料的方式均用軸對(duì)軸的方式。在本工序中最主要的是不能停機(jī),因此要在清潔環(huán)境中進(jìn)行生產(chǎn)。為使生產(chǎn)不間斷,最好在網(wǎng)版上面安裝一套自動(dòng)上墨系統(tǒng)和雙側(cè)歸墨板(作用是使油墨每刮印一次,將延出邊緣的油墨歸入圖形中部,待回墨后再次刮?。?,防止油墨擴(kuò)延至邊緣,致使溶劑揮發(fā)改變黏度。安裝一套自動(dòng)上墨系統(tǒng)的目的也是保持油墨黏度始終如一,保持刮印的均勻性和一致性。另外,膠刮的硬度、膠刮的運(yùn)行速度、網(wǎng)印角度、網(wǎng)距等參數(shù)一經(jīng)確認(rèn)不可隨意改變。
注意網(wǎng)版起落和進(jìn)出料速度的匹配,一般情況下進(jìn)料、網(wǎng)印、出料一個(gè)循環(huán)大約為7~10 s,只有在這個(gè)速度下才能完成一定數(shù)量。
用此網(wǎng)印導(dǎo)電漿料的方法雖可完成相當(dāng)?shù)呐?,但只限于單面,一遇到雙面生產(chǎn)就較麻煩,原因有對(duì)位重合難;收卷松緊無(wú)法掌握,出現(xiàn)誤差太大。如果是全自動(dòng)雙面網(wǎng)印機(jī)(專用自動(dòng)線)情況就完全不同了,前面手工或半自動(dòng)遇到的問題就都能迎刃而解了(有一定數(shù)量的公司已經(jīng)引進(jìn)或正在引進(jìn)這種自動(dòng)線)。
2 )凹印導(dǎo)電漿料
和上述的網(wǎng)印導(dǎo)電漿料的區(qū)別只是印刷方式的不同。在網(wǎng)印中,網(wǎng)版的制造對(duì)天線圖形厚度有一定的影響;而在凹印時(shí),凹印輥圖形的深淺也是決定墨層薄厚的一個(gè)因素。但是在凹印輥圖形的制造中又有激光雕刻和傳統(tǒng)制版方法兩種,前者能把圖形的凹槽加工得較為準(zhǔn)確(指凹槽的深淺和線的寬度),在后工序的操作中能提供較為精確的數(shù)值,且能很好地控制對(duì)油墨的厚度和掌握油墨的流涎。相對(duì)而言,凹印導(dǎo)電漿料制造R F I D 天線是較好的方式,其特點(diǎn)為:圖形準(zhǔn)確、厚度一致均勻、印出的圖形能滿足電性能要求。
3 )導(dǎo)電漿料方阻測(cè)算及成本
有不少人認(rèn)為測(cè)量導(dǎo)體的電阻,將三用表的兩個(gè)極棒接觸兩端看表盤的讀數(shù)就可以了,這種方法雖然可行,但是我們所要求的是體積電阻,這和我們所印漿料的厚度、長(zhǎng)度、寬度有直接關(guān)系,現(xiàn)在國(guó)際上執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是方阻值:(Ω / □)即在厚度相同的情況一個(gè)正方體任意對(duì)邊的電阻即為本導(dǎo)體的方阻值。
最近國(guó)外國(guó)內(nèi)有多家推出用于R F I D 天線的導(dǎo)電銀漿,在所有的報(bào)導(dǎo)中都說(shuō)自己的漿料有最小的電阻值、細(xì)膩、穩(wěn)定,但是電阻值有多小呢?到底用于R F I D 天線的印制后成本如何呢?我們必須做一個(gè)深入的研究和測(cè)試才有答案:有一個(gè)公司舉例說(shuō)他們的銀漿在0.4 mm 寬、1.4 m 長(zhǎng)、5 μ m 厚的情況下電阻值為4 0 Ω,經(jīng)過(guò)測(cè)算方阻值只有0.011 Ω / 口,這表明銀漿中銀的含量在5 1 % 以上,而此種銀含量的銀漿在國(guó)內(nèi)價(jià)格為2 0 0 0 ~3 000 元/kg ,那么我們每支天線所用漿料是多少呢?大約為2 g 左右,每支天線的價(jià)格就得幾元(這里是指材料費(fèi)),從上述計(jì)算不難看出使用此漿料的成本還是很高的。
我們?cè)趫?bào)導(dǎo)中看到的杜邦公司推出的專用漿料,國(guó)內(nèi)推出的漿料,最近韓國(guó)新發(fā)明的一種印在紙表面的導(dǎo)電油墨來(lái)完成天線的制造,曼羅蘭開發(fā)的直接印刷系統(tǒng)、用于RFID 以幫助消費(fèi)者判斷那些易腐爛的食物和產(chǎn)品打開時(shí)間的印料⋯⋯在這些鼓舞人心的報(bào)導(dǎo)中,誰(shuí)都沒有講他們的材料和技術(shù)用到了何種產(chǎn)品上,哪家公司已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn),誰(shuí)都沒有去計(jì)算成本。
在當(dāng)今天的商品經(jīng)濟(jì)社會(huì)中,商品是由本身的質(zhì)量和成本組成的,兩者缺一不可,而且是相互影響的。比如:海爾空調(diào)進(jìn)入沃爾瑪超市,所用的RFID 標(biāo)簽?zāi)芎鸵黄肯窗l(fā)水的標(biāo)簽價(jià)格相同嗎?同樣,一件普通的商品能同一列火車的車皮的標(biāo)簽相同嗎?世界上的發(fā)達(dá)國(guó)家正在測(cè)試5 美分的低價(jià)標(biāo)簽,用于單件的日用品和食品,顯然這個(gè)價(jià)格在我國(guó)是無(wú)法接受的??傊?,我國(guó)的導(dǎo)電銀漿價(jià)格如果降不下來(lái),或者沒有合適的替代品,R F I D 的標(biāo)簽成本是降不下來(lái)的。對(duì)于成本,RFID 天線制造商必須先熟悉訂單的技術(shù)要求,這個(gè)要求主要來(lái)自兩個(gè)方面:一是組成圖形天線的長(zhǎng)度、寬度和導(dǎo)線厚度;二是這樣長(zhǎng)的導(dǎo)線所需和允許的電阻值,通過(guò)計(jì)算來(lái)選擇導(dǎo)電漿料的方阻值,方可計(jì)算成本。
現(xiàn)代RFID 天線制造的三大要素
制造R F I D 天線的三大要素為:網(wǎng)?。ò加。?、固化(干燥)、收卷。
1 .網(wǎng)?。ò加。斑呉延兄v述。
2 .固化(干燥)。
1 )在凹印抗蝕油墨的工序中,有的工廠凹印后既有U V 固化又有I R 固化,由于所使用的油墨既需要U V 固化又要進(jìn)行I R 固化。通過(guò)近兩年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)這樣做是錯(cuò)誤的,原因有:
(1 )浪費(fèi)了能源;
(2 )有溶劑揮發(fā)污染環(huán)境;
(3 )加工繁瑣;
(4 )給后工序造成麻煩(褪油墨時(shí)困難);
(5 )廢品數(shù)量增加。
后經(jīng)過(guò)我們的努力,已經(jīng)在有關(guān)廠去掉了I R 固化系統(tǒng),使他們的生產(chǎn)面貌大大改觀,不僅節(jié)約了能源,降低了成本,還增加了成品率。
在網(wǎng)印或凹印導(dǎo)電漿料時(shí),均為IR 固化,這時(shí)對(duì)導(dǎo)電漿料的選擇就非常重要,選擇合適的固化設(shè)備更為重要。在I R 固化的系統(tǒng)中應(yīng)始終保持馬鞍形的加溫曲線,因此要想在短時(shí)間達(dá)到完全固化的目的,最主要的方法是增加烘道的長(zhǎng)度,這樣才能使被烘烤的天線漿料有較長(zhǎng)的固化時(shí)間。測(cè)試完全固化的方法非常簡(jiǎn)單,只要把固化完全的天線放入相對(duì)濕度85%~90% 的環(huán)境中保持24 h 再測(cè)試阻值,不超過(guò)1 0 % 就可以(這里的測(cè)試是自己生產(chǎn)中的自行測(cè)試, 以便掌握固化的規(guī)律,規(guī)范的測(cè)試還應(yīng)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))。
我認(rèn)為最佳的固化方式還是應(yīng)用高紅外技術(shù),它不僅節(jié)約能源,而且設(shè)備的占地面積也只有普通I R 烘道的1 / 5,而固化時(shí)間可縮短至十幾秒。其特點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間短,接通電源1 min 后可使溫度升高至所需值。因高紅外技術(shù)是全波段,瞬時(shí)可使油墨的內(nèi)層表層同時(shí)固化,解決了表面固化而內(nèi)層和底層固化不完全的弊病。具體對(duì)比如下,以軸對(duì)軸的傳送方式普通I R 固化線和高紅外的比較(表1 是使用同一種導(dǎo)電漿料的情況下的比較)。
此項(xiàng)高紅外技術(shù)可很好地解決生產(chǎn)中導(dǎo)電漿料固化的瓶頸問題,已經(jīng)在其他電子行業(yè)推廣,近期在R F I D 行業(yè)中也有廠家準(zhǔn)備使用。
3 .關(guān)于收卷的偏差:因是軸對(duì)軸的傳送方式,收卷的精度很重要,在凹印中(無(wú)論是印抗蝕油墨還是導(dǎo)電漿料)收卷的精度也影響著雙面圖形的重合度,在現(xiàn)代生產(chǎn)線上所使用的凹印機(jī)的傳送精度基本上能保證。但隨著收卷直徑的增大,使用廠家都用電子校正儀控制跑偏,可控制在0.3~0.8 mm之間。但是應(yīng)注意的是蝕刻線或固化線,因長(zhǎng)度的原因跑偏可能要超過(guò)以上的范圍,有的操作者忽略了這一工序中出現(xiàn)跑偏的問題,嚴(yán)重者將影響蝕刻的質(zhì)量和去墨的效果。
凹印油墨的自動(dòng)添加和循環(huán)系統(tǒng)
在一般的凹印中大都不設(shè)此系統(tǒng),但是隨著產(chǎn)量的增加,一般的工廠大都為兩班三運(yùn)轉(zhuǎn)——充分發(fā)揮設(shè)備的利用率,但是工人們每次上墨都是手提油墨桶,將稀釋好黏度的油墨倒入供墨槽,油墨的黏度終始無(wú)法控制。將不同程度地產(chǎn)生薄厚不均,對(duì)耐蝕刻性或電阻值都會(huì)產(chǎn)生不良影響。解決的辦法是在凹印機(jī)的外部增加一套油墨自動(dòng)添加和循環(huán)系統(tǒng),具體做法是:根據(jù)廠房設(shè)備的布局在凹印機(jī)的外部(距凹印機(jī)越近越好)設(shè)立一個(gè)20~40 kg 的恒溫儲(chǔ)墨槽,利用管道分別將油墨通向兩個(gè)供墨槽,兩個(gè)供墨槽分別設(shè)有溢出口,使多余的油墨通過(guò)溢出口再流回儲(chǔ)墨槽,其優(yōu)點(diǎn)是:
● 兩供墨槽的黏度、溫度能保持一致;
● 可長(zhǎng)期循環(huán)使用,減少油墨的浪費(fèi);
● 可以使凹印的厚度均勻;
● 工作條件穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)。
蝕刻設(shè)備及蝕刻方式
R F I D 天線制造中的蝕刻是很重要的一個(gè)工序,在這個(gè)工序中,蝕刻的方式仍然用軸對(duì)軸傳動(dòng),但我看到有的工廠在這一工序中成品率不高,這是因?yàn)樵谑褂梦g刻機(jī)中有誤區(qū)。
誤區(qū)1 :認(rèn)為可以蝕刻雙面電路板的蝕刻機(jī)均可搬來(lái)使用。其實(shí)不然,在上下噴淋的力度上應(yīng)做調(diào)整,當(dāng)收卷時(shí),雙面圖形同時(shí)蝕刻完畢,但有的廠做得很勉強(qiáng)。在軸對(duì)軸的蝕刻中,上下噴嘴相互影響,所以有功率自動(dòng)線長(zhǎng)固化時(shí)間固化方式升溫時(shí)間時(shí)會(huì)出現(xiàn)蝕刻不均勻的現(xiàn)象。
誤區(qū)2 :蝕刻液大都用一定濃度的鹽酸,為了增強(qiáng)蝕刻能力再加入一定量的雙氧水。出現(xiàn)的問題是:開始使用新溶液,溶液和鋁反應(yīng)快、溫度高,很快就完成了圖形的蝕刻,但隨著時(shí)間的推移,到后期溶液完全沒有蝕刻能力,溫度下降,于是再加入新溶液,這樣就出現(xiàn)了上述的情況,這種不穩(wěn)定因素嚴(yán)重地影響質(zhì)量,解決的辦法是安裝一套自動(dòng)校驗(yàn)補(bǔ)加系統(tǒng)。目前這套系統(tǒng)國(guó)內(nèi)已有生產(chǎn),其性能和精度完全能滿足要求,無(wú)需花巨資買進(jìn)口產(chǎn)品。
誤區(qū)3 :有的工廠錯(cuò)誤地將蝕刻設(shè)備和去墨設(shè)備連成一條線,認(rèn)為是提高了自動(dòng)化水平,但是將兩線連在一起有十幾米長(zhǎng),一旦蝕刻或去墨段出現(xiàn)問題需暫時(shí)停機(jī),停機(jī)就要損失若干片產(chǎn)品。另外蝕刻段和去墨段很難做到速度上的匹配。
未來(lái)蝕刻的展望:在R F I D 天線制造中,蝕刻占有一定的比重,在廢液的回收和處理上仍不完善,有的由所謂的污水處理商買去(低價(jià)或免費(fèi)),可能又出現(xiàn)了第二次污染。北京一家公司已經(jīng)解決了回收技術(shù)的問題,并完善了回收程序,但因費(fèi)用較高暫時(shí)不能承接污水回收業(yè)務(wù),他們正在研究更廉價(jià)的回收手段。
電解蝕刻的前景:電解蝕刻雖然是一種傳統(tǒng)技術(shù),但隨著我國(guó)工業(yè)的飛速發(fā)展,
在有關(guān)圖形蝕刻的領(lǐng)域中越來(lái)越受到青睞。如標(biāo)牌、面板、禮品、裝飾和電子行業(yè)中的柵網(wǎng)、集成線路框架等大都采用或正在準(zhǔn)備采用電解蝕刻。因?yàn)樗邢铝袃?yōu)勢(shì):
● 蝕刻液屬環(huán)保型,無(wú)大量的廢液廢氣排出;
● 蝕刻液價(jià)格便宜,使用方便;
● 設(shè)備簡(jiǎn)單,投資較?。?nbsp;
● 蝕刻速度較快,適于軸對(duì)軸的成批生產(chǎn)。
目前此種技術(shù)用于RFID 天線的應(yīng)用設(shè)備,發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)用于生產(chǎn),我國(guó)也已經(jīng)有用于設(shè)備生產(chǎn),但還有待進(jìn)一步完善。預(yù)計(jì)明年可投入使用的設(shè)備,將使用戶更滿意。
導(dǎo)電漿料的選擇和使用
前面所講使用導(dǎo)電漿料用網(wǎng)印或凹印制造RFID 天線的趨勢(shì)正在加速,從目前國(guó)內(nèi)的RFID 天線的生產(chǎn)廠家來(lái)看,還沒有把導(dǎo)電漿料用于生產(chǎn)線,有的只是小批量、小規(guī)模的試制。根據(jù)現(xiàn)在RFID 天線生產(chǎn)的種類看,整個(gè)導(dǎo)線(天線)的電阻大都在40~60 Ω左右,在導(dǎo)電漿料的選擇上必須是銀漿,才能滿足天線的電阻值要求。前段時(shí)間,國(guó)內(nèi)有些公司試用銅漿代替,試驗(yàn)有新進(jìn)展,但銅粉氧化得太快,吸取國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)采用銀包銅的方法,解決了銅氧化過(guò)快的問題,并提高了導(dǎo)電性能,但該成本核算價(jià)格太高。如果價(jià)格超過(guò)銀粉、銅粉,這種方法就毫無(wú)意義了。為什么國(guó)內(nèi)外沒有很好地將導(dǎo)電銀漿用于RFID 天線的制造呢?原因很簡(jiǎn)單,到目前為止所用的導(dǎo)電銀漿價(jià)格太高,而銀粉的價(jià)格的上漲幅度雖不像銅那樣的迅猛,一旦再漲價(jià),用戶將蒙受損失。另外在網(wǎng)印導(dǎo)電漿料中,厚度控制比較難,如果印的墨層厚了方阻值能保證,一旦印薄了方阻值減少產(chǎn)品不合格,只能報(bào)廢且無(wú)返修的余地。這樣對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的要求就又提高了檔次——最低也需十萬(wàn)級(jí)的凈化室,這一項(xiàng)又增加了成本。在導(dǎo)電銀漿的選擇上,廠家對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品不敢問津,而國(guó)產(chǎn)的用起來(lái)穩(wěn)定性較差,鑒于上述的種種原因,制造商的決策是以穩(wěn)妥為好,還是選擇使用老工藝。
關(guān)于導(dǎo)電銀漿(導(dǎo)電漿料)用于REID 天線制造的信息很多,先是于2004 年底美國(guó)杜邦公司推出專門用于RFID 的天線印刷油墨MCM5033 ,其特點(diǎn)是銀的含量低、遮蓋力強(qiáng)、有良好的印刷性、能降低高頻H F 及超高頻U H F 天線的制造成本。而今年韓國(guó)大田市的A B C 納米技術(shù)公司開發(fā)出一種納米導(dǎo)電墨水,可應(yīng)用于快速發(fā)展的R F I D 天線制造,優(yōu)點(diǎn)為:有理想的電阻率、固體含量低、銀的顆粒直徑小于25 nm,可以很均勻地分布于膠體之中。
在國(guó)內(nèi),先是上海寶銀公司推出Rf 2000d 導(dǎo)電銀漿用于R F I D 天線的制造,其優(yōu)點(diǎn)是能很好地與P E T或PP 結(jié)合,最后告訴我們完全能取代銅線的扎制、銅箔蝕刻等傳統(tǒng)工藝,但是現(xiàn)在R F I D 天線的制造,那還會(huì)有銅線和銅箔蝕刻工藝呢?為了研究R F I D 天線的制造水平,我收集了很多的樣品:既有銅導(dǎo)線扎制的天線和銅箔蝕刻的天線,也有凹印鋁箔的天線,當(dāng)然我最需要的還是國(guó)內(nèi)外網(wǎng)印或凹印導(dǎo)電漿料圖形的天線。通過(guò)對(duì)這些樣品尺寸體積的測(cè)量和對(duì)方阻值的測(cè)試,阻值還是較低的,說(shuō)明這些導(dǎo)電漿料均以銀粉為導(dǎo)電相的漿料,且含銀量較高,當(dāng)然價(jià)格也很高。
北京力拓達(dá)科技公司早在兩年前就著手研制開發(fā)適合我國(guó)RFID 發(fā)展模式的導(dǎo)電漿料,綜合國(guó)內(nèi)外的實(shí)際情況,在Ω/ 口滿足產(chǎn)品指標(biāo)的情況下,把成本放在首位,他們的目標(biāo)是:RFID 天線制造商能承受的價(jià)格,否則將束之高閣,無(wú)人問津??春么松虣C(jī),諸多的商家開始涌入這個(gè)市場(chǎng),接下來(lái)就是這些商家們的競(jìng)爭(zhēng)了,只有這樣產(chǎn)品質(zhì)量才能提升,成本和價(jià)格才能下降,才能更快地促進(jìn)我國(guó)RFID 生產(chǎn)的進(jìn)步和發(fā)展。