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不同用途电子标签封装工艺选择

  RFID 的产业链主要由芯片设计、标签封装、读写设备的设计和制造、系统集成、中间件、应用软件等环节组成。从硬件的角度看,封装在标签成本中占据了三分之二的比重,在RFID 产业链中占有重要的地位。随着RFID 技术在社会各行各业应用推广的不断深入,它所涉及到的应用领域也越来越多,不同的应用场所和项目环境对RFID 标签形态提出了各种不同的要求。如何找到最适合自己应用环境的RFID 标签成为广大用户迫切关心的问题。下面我们就通过对电子标签封装工艺的选择,带领大家走入RFID 的封装世界。

  如果您的RFID 项目的最终用途是用于高速运动物体的快速检验通过,如高速路、停车场不停车收费、计费,工业生产线产品信息自动采集,企业产品进出库管理ERP等项目,建议您采用传统的带自粘功能的RFID 标签,也就是将RFID封装成通常的不干胶形态。目前这类电子标签在RFID 产品标签中占较大的应用比例。
  如果项目的最终用途是人员管理等较人性化的安全检验场所,如公路、铁路、机场等边境口岸人员管理,门禁,学生证卡、公交用卡等社会人员支付管理(也就是通常所说的非接触式IC 卡),一般采用卡片形态。这其中也包括目前流行的电子护照、新一代公民身份证等以证件形式出现的产品。

  此外,对于一些处于公共场所或不希望引起公众注意的设备状态日常巡检,如燃气接口、油田仪器仪表,汽车设备等,目前较常采用的是各种与依附设备相类似的零件形态,这类产品随主检设备的不同而形态各异,如纽扣、镙丝等形状,一般属于异形标签,在加工时采用塑料制成,通过注塑工艺封装而成。

封装工艺介绍
封装环节主要包括三个主要工艺:天线基板制作、Inlay的制作(一次封装)和基板上涂覆绝缘膜、冲裁(二次封装)
  

 

  天线基板制作
  天线基板制作目前主要包括两种方式,一种是传统的蚀刻工艺,另一种是通过丝网印刷工艺来实现。蚀刻工艺是将铝箔和薄膜加工成铝复合材料,再通过印刷彩色防腐剂形成新的复合材料,通过蚀刻生产设备,加工成天线形状的复合材料基板,这种工艺实际是一种天线复合材料的成型过程,如图1 所示。蚀刻工艺非常适合于工业上的大规模生产,且成本较低
  成本问题一直是阻碍RFID 普及的主要原因之一,而印刷比起传统腐蚀法的方式更快速且成本更低,所以利用印刷的方式将天线印刷到RFID 标签基材上既经济又高效。已有某些RFID 标签的市场供应商期望丝网印刷能使RFID 标签天线的印刷速度每小时超过50000~80000 个,以符合随之而来的庞大需求。丝网印刷最大的优势在于利用网目与模板的不同,可以使用不同的油墨材料来印制所需的产品,也就是说使用的油墨可以是非常多样的,而其中对于RFID 标签最有助益的便是导电油墨。从印刷底材来看,若是利用印刷的方式,天线便可以被印制到多种的标签材料上,包括聚酯(polyester)、PVC 甚至是纸。在印制天线的过程中,只要根据需要将所需的天线形状印于被印物上即可,不必像传统的蚀刻方式破坏被印物的本身,不但可以省下许多成本,并且可以减少化学的浪费与污染。印刷可以使制造天线的本身变得更自动化,利用结合其它印刷单位,加强卷标与芯片的自动装置,如此一来,就能使RFID 的制造过程更加快速。

  此外,在RFID 标签天线的基板制作环节,根据方式的不同,还包括布线工艺、绕制工艺和光刻等工艺流程。

 

  Inlay 的制作(一次封装)
  一次封装是指将带有天线的基板和芯片通过点胶的方式制成Inlay的过程,封装流程如图2所示。RFID 标签的封装环节主要体现在天线基板与芯片的互连上,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(FlipChip)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。
  倒贴装芯片生产技术采用电脑控制机械化粘接方式、无焊点,成品率高,配合天线的印刷工艺能够实现大规模高速连续生产,可进一步减少产品成本。与模块技术相比,倒贴装芯片技术使芯片的功能面通过传导触点直接连接至天线,不再需要传统的金线和人造树脂等封装材料。新型连接技术不仅节省了模块空间,而且比常规接线方式更为牢固。
  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。其中一种做法是: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。另一种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。特别是目前正在研究发展中的流体自装配(FSA)、振动装配(Vibratoryassembly)等技术,理论上可以实现微小芯片至载带的批量转移,极大地提高芯片与天线的封装效率。

 

  基板上涂覆绝缘膜、冲裁(二次封装)

  电子标签产品从形态上分成三大类:传统标签类(自粘不干胶)、注塑类和卡片类。不同形态的产品充分说明,智能电子标签的封装加工完全跨越了传统“卡”的概念。传统的自粘不干胶电子标签用标签复合设备完成封装加工过程。标签结构由面层、芯片线路(Inlay)层、胶层、底层组成。面层可以用纸、PP、PET 作覆盖材料(印刷或不印刷)等多种材质作为产品的表面,应用涂布设备将冷凝胶涂敷到Inlay 层上,再加上塑料材质的底油,就型成电路带保护的标签,再刷上胶,和离型纸结合,就形成了成卷不干胶电子标签,再经过模切等工序,就形成了单个的不干胶电子标签。

  注塑类和PVC卡片相似于传统的制卡工艺,即成卷Inlay表面涂光油,通过与印刷好的上下底料相结合,形成大张的成品标签卡,再通过印刷、层压、冲切等形成符合ISO-7810卡片标准尺寸,也可按需加工成异形等形式,封装流程如图3 所示。  

  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、二次封装等过程工艺也呈多样性。

  无论采用何用形态的电子标签,其在一次封装的工艺是基本类似的,所不同的外在形态主要是在二次封装的环节上,采用不同的封装工艺,用户可以根据不同的用途和各自项目要求进行相应的封装工艺选择。

 

  电子标签封装现状

  目前国内企业已经熟练掌握了低频标签的封装技术,高频标签的封装技术也在不断地完善。出现了一些封装能力很强,尤其是各种智能卡封装能力强的企业,例如深圳华阳、中山达华、上海申博、广东德生、北京凯泰先达等。从传统的梁式引线,到芯片倒装工艺,已经全面掌握,封装良品率也在稳步提高。但是国内企业欠缺封装超高频、微波标签的能力,这部分产品在我国的应用相对较少,相关的标准也没有出台。我国的标签封装企业大多是做标签的纯封装,缺乏制作Inlay的能力。提高生产工艺,提供防水、抗金属的柔性标签是我国RFID标签封装企业的共同课题。RFID 技术目前最广泛的应用是各种智能卡及证件,涉及的频段主要是低、高频。标签封装商已经熟练掌握了各种低、高频卡证的封装工艺,但是绝大多数企业还没有超高频柔性标签的封装能力,这部分产品主要依赖于进口。随着超高频标签在物流、制造等行业的大量应用,未来的竞争将会集中在超高频标签的生产加工上。

 

  电子标签封装设备制造

  RFID 封装设备的核心内容是如何在多物理因素作用下,使键合设备及相关工艺受控完成高质量的接合界面。通常涉及几方面的关键技术:多自由度柔性灵活的执行机构,基于视觉信息引导的识别与定位胶固化滴胶过程的时间、温度和压力控制,不同工艺单元技术的集成。RFID 封装设备由一系列工艺装备组成的自动化生产线,各工艺环节相对独立,同时又相互制约,要实现高效率的生产,必须综合考虑各个工艺环节的要求;从技术的角度,它是集光、机、电、气、液于一体的高精技术装备,涉及时间、压力、温度等多物理场的各种物理现象,需要解决速度、精度、效率、质量、可靠性、成本等多方面的因素的影响。开发高性能低成本的RFID 制造装备一直是业界关注的焦点问题。

  目前国内RFID 产品的封装设备主要由国外厂商提供,如德国纽豹的Muehlbauer,法国自动化、日本东立Toray、奥地利的datacon 等设备。柔性基板的标签均选用从卷到卷的生产方式,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。经过美国麦安迪、德州仪器等十几家公司5 年的合作和开发,在麦安迪柔性版印刷机上实现了印刷天线和封装的联线生产,在北美已经有十几条线在正常运转,用印刷导电油墨的方法和联线封装,不但降低了RFID 智能标签成本,同时也具备了高效和大量生产的基础,满足了未来物流领域的巨大需求,这项新技术也给标签印刷行业提供了空前的、巨大的发展机遇。但国外厂商设备价格非常昂贵,一般需要上百万美元。购买进口设备,生产成本大大增加。而且目前RFID 封装设备的技术工艺还在不断的发展,现有的国外制造装备的技术水平依然无法满足人们对RFID 产品低成本制造的要求。

  深圳市惠田实业有限公司与华中科技大学联合开发了全自动RFID 电子标签封装设备。它以成卷的天线基板(纸或PET 为基带、基带上载有蚀刻或印刷好的天线)、划好片的晶圆(wafer)、以及导电胶或不导电胶这三种材料为原料,在机器视觉的引导下,将芯片从wafer 上取下来,用导电胶(ICA、ACA)或不导电胶(N C A)的互连工艺,将芯片倒装贴片并封装到天线基板上, 制成应答器(transponder)或Inlay。由于原材料之一的天线基板是成卷的,制成的Inlay也是成卷的,因此它完成的是一个卷到卷的自动化生产过程。在半导体制造业内,它是一个高速高精的芯片(chip、die)级的半导体封装生产线。具有高速高精和高智能化的特点,是一条能够大批量、低成本、高质量地制造电子标签的生产线中的关键设备。

  电子标签封装特色企业

  上海申博智能标识技术有限公司是由上海市印刷三厂、上海华申智能卡应用系统有限公司、香港宝狮国际有限公司投资组建的合资封装企业。于2001 年6 月引进国内第一条智能标签复合生产线,目前已拥有两条生产线,为智能标签产业的发展提供了支持。主要生产制作智能卡、智能标签、读写机具,销售自产产品,年生产能力为6000 万张电子标签。他们提供的封装产品采用ISO-15693/14443 标准,传输介面RS232,无源无线方式传输,非接触可读可写,感应距离最大可达1.2 m(通过远程天线完成)。信息储存10 年以上,读写10 万次以上。防冲撞、不可复制(惟一标识)、可擦写(EEPROM)。电子标签的厚度可以从0.18~0.4mm 特殊品种可达0.5mm 厚度。产品形态有吊牌、粘贴式标签、筹码型、ISO 标准卡片或注塑件等。产品材质包括纸、PP、PET、PVC、塑料。Inlay 尺寸最小可达Φ 6mm,成品标签可达250mm× 6 0 0 m m 幅面,兼容德州仪器、PHILIPS、英飞凌、INSIDE、ASK、OMROM、PAV(Smart Control)及其它特殊格式。智能标签采用频率为13.56MHZ, 符合ISO-15693/14443 标准;915MHZ,符合ISO-1 8 0 0 0 - 6 标准。标签芯片容量从64bit直至16Kbit。
  北京亚仕同方科技有限公司是由清华同方股份有限公司和法国ASK 技术公司合作创办的,电子标签和Inlay年产可达两亿张。它为国产纸质电子标签打造完整RFID 产业链条。拥有先进的纸质非接触卡、标签封装和生产技术。封装的Inlay产品主要特色工艺有:纸介质基材、银浆印刷天线、倒贴装芯片。产品适用于RFID 纸制证件。

  广东中山市达华智能科技有限公司同P H I L I P S 、德州仪器、INSIDE、英飞凌、意法半导体公司、上海华虹、复旦微电子等上游芯片厂商进行生产、技术合作。在RFID领域具有前期研发和生产基础,对RFID 电子标签创新封装工艺技术的熟练掌握、尤其是在降低单品级标签价格的实施方案上独树一帜。2004 年成功协助我国军方实施“军车防伪车牌标签”的项目。根据部队的实际需要,在实际封装过程中通过在标签和金属表面之间插入高导磁率的隔离粉末材料,在相当大的程度上避免涡流的出现。从而可以将电子标签复合在金属材质上,通讯距离可以达到3cm。这种封装工艺对今后电子标签(应答器)在金属周围或含水量高的产品上如何吸波屏蔽,积累了有益的实际经验。生产的创新工艺封装的低成本卷状柔性电子标签,同比国外同类产品,封装价格下降了数倍,包括UHF 波段Tags,芯片有PHILIPS/ 德州仪器/EM 、意法半导体,13.56MHzTags:ISO14443 TypeA/TypeB/ISO15693 等,这些新产品可以广泛应用在局部需要使用可弯曲非接触的防伪、标识、容器管理、电子证照、车辆不停车收费、工业产品流水线、电子票据等领域。
  集速智能标签(上海)有限公司是著名印刷企业中华商务印刷集团与上海复旦科技产业控股有限公司携手创立的国内首家使用自动化流程进行RFID 封装的先进技术企业。集速智能公司投资3000 万元人民币从德国引进的中国第一条电子标签自动化封装生产线。这条生产线优势在于采用全自动化封装生产,同时生产线包括了RFID 标签从芯片开始的全链。目前该生产线正在测试中,相信不久的将来将极大的促进国内RFID 标签的产能。

  北京凯泰先达发展有限公司主要的生产设备有帮定机、绕线机、点胶机、超声波焊接机、漆包线点焊机以及研磨机等。帮定生产为每日4.5 万,线圈生产为每日5 万,裸签的生产是每日3 万。公司的RFID 产品主要以异型标签为主,主要的工艺为超声波焊接工艺、灌封工艺。主要有钮式、方型及椭圆钥匙牌式、生物内置式、柱型、钉型标签等。加工的芯片包括德州仪器、PHILIPS 、英飞凌、INSIDE、Atmel 和国产的一些厂家产品。目前,公司的设备都是通过自己改造及开发而成,提高了生产效率,降低了劳动强度。
  深圳华阳微电子有限公司是专业封装电子标签的高科技企业。拥有专利的电子标签封装技术及先进的全自动电子标签生产线,采用目前世界上领先的印刷天线制造工艺(厚膜天线工艺),倒装焊晶片植入工艺(flip chip工艺),凸点生成工艺(bump 工艺),要生产单层结构电子标签。产品成卷状供货,方便后续自动贴标机器的使用。主要产品有HY-CH01S1、HY-CH01S2 两种超薄型非接触智能卡、各种形态的高频、超高频电子标签以及Inlay加工和新型防撕标签等。近期,华阳微电子和导电油墨制造商Parelec宣布进行合作,开发RFID 产品。到目前为止,两家公司已经生产了部分防伪标签以及可以适用于公交运输系统的RFID 车票。这种智能标签用在产品防伪包装上,标签的频率为高频13.56MHz,与ISO14443A 与ISO15693 两个标准兼容。
  厦门信达汇聪的生产线具有国际领先的倒贴式生产技术,是全国最早的一家倒贴式电子标签封装生产企业,可生产高频和超高频电子标签,产能可达10000 片/ 小时,精确度可达每3 秒40 微米,年产能超过2 亿张。信达汇聪生产并提供纸介质电子标签、飞机行李托运电子标签、票卡成品、Inlay半成品等相关产品,生产的电子标签可应用于各种市场,如物流仓储、人员监控、信息查询、防伪等领域。