RFID标签天线的三种制作方法

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　　在RFID标签中，天线层是主要的功能层，其目标是传输最大的能量进出标签芯片。RFID天线是按照射频识别所要求的功能而设计的电子线路，将导电银浆或导电碳浆网印在PVC、PC或PET上，再与面层、保护层和底层等合成的。RFID标签天线的制印质量是RFID制造过程中需要控制的关键问题。天线的制作方法常见的有蚀刻法、烫印法和导电油墨印刷法。下面简单介绍这三种作用方法的特点和操作技术要领。 

1 蚀刻法
　　天线在蚀刻前应先印刷上抗蚀膜，首先将PET薄膜片材两面覆上金属（如铜、铝等）箔，然后采用印刷法（网印、凹印等）或光刻法，在薄膜片材（基板）双面天线图案区域印刷抗蚀油墨，就是将抗蚀油墨印在需要保留铜箔（天线图案）的部分，用以保护线路图形在蚀刻中不被溶蚀掉。抗蚀油墨品牌较多，但基本上可分为自干型（热固型）和光固型两大类型。印刷抗蚀墨的方法多采用丝网印刷（也有用凹印），它成本较低，但由于印刷精度不太高，只适用于加工制作线宽0.2 mm以上的导电图形。光刻法是在覆铜基板表面预先涂布光敏抗蚀膜，并用相应的掩膜覆合曝光，经过显影腐蚀，除去板上残留抗蚀膜，就可得到一个完整的天线图形，光刻法成本较高，但能加工0.2 mm以下线宽的精细图形。近年来，随着高科技在印刷领域的普遍应用，丝网印刷技术也取得可喜的进步，其印刷精度和质量都有很大的提高，特别是带有图像识别功能的全自动网印机的出现和高精度丝网制版技术的完善，使古老的网印技术在微电子加工领域展现出新的活力，改变了丝网印刷只适用于图像分辨率和尺寸精要求不太高的印制-蚀刻和图形电镀制作电路板的局面，如今也能印刷出较高精度（细线精度、墨膜厚度精度、尺寸重复精度）的产品，而且自动化程度较高，因此可大批量生产，深受人们的瞩目。在抗蚀油墨丝网印刷天线中，要想获得精细的印刷图形，除要注重选择性能优良的制版、印刷设备外，对印刷基材、印刷油墨、丝网、感光乳剂以及印刷环境等也都有特殊的要求。抗蚀油墨可购买厂家配制好的，也可自己配制，一般其配方为：松香（工业级）0.8 kg ~ 1 kg，墨绿或深蓝胶版油墨200 g，立德粉（320目）3 kg，松节油（工业级）1000 ml ~ 1200 ml，硬脂酸（工业级）32 g。配制时先将松香和硬脂酸一起加热熔化，熔化后必须离开加热器再缓缓加入松节油，边倒边搅拌，勿使松香重新凝固，然后加入油墨使其溶解，最后加入立德粉，充分搅拌或碾压均匀即可。配制时，立德粉的目数一定要严格选用；加热不要采用水浴法以免水蒸气进入印料使其结团。抗蚀油墨印刷前，要注意将油墨充分搅拌均匀，一般不使用稀释剂。印刷中要注意控制抗蚀油墨干燥后的成膜厚度。成膜过厚会造成导电图形扩张，影响精度；但成膜也不可过薄，否则可能会形成砂眼针孔等，增加修版工作量。网印后一般可采用UV或远红外固化，如采用远红外烘道干燥2 min即可，而用自然干燥时，温度应控制在25 ℃ ~ 30 ℃，大约需要4 h或更长一些时间，成膜铅笔硬度达2 H。干燥后的印刷天线电路板即可进入蚀刻工序。蚀刻就是将印刷油墨图案已固化的片材浸入蚀刻液中，溶蚀掉未印刷抗蚀油墨层区域的金属，然后再去除薄膜片材天线图案金属层上的抗蚀刻油墨，这样就完成了天线加工过程。至于RFID标签成品制作，还要经过芯片封装、二次加工、封装印刷等工序（图1）。 

　　蚀刻效果对RFID天线制作质量的影响很大，因此，要保证蚀刻质量，一般来说，要注意以下几个方面的问题。
1.1 注意减少侧蚀和产生突沿侧蚀会严重影响印制导线的精度，给制作精细导线带来困难甚至无法实现。当侧蚀和突沿降低时，蚀刻系数就升高，高的蚀刻系数表示有高精细导线的能力，使蚀刻后的导线接近原图尺寸。此外，还要注意突沿过度等弊病，防止引起导线短路。因为突沿容易发生断裂，在导线的两点之间形成电的桥接。影响侧蚀的因素很多，如采用浸泡和鼓泡方式蚀刻时会造成较大的侧蚀，而用泼溅和喷淋方式蚀刻则侧蚀较小，尤以喷淋蚀刻效果最好。

蚀刻液对侧蚀有很大的影响，不同的蚀刻液种类因化学组分不同，其蚀刻速率也不相同，蚀刻系数也有差异。如酸性氯化铜蚀刻液的蚀刻系数通常为3，碱性氯化铜蚀刻液的蚀刻系数可达到4。近来的研究表明，以硝酸为基础的蚀刻系统可以做到几乎没有侧蚀，达到蚀刻的线条侧壁接近垂直，但这种蚀刻系统尚有待于完善和推广。蚀刻液的pH值也对侧蚀有一定的影响，pH值较高（碱性蚀刻液）时，侧蚀增大。故应注意控制蚀刻液的pH值（一般在8.5以下），减少侧蚀。碱性蚀刻液的密度太低会加重侧蚀，因此可选用高铜浓度的蚀刻液，以减少侧蚀。
还有，蚀刻速率与侧蚀也有很大的关系，一般蚀刻速率慢会造成严重侧蚀，也就是说线路板在蚀刻液中停留的时间越长，侧蚀越严重，因此加快蚀刻速率可提高蚀刻质量，蚀刻速度越快，线路板在蚀刻液中停留的时间越短，侧蚀量就越小，蚀刻出的图形清晰整齐。金属（如铜、铝等）箔厚度也是引起侧蚀的一个因素，因为金属箔越薄，在蚀刻液中的时间越短，侧蚀量就越小，所以，要达到最小侧蚀的细导线的蚀刻，最好采用（超）薄铜箔。而且线宽越细，铜箔厚度应越薄。
1.2 提高线路板之间蚀刻速率的一致性在连续的线路板蚀刻中，蚀刻速率越一致，越能获得均匀蚀刻的线路板。要达到这一要求，必须保证蚀刻液在蚀刻的全过程始终保持在最佳的蚀刻状态。这就要求选择容易再生和补偿、蚀刻速率容易控制的蚀刻液。选用能提供恒定的操作条件和对各

种溶液参数能自动控制的工艺和设备。通过控制溶铜量、pH值、溶液的浓度、温度、溶液流量的均匀性（喷淋系统或喷嘴以及喷嘴的摆动）等来实现。
1.3 保证线路板表面蚀刻速率的均匀性
线路板上下两面以及板面上各个部位的蚀刻均匀性是由线路板表面受到蚀刻剂流量的均匀性决定的。蚀刻过程中，上下板面的蚀刻速率往往会不一致。一般来说，下板面的蚀刻速率高于上板面。因为上板面有溶液的堆积，减弱了蚀刻反应的进行。这个问题可以通过调整上下喷嘴的喷啉压力来解决。在相同时间里使全部板面都蚀刻干净是蚀刻线路板很难做到而普遍存在的一个问题，一般来说，线路板边缘比中心部位蚀刻得快，要解决这个问题，可采用喷淋系统并使喷嘴摆动，这是一个较为有效的措施，更进一步的改善可想办法使线路板中心和边缘处的喷淋压力不同，以及采用前沿和后端间歇蚀刻等方法，使整个板面的蚀刻达到均匀一致。
1.4 注意薄铜箔完好
对于薄铜箔的蚀刻，必须保证不被擦伤或划伤。薄铜箔与厚铜箔不同，经受不了机械上的磨擦和碰撞，有时较剧烈的振颤都有可能划伤铜箔，这点在蚀刻中也要加以注意。
1.5 注意绿色环保，减少环境污染
铜对水的污染是线路板生产中普遍存在的问题，氨碱蚀刻液的使用更加重了这个环境污染问题。因为铜与氨络合，不容易用离子交换法或碱沉淀法除去。所以，采用第二次喷淋操作的方法，用无铜的添加液来漂洗板子，可大大减少铜的排出量。然后，再用空气刀在水漂洗之前将板面上多余的溶液除去，就可减轻水对铜和蚀刻的盐类的漂洗负担。蚀刻完毕后可用1%~2%氢氧化钠稀碱液喷淋去膜。

2 烫印法
　　烫印技术是通过烫印金属箔强调亮度和创意效果的技术。该技术一般被用于书籍的装订和商品的包装等。烫印法制作天线就是将书刊封面等的烫金技术移植到天线的制作中来。在书籍、票据等纸制印刷品的制造中，可将无线标签直接烫印其上。无需以往无线标签使用的薄膜材料，还能够省去标签加工及粘贴程序。与以往将无线标签粘贴到印刷品上的方式相比，加工成本可降低约30%。利用烫印技术加工天线，已开发出了以纸为基材，性能优越的UHF频带无线标签。在IC晶片和天线的粘接方面，不使用普通的接合材料，而是采用独特的方法，实现了牢固的结合强度。

　　烫印有热烫印和冷烫印刷两种，热烫印技术是指利用专用的金属烫印版通过加热、加压的方式将烫印箔转移到承印材料表面；冷烫印技术是指利用UV胶粘剂将烫印箔转移到承印材料上的方法。由于热烫通常需要120 ℃左右的高温，容易使金属（如铜、铝等）箔加速氧化而降低其导电性能。因此在烫印天线制作时还是较多选择冷烫工艺。考虑到烫印天线金属箔的厚度以及天线对金属导电性上的较高要求，一般冷烫比热烫更适于RFID天线的制作。
RFID冷烫印的主要特点如下。
2.1 印刷速度快
　　冷烫印工艺中的粘合剂是采用柔性版印制，后续粘合和排废过程简单，相对于热烫印工艺，生产效率提高，能达到较高的标签制作速度。而使用的成本也比较低。
2.2 方法简单
　　从图2可以看出，相对于蚀刻法和导电油墨法来说，烫印法的工艺更为简单。它不但缩减了生产工艺流程，降低了生产成本，同时还大大降低了材料的生产成本。大家知道，金属（如铜、铝等）箔与导电油墨的生产成本相关是几个数量级的，同时从生产工序流程中可以看出，烫印天线是直接将天线烫印在基材上，省去标签加工及粘贴程序，因此，烫印天线的生产流程就仅仅为烫印和封装两个过程。

2.3 导电率好
　　纯金属材料中，银的电导率为100%，铜为90%，铝为60%。冷烫印工艺中铝箔以导线的形式粘附在基材表面，导电性相对较好，如果增加烫印铝箔的厚度，其标签上印制天线的导电性也会增加。

如果铝箔的导电率不够。也可以采用铜箔。铜箔与电化铝箔制作工艺相同，成本增加不大。烫印法制作天线的导电性基本上能达到RFID标签的要求。
2.4 精细程度高 产品美观
　　由于粘合剂的上胶是采用一般普通的柔版印刷技术，分辨率通常在60 l/cm左右，精细印刷可达80 l/cm，铝箔粘合和排废过程线条变化不大，因此可以达到天线印制的要求。烫印天线的工艺流程见图2。在需要烫印的部位印刷特种粘合剂（UV固化粘合剂），而后通过UV干燥装置将粘合剂中的水分去除到一定程度，形成一层高黏度的，非常薄的压敏胶；然后，开始冷烫印，在一对金属滚筒的作用下，使金属箔同粘合剂接触并压合为一体。由于粘合剂同铝箔之间粘结力大，所以排废时，铝箔与粘合剂接触的部位留在基片表面，与基片成为一体，而铝箔的其他部分则同传统烫印一样排废，从而完成RFID标签天线的制作过程。由于转移到印刷品上的铝箔图纹浮在印刷品表面，牢固度很差，而且标签使用过程中还要防止表面铝的氧化，必须给予保护，因此在标签装上芯片后还需在表面上光或覆膜，以保护表面天线。但是烫印天线也存在不足之处，如：（1）印刷品烫印后必须上光或覆膜，增加了成本和工艺的复杂性。但上光或覆膜能很好地保护烫印天线的金属箔图纹，同时还能增加标签的美观程度。（2）由于UV粘合剂流平性差，所以干燥后的表面有些不是绝对的平面，导致转移在其上面的金属箔表面亮度差，有漫反射现象，可能会影响标签天线的美观。这些都要在加工中充分考虑。
　　此外，在烫印制作RFID标签天线后，标签化加工和封装也是RFID成败的关键。RFID对制作工艺有其独特的要求，主要应注意高成品率、厚纸印刷和复合加工。在高成品率上，由于RFID本身的价值要高于普通印刷标签许多倍，所以给企业带来高利润的同时，印刷品高成品率尤为重要。尤其是许多产品都要求多色UV墨印刷、上光、上胶，印量大的标签大多数还采用卷筒印刷或无接口印刷（通花）等方式加工，由于加工工序多，也加大了成品的筛选难度。对于厚纸印刷，在卡纸加工中，必须注意设备对3 509 m2的卡纸要有良好的印刷适性，卡纸印刷中要保持纸带的张力稳定，保证印刷累计套印误差降到最小，因此，如果每个画面都套印很准，但是画面之间的间距产生误差较大，也会给RFID印刷后的复合和模切工序造成麻烦。至于复合加工，它是RFID加工中的关键工序，它不仅要求每个标签之间的尺寸不会因为张力变化而改变，而且对于薄膜类材料，还要考虑拉伸变形造成标签间距增加程度，并做适当调整。因此烫印天线法对RFID制作过程中工序的缩减无论对于原材料资源的利用、成品率的提高或是RFID成本的降低都有重大的意义。

3 导电油墨印刷法
　　用导电油墨印刷法制作RFID天线，以替代传统的压箔法或腐蚀法，是近年来新推出的较好的方法。这种方法具有两个明显的优点，首先，传统的压箔法或腐蚀法制作的金属天线，工艺复杂，成品制作时间长，而应用导电油墨印刷天线则省去了覆箔、印刷抗蚀油墨、蚀刻、去除抗蚀油墨层等众多工序，采用丝网印刷、凹版印刷等直接将导电油墨按照天线设计的图案印刷在基材表面，快速高效，与传统的蚀刻法相比，它不仅可大大缩短生产流程，降低成本，还可减少生产过程对环境的污染，是印刷天线和电路中多快好省的首选方法。如今，导电油墨已开始取代各频率段的蚀刻天线，如超高频段（860 MHz ~ 950 MHz）和微波频段（2450 MHz），用导电油墨印刷的天线可以与传统蚀刻的铜天线相比拟，此外，导电油墨还用于印制RFID中的传感器及线路印刷。其次，传统的压箔法或腐蚀法制作的金属天线要消耗浪费金属材料，成本较高，而导电油墨的原材料成本要低于传统的金属天线，这对于降低智能标签的制作成本有很大的意义。导电油墨印刷法的工艺流程见图3。在导电油墨印刷中，最关键的是充分了解导电油墨的功能，以便正确选用和掌握使用技巧。

3.1 熟悉导电油墨的性能
　　导电油墨是一种特种油墨，它可在UV油墨、柔版水性油墨或特殊胶印油墨中加入可导电的载体，使油墨具有导电性。导电油墨主要由导电材料、粘合剂、溶剂和助剂组成。
3.1.1 导电材料
　　主要有金属粉末、金属氧化物、非金属和其他复合粉末等，它是构成导电油墨的主要材料，其性质和数量决定油墨的导电性大小，因此，对导电涂料的导电性研究，主要在导电材料上下功夫。

3.1.2 粘合剂
　　也称连接剂，是组成导电油墨的主要成膜物质。主要有天然树脂、合成树脂、光敏树脂、碱金属硅酸盐等。粘合剂一般属于绝缘体，有时为了相对比较其导电性，分别取种类不同重量相同的粘合剂引入同量的导电材料制成导电油墨。不同种类的粘合剂。即使采用相同品种、相同数量的导电材料所制得导电涂层的导电率也是不同的。提高导电性主要从选择导电材料和变更填充量入手。粘合剂的选择主要从使用对象所要求的物化性能人手。在性能满足前提下，一般采用电阻变化小，稳定性高的粘合剂。导电粒子在粘合剂中分散好、移动性小、导电误差小。导电材料填充料和粘合剂基料的配合比例是非常重要的。如果粘合剂用量远远超过了导电材料，墨膜固化后，导电材料不能连结成链状排列，即使有些导电性，也是不稳定的。相反当导电材料加入量超过临界体积浓度时，也不能得到导电性好的导电墨膜。例如，采用银粉为导电材料。当含银量在70%~90%（体积比20%~50%）是适宜的。当银含量小于70%时，电阻率的变化不稳定；当含量大于90%，电阻值反而升高。
3.1.3 溶剂
　　主要有芳烃、醇、酮、酯、醇醚等。溶剂的作用来溶解粘合剂树脂的，因此溶剂必须具有能溶解粘合剂树脂的能力，但是，溶剂不能使导电材料的导电性变得不稳定，降低墨膜的物理化学性能。此外，对于溶剂的选择还要考虑溶剂挥发速度对印刷适性的影响。
3.1.4 助剂
　　主要有分散剂、流平剂、增稠剂、增塑剂、润滑剂、金属导电材料的防氧化剂等，一般来说，油墨助剂加入量过多会对导电性产生不良影响，必要时以少量为宜。
3.2 对导电油墨性能的要求
　　导电油墨按导电材料的性质可分为无机系和有机系，此外，还有一些新型和应用高新技术生产的导电油墨，如纳米导电油墨、炭黑聚合物、复合导电云母粉、新型环氧树脂防静电涂料油墨等。目前在导电油墨印刷中主要是使用无机系导电油墨，主要有碳浆、银浆等导电油墨。碳浆油墨是一液型热固型油墨，成膜固化后具有保护铜箔和传导电流的作用，具有良好的导电性和较低的阻抗；它不易氧化，性能稳定，耐酸、碱和化学溶剂的侵蚀；具有耐磨性强，抗磨损，抗热冲击性好等特点。银浆油墨是由超细银粉和热塑性树脂为主体组成的一液型油墨，在PET、PT、PVC片材上均可使用，有极强的附着力和遮盖力。低温固化，可控导电性和很低的电阻值。

　　另外，将具有导电性的纳米级碳墨加入油墨制成的导电油墨，也可将导电油墨中金属粉（如银粉）制成纳米级银粉来制造导电油墨，这种导电油墨不仅印刷的膜层薄且均匀光滑，性能优良，而且还可大量节省材料。

对导电油墨特性的要求主要有如下几点。
3.2.1 耐弯曲性
　　在膜片上印刷导线路，假如油墨的挠性差，就可能在折弯的地方折断，或者即使没折断但电阻值也会增大而不能使用。
3.2.2 粘着性
　　以聚酯薄膜为基材的油墨粘着强度，一般利用胶带试验来判定。
3.2.3 电阻率
　　要求油墨本身的电阻率越低越好，用同一种目号的丝网（形成同样的膜厚）印刷时，电阻率低的油墨是比较有利的。
3.2.4 粒度分布
　　是导电性粒子的分布状态，导电粒子的粒度越微细则粘合剂和粒子的分布状态越好，并且由于印版上的油墨延伸性好，所以被覆面积也就大。

3.2.5 干燥条件
　　是抗导电油墨完全固化所必需的干燥时间和干燥温度，低温干燥型的油墨可减少工时，提高生产率。
3.2.6 印刷适性
　　目前印刷适性最好的导电油墨是银浆导电油墨，印刷后外炉在120 ℃下固化1 min，放入间歇式操作炉固化30 min；用防止银（离子）迁移护膜油墨印刷，在远红外炉中用12 ℃下干燥2 min。

3.3 使用导电油墨应注意的问题
使用导电油墨时主要应注意以下几方面。
3.3.1 充分搅拌油墨
　　油墨是由导电粒子粉末与粘合剂混合的分散胶体。但分散胶体如果长期放置，导电粒子和粘合剂也会逐渐慢慢分离。为了完全纠正其分散状态，在使用油墨前必须进行充分彻底搅拌。使其整罐油墨上层和下层完全满足设计的配比要求。同时，要保证导电油墨中导电浆料应具有高黏度和一定的触变性。如果搅拌不充分，油墨电阻率会产生偏差，所以，在使用前将油墨搅拌10 min左右。此外，贮存导电油墨一般要保持储存容器密封，相同的油墨紧靠在一起，低温干燥环境下贮存。而在使用前至少要提前4 h从低温中取出，让其恢复到室温后再使用。
3.3.2 注意稀释
　　为了调整导电油墨的粘稠度所进行的稀释工作，如稀释比例掌握不当，则印制的成品其电阻将与预想的不符，所以必须严格控制粘稠度调整剂的稀释比例。使用稀释剂的目的在于减缓印版上油墨的干燥速度，避免发生网孔堵塞，稀释一般使用乙氧基乙酸和丁基溶纤剂乙酸酯等几种混合溶剂。
3.3.3 干燥固化
　　由于导电油墨的印刷产品多是比较精细的高新技术产品，要求的印刷质量都比较高，充分固化是非常重要的。因为导电油墨在流动状态时，几乎没有电流通过，随着涂层干燥，硬化的进行才变得具有导电性。例如单组分丙烯酸树脂或者乙烯类树脂组成的常温固化涂料，干燥时间与体积电阻的关系随着硬化进行，电阻值减小，因为随着交联固化，分散粒子的接触几率增加。同样，热固化导电油墨也是随着树脂固化，导电材料的链状连结变得越来越强，从而电阻值也下降。例如，导电银浆中的各种溶剂与助剂的存在，都对电阻率有一定的影响，要使它们从导电电路中释放出来，主要依靠热风干燥使其挥发。干燥温度一般控制在85 ℃ ~ 90 ℃为宜，在热风下恒温40 min。实践证明，干燥不彻底的导电图形往往要比干燥彻底的图形阻值高数十倍以上，因此，干燥质量也是薄膜开关质量的一个主要方面。导电油墨按干燥固化条件的不同分类可分为低温干面型、高温烧结型和紫外线或电子未固化型三大类。热干燥是目前一种主要的干燥方式，它是将印刷在基片薄膜上的导电油墨在一定温度下加热干燥。这对电阻率的稳定性和产品产量有影响。其干燥条件与生产厂家所使用的干燥炉类型（如热风干燥炉和远红外炉）有关，所以在印刷前必须调整控制好干燥炉温度、干燥时间等条件，以保证导电油墨所具有的最终特性，并能有效顺利地使用油墨。

3.3.4 剩余油墨的贮用
　　每次印刷完成，剩余的导电油墨应从网版上取下盛放在单独的干净的容器中，避免与未用的油墨污染。由于网版运行类型和长度的不同，旧油墨将有不同的液态容量和流变能力，因此在下次印刷时要先用上次用剩的油墨，如印刷适性不好，印刷时可在旧油墨中适当地填加溶剂和新油墨以调整印刷适性。 但添加溶剂必须适量，一般控制添加量不超过推荐的溶剂的重量的5%，最好的方法是用科学的设备计算溶剂量，严格测量现有固含量，计算出溶剂的损耗量，然后基于精确的重量损失添加溶剂。同时通过核实油墨沉积和电阻持续匹配鉴定值，来确定印刷和油墨的质量。最后，适于导电油墨丝网印刷的较好丝网是镍箔穿孔网。它是由镍箔钻孔而成一种高技术丝网（箔网），网孔呈六角形，也可用电解成形法制成圆孔形。整个网面平整匀薄，能极大地提高印迹的稳定性和精密性，用于印刷导电油墨、晶片及集成电路等高技术产品效果较好，能分辨0.1 mm的电路线间隔、定位精度可达0.01 mm。总之，国内RFID市场潜力巨大，目前制作的方法主要是金属蚀刻法、导电油墨印刷法和烫印法，
　　三种方法各有特色，相对来说前两种方法的技术工艺较为复杂，成本也相对高一些，而用烫印的方法制作天线，技术较为工艺简单成熟，生产成本低，如能再经过研究发展和完善，有望成为RFID标签天线制作的一种新工艺。

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