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RFID天線制造方法簡介及模切技術介紹

1.RFID天線制造方法簡介

天線制造技術在低頻段主要是線圈繞制法,一般的超高頻和高頻天線制造方法主要存在蝕刻法,電鍍法,印刷法。

1.1 蝕刻法

首先在覆有金屬箔的PET薄膜上印刷抗蝕油墨來保護天線線路圖形在蝕刻中不被溶蝕掉,接著烘烤,蝕刻,清洗得到我們需要的天線圖案。

這種方法的優點是:工藝成熟,天線生產的成品率很高,而且天線的性能一致性很好;而缺點就是:蝕刻工序很慢,導致天線生產速度慢;由于利用了減成工藝, 很大部分的銅箔都被蝕刻掉, 所以導致其成本比較高。

1.2 印刷法

通過導電銀漿把天線圖案印刷在PET基材上, 然后烘烤固化, 就得到了天線的制造過程。這種方法的優點是:生產速度快,而且可以實現柔性化生產,可以適用于小批量生產。

這種方法的缺點是:1 導電銀漿的導電性遠遠不如銅箔( 大概為其1/20),天線的導體損耗比較大,導致天線效率不如蝕刻法天線;2 導電銀漿對PET基材附著性不好,容易脫落,導致天線的可靠性不高。3 最近銀價大漲,導致導電銀漿的成本大幅增大,削弱了其成本的優勢。

1.3 電鍍法

首先用導電銀漿(厚度薄于印刷法)或其他電鍍種子層把天線圖案直接印刷在PET基材上,烘烤接著電鍍加厚,從而得到天線成品。這種方法的優點是:生產速度很快,天線導體損耗少,從而天線的性能好。缺點就是:初始的設備投資很大,而且其只適合大批量生產。

1.4 真空鍍膜法

先以印刷方式將Masking印刷在PET基材上形成RFID天線的反圖案,再以真空鍍膜方式鍍上鋁層或銅層, 最后經由De-masking制程便形成了RFID天線。

這種方法的優點是:生產速度快,成本比較低;缺點就是:沉積的膜大概在2μm左右,遠遠低于蝕刻和電鍍的1 8μm。天線的性能介于蝕刻和印刷之間。真空鍍膜的設備大概一臺1 0 0萬美元, 設備投資很大。跟電鍍法類似適合大批量生產。

也有人嘗試先印刷含鉑油墨到PET基材上形成天線圖案作為種子層,然后化學鍍銅。它的優點是含鉑油墨相比導電油墨便宜。但是化學鍍銅的速度更慢而且沉積厚度大概幾個微米。

此外,高頻天線也存在一個布線法,即把漆包線(大概在0.25mm)穿過超聲頭,超聲頭按照設計的圖案走線;走線過程中,漆包線與PVC基材超聲連接起來。這種方法的天線性能很好,可靠性也高,就是成本相對蝕刻法還要貴一些。

圖1 (a)布線法超聲鍵合頭;(b)布線法制造出來的高頻天線

2. 模切技術介紹

由于主流的蝕刻法生產速度慢,浪費材料,而且污染環境;而印刷法的導電銀漿成本居高不下,天線可靠性也不高;這一切導致人們開始開發新的低成本,高性能天線制造方法。因此,我們有了采用模切技術來加工不干膠結構材料來生產RFID天線。

2.1 模切技術原理

模切技術其實屬于一種裁切工藝,把不干膠材料放在模切機的模切臺上,然后按照事先設計好的圖形進行制作成的模切刀版施加壓力,使刀鋒對應的地方受力斷裂分離, 從而得到所需要的形狀, 如圖2。不干膠材料的模切一般僅僅將面材和膠粘層切穿,即半切穿,保留底紙和其表面的硅油涂層;最終使模切成型的標簽保留在底紙上。

2.2 模切材料

R F I D天線一般是由一層1 8 u m厚的鋁或銅加上1 0 0 u m厚的離型紙構成的。鋁或銅層是作為功能層,在它上面形成RFID天線的圖案形狀;PET是作為天線圖案的承載層,主要起著機械支撐的作用,此外,PET基材的介電常數和厚度也會影響天線的諧振頻率。這種結構與傳統的不干膠結構很類似,只不過不干膠中間多了一層增強層;所以我們采用天線做成不干膠結構形式。我們模切所用的材料有三層結構:帶硅油的離型紙或PET(大概100μm),粘膠層(大概20μm),帶增強層的鋁箔(大概35μm),如圖:

其中硅油主要是為了便于分離廢料, 增強層主要是為了加強鋁箔, 便于排廢。

2.3 模切機

模切機主要是通過控制壓力來完成模切。其工作原理是利用模切刀、鋼刀、五金模具、鋼線(或鋼板雕刻成的模版),通過壓印版施加一定的壓力,將材料軋切成你所需要形狀。

根據模切底板和壓切機構的不同,模切機可分為平壓平、圓壓平和圓壓圓三種類型。

3. RFID天線模切方案

3.1 RFID天線模切特點分析

模具要求:

雖然我們采用不干膠的結構來制作我們的天線, 但是我們的面材是金屬鋁或銅。金屬比較容易損耗刀模,對于非金屬材料,蝕刻模一般可以模切20萬次,對于金屬來說大概在2萬次左右就必須修?;驈U棄。所以我們選擇好一點的模具材料也可以對刀鋒處進行熱處理來提高刀鋒的硬度。

RFID天線圖案比較精細復雜,間距也比較小,一般線寬在1mm左右。

所以我們選擇精度高的蝕刻刀或者是雕刻模,而且一般選擇單峰刀模,有斜角的面朝外,沒有斜面的朝內,這樣保證切出來的線寬是1mm,而且平直。如下圖所示:

圖4 單峰刀模模切效果圖

模切材料要求:

前面提到面材的強度對排廢具有很大的影響。我們所用的鋁箔一般在1 8μm左右, 此時它的強度十分弱, 基本上用手一扯就破了; 直接采用一單層鋁箔或銅箔作為面材,強度明顯不夠。為此,我們在鋁箔的背面增加了一層增強層,在這里我們選擇為10μm厚的PET,具體可見圖3。

為了節約成本,我們選擇離型紙作為天線基材。粘膠為了排廢和模切的方便,我們選擇水乳性的膠作為我們的膠粘層。膠層厚度在20μm左右。

排廢難點分析:

RFID超頻天線圖案精細復雜,導致模切工藝的排廢異常困難。這也是模切天線的困難之所在。具體說來存在以下幾個特點:

存在閉合環, 一般偶極子天線為了把阻抗調到與芯片共軛匹配,其天線結構中都存在T型匹配結構或電感耦合結構; 這些阻抗匹配結構基本上是一個閉合的圓環。直接排廢基本上不可能。

天線結構中為了調節天線的實部部分,T型匹配結構只是與天線輻射部分在中間部分相連。T型結構其他部分與天線輻射部分存在一個間隙。此間隙與彎折線和正常的排版方向垂直,一般不好排廢。

偶極子天線為了小型化, 一般采用了彎折線技術。彎折線的間距一般在1mm-2mm左右。彎折高度大概在8mm左右。這些細長的彎折線是比較難排廢。我們在加了增強層以后, 發現一端的彎折線間隙可以直接排掉,另一端的彎折線間隙不好排掉。

同樣為了小型化, 天線末端有時也會存在折合結構, 這相當于大半個閉合環,給排廢帶來了比較大的困難。

圖5 RFID 超高頻天線的幾個排廢難點

3.2 粘膠模切排廢方案

針對R F I D天線精細復雜的情況,我們提出了兩次模切兩次排廢的天線制造方案。我們把天線分為內部圖案和框架圖案兩大部分??蚣軋D案是一個很規則的圖案可以直接排廢;而內部屬于比較難排的圖案,我們把其分為一個個分離的圖案,用粘膠把其粘掉排廢。見下圖:

圖6 模切排廢圖(黑色線為外框圖案,綠色線為內部圖案)

粘膠排廢原理:

粘膠排廢主要是基于粘接力的相對大小來達到排廢的目的。如圖7所示,紫色部分為要排廢的部分,它們是一個個分離的“孤島”。

要保留的圖案部分是整體連接在一起的。粘膠帶附在要排廢的圖案上面。當粘膠揭起經過“孤島”時,由于“孤島”部分面積相對而言很小,粘膠帶隊“孤島”部分的粘接力大于“孤島”部分與離型紙的粘接力,“孤島”部分被轉移到膠粘帶上。當粘膠帶要經過要保留的圖案時,要保留的圖案的面積很大, 膠粘帶對"孤島” 部分的粘接力小于要保留圖案部分與離型紙的粘接力,所以要保留的圖案繼續留在離型紙上。這樣的話,分離的“孤島”本分就被粘膠帶帶出,而要保留的圖案層繼續留在離型紙上,從而達到了排廢的目的。

圖7 粘結排廢原理圖

排廢流程圖與圖案過程變化圖,具體流程見下圖:

以N X P提供的參照天線為例,圖9是模切過程中的天線圖案的逐步變化圖

圖9 NXP提供的參考天線排廢過程圖案變化圖

具體實施過程:

按照粘膠排廢方案, 我們選擇兩臺3 0 0 m m寬平刀模切機。兩臺復合機,一臺貼合機、一臺剝離機。

貼合即負責把膠帶貼合到不干膠上面的鋁箔上,剝離機負責把粘了廢料的膠帶回收起來。由于離型紙上的硅油作用,鋁箔對離型紙的黏力很小(50g就算超重剝離力),一般的膠帶粘接力都可以達到100g以上,所以粘接力一般沒有問題。粘膠帶的寬度一般比最大廢料的寬度要窄一些。

我們按照前面提到的流程,把天線圖案按照內部和外框分別開了兩副模具,為了提高產出率,我們在一副模具上做了三排圖案,具體見下圖:

圖10 ( a)內部圖案模切模具; ( b)外框模切模具

模切過程實物圖:

3.3 模切天線與蝕刻天線性能比較

(1)邊緣整齊性:由于模切天線是機械切出,它的邊緣非常平整。而蝕刻法制造的天線,由于化學腐蝕的側蝕作用,邊緣是凹凸不平的。具體見下圖:

(2)生產速度:模切機的速度是3次每秒,假定刀模有3個圖案,機器一天工作1 2小時,那么我們每天可以生產天線4 0萬張,這不僅遠遠高于蝕刻法的速度,而且比印刷法還要快。

(3)圖案精細方面:蝕刻法精度可到0 . 2 m m,適合芯片直接倒裝在天線上; 模切法的精度大概在0 . 5 m m左右, 所以必須通過模組轉移的方式來完成天線與芯片的互聯。

(4)圖案的確定性:蝕刻法天線圖案是牢牢粘在P E T基底上面,而模切法制出的天線由于其離型紙上的硅油,天線圖案不是固定的,容易滑動造成圖案失真。這需要生產過程中盡可能的減少人工的干預。

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