RFID產品研發(fā)及生產關鍵技術 課件 ch03RFID產品生產關鍵技術

RFID產品研發(fā)及生產關鍵技術(第2版)新工科建設·智能化物聯網工程與應用系列教材RFID產品生產關鍵技術第三章射頻標簽

生產關鍵技術01射頻標簽生產關鍵技術射頻標簽包括芯片、天線和封裝材料3個部分芯片是射頻標簽的信息存儲載體和命令執(zhí)行核心。天線根據不同的頻率和外形需要可以設計成不同的形狀和尺寸，圖3-1所示的是一款天線頻率為13.56MHz的射頻標簽。封裝材料有紙、PVC、PET等多種，可以根據需要封裝成不同外形的射頻標簽，如貼在物品表面上的紙質射頻標簽，還有鑰匙扣、玻璃管等硬質射頻標簽。射頻標簽生產關鍵技術在射頻標簽的生產過程中，通常先將天線和芯片封裝在一起具有代表性的封裝方法為Inlay封裝。射頻標簽的生產過程如圖3-2所示。射頻標簽的生產過程屬于半導體生產過程，要經過芯片設計、卡片操作系統(tǒng)設計、天線設計等步驟。天線制造工藝有蝕刻工藝、絲網印刷工藝、電鍍工藝等。將芯片和天線封裝成Imlay的過程可以稱為微封裝，使用半導體封裝技術。外封裝是指封裝材料和Inlay的封裝。封裝材料表面可以印制高質量的彩色圖案，也可以附著不干膠以使射頻標簽可以粘貼在物品表面上。01芯片的設計和制造不同頻段的射頻標簽的芯片基本結構類似一般包含射頻模塊、模擬模塊、數字基帶模塊和存儲器單元模塊等。其中，射頻模塊主要用于對射頻信號進行整流和反射調制等;模擬模塊主要用于產生芯片內所需的基準電源和系統(tǒng)時鐘及進行上電復位等;數字基帶模塊主要用于對數字信號進行編碼、解碼及進行反碰撞協(xié)議的處理等;存儲器單元模塊主要用于信息的存儲。01芯片的設計和制造射頻標簽的芯片是一種半導體芯片半導體芯片的制造工藝有多種類型，根據元件類型可分為CMOS、Bipolar、BICMOS等工藝;根據材料可分為Si、GeGaAs等工藝;根據襯底類型可分為體硅、SOI等工藝。RFID應用的特點是批量大，對成本的變化極其敏感。盡管有廠家可以利用特殊工藝設計制造出RFID產品，但綜合考慮國內的實際情況，基于CMOS工藝的技術比較適用于目前應用的射頻標簽的芯片的制造。在芯片的制造過程中，測試起著關鍵的作用要測試集成電路設計是否成功，首先需要進行流片。流片是指從電路圖到芯片，檢驗每一個工藝步驟是否可行，以及電路是否具備所需的功能。若流片成功，則可以大規(guī)模地制造芯片;反之，則需要找出未成功的原因，并進行相應的優(yōu)化設計。其次，在每個制造步驟完成時都要進行嚴格的測試，這樣可以及時找出芯片制造中的漏洞并進行彌補，以免造成生產上的浪費，同時保證芯片的質量。01芯片的設計和制造為了能在當今激烈的市場競爭中立于不敗之地芯片的生產廠家必須保證其產品質量。而為了保證產品質量，在芯片的生產過程中就需要采用各類測試技術進行測試，以便及時發(fā)現芯片的缺陷或故障并進行彌補或修復。隨著電路板上元件組裝密度的增加，傳統(tǒng)的電路接觸式測試受到了極大的限制，而非接觸式測試的應用越來越普遍。所謂非接觸測試，主要是指利用光對制造過程中或已經制造出來的芯片進行測試。這種方法不會受到元件組裝密度的影響，能夠以很快的測試速度發(fā)現芯片的缺陷或故障。掩膜是把在計算機中設計出來的電路圖用光照到金屬薄膜上印制而成的就像光從門縫中透過，能在地上形成光條一樣，特制的金屬薄膜能對光產生反應，在光照到的地方形成孔，即在其表面有電路的地方形成孔這樣就形成掩膜。把剛制作好的掩膜蓋在硅片上，當光通過掩膜時，電路就印制在硅片上了。如果按照電路圖，將應該導電的地方連通，將應該終緣的地方斷開，那么就可以在硅片上印制所需的電路。而印制上下多層連通的電路就需要多個掩膜，這樣就將原來的硅片制造成了芯片。02天線的設計和制造天線的設計目標是傳輸最大的能量至射頻標簽芯片，需要仔細地研究天線和射頻標簽芯片之間的匹配問題。天線的原理和設計在低頻、中高頻和超高頻及以上頻段有著根本的不同。由于在低頻和中高頻頻段，RFID系統(tǒng)的近場中并沒有電磁波的傳播，因此天線的問題主要集中在超高頻及以上頻段。當工作頻率增加到微波頻段的時候，天線與射頻標簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴重。一直以來，天線的開發(fā)都基于502或752的輸入阻抗，而在RFID應用中，因為芯片的輸入阻抗可能是任意值，并且很難在工作狀態(tài)下進行準確測量，缺少準確的參數，所以天線的設計難以達到最佳狀態(tài)。天線特性受所標識物體的形狀及物理特性影響，如射頻標簽到粘貼有射頻標簽物體的距離、貼有射頻標簽物體的介電常數、金屬表面的反射、局部結構對輻射模式的影響等都會影響天線的性能。對天線的小尺寸及低成本等要求也為天線的設計帶來挑戰(zhàn)，天線的設計面臨許多難題。02天線的設計和制造射頻標簽主要包含天線和芯片兩個部分，天線的功能主要是接收電磁波,將電磁波轉換為電信號傳輸給芯片。這兩個部分的成本基本各占一半，尋找降低射頻標簽制造成本的方法一直是RFID領域的研究熱點。傳統(tǒng)的天線制造工藝有蝕刻工藝、絲網印刷工藝和電鍍工藝等。02天線的設計和制造蝕刻工藝蝕刻工藝是半導體工業(yè)中的傳統(tǒng)工藝，具體流程是在天線的承載材料上層壓一層平面銅箔片或鋁箔片，在結片上涂一層感光膠;用一個帶有天線形狀的正片對箔片層進行曝光，感光膠的光照部分被洗掉，其下層的金屬就顯露出來;這些金屬經過蝕刻溶解,留在承載材料上的線圈就是天線，其寬度約為100x10-6m，高頻天線厚度通常為(6~12)x10-6m，超高頻天線厚度通常為(1~3)x10-6m。使用蝕刻工藝制造的天線如圖3-3所示。1)02天線的設計和制造蝕刻工藝若使用銅或鋁作為材質，則天線可以享有最大信號，并且能在射頻標簽的方向性和天線的極化等特性上都與讀寫器的詢問信號相匹配，同時其在天線阻抗應用到物品上的性能，以及在有其他物品圍繞粘貼有射頻標簽物品時的性能等方面都有很好的表現。使用銅或鋁的缺點是成本太高。蝕刻工藝的優(yōu)點是工藝簡單，但在蝕刻工藝中，電鍍層的厚度控制是一個關鍵點，而且其成本高，污染也較大。1)02天線的設計和制造絲網印刷工藝絲網印刷簡稱絲印，是天線制造工藝中較新的一種工藝。絲印的套印精度可以達到(20~50)x10-6m。該工藝通過絲網在承載材料表面按照天線形狀印刷一層導電油墨。導電油墨經過干燥，在承載材料表面形成導電膠片，即形成印刷電路。在連接芯片后還要進行層壓，在加熱、加壓的作用下使導電油墨顆粒間的接觸點更大,以減小天線的電阻。以單色絲印為例，絲印工藝的生產過程如圖3-4所示。2)02天線的設計和制造絲網印刷工藝在印刷前，承載材料為卷材。清潔和電暈都有利于導電銀漿的絲印性能和附著效果。導電銀漿是導電油墨的一種，它由非常精細的銀粒和低溫固化的熱塑性樹脂組成，適用于絲網印刷。該產品能夠用于薄膜開關、柔性印刷電路，它能低溫固化，有極佳的附著力和覆蓋面，并且電阻值非常低。導電銀漿既可單獨使用，又可與導電碳漿組合使用，對導電性能要求不高，在不必使用純銀時，組合使用可大大降低成本。2)02天線的設計和制造絲網印刷工藝干燥方式有紅外、UV和熱風3種，熱風于燥方式可使干燥時間更短天線絕緣橋干燥需要使用uV干燥方式。干燥后鋼棍壓平使導電銀漿顆粒之間的距離更近，天線也更平滑。在對天線電阻、高頻導通等參數的測試完成后，可以對天線進行生產。以上步驟對PVC等塑料材料也完全適用而對于紙基則需要進行預干燥，使紙基經過140h干燥預收縮定型，不必進行清潔、電暈和壓平。事實上，電暈只對中高頻產品起作用，而對超高頻和低頻產品則不起絲毫作用。絲印工藝同時還需要一些輔助配套設備，如重繞機、磨刮刀機、油墨攪拌機、網框和刮墨刀等，同時還需要準備導電油墨，以及其他添加劑和清洗劑等。使用絲印工藝制造的天線如圖3-5所示。2)02天線的設計和制造絲網印刷工藝導電油墨是以超細銀粉和熱塑性樹脂為主體的液態(tài)油墨,在PET、PT、PVC和紙基承載材料上均可使用，有極強的附著力和遮蓋力，可低溫固化，具有可控導電性，電阻值很小。絲印技術在國外已經成功應用，但在印刷分辨率、套準精度、必要的隔離層和干凈的印刷環(huán)境等方面還有待實質性的改善和提高。我國具備一定的利用導電油墨(如導電銀漿)進行天線加工的能力，但在關鍵技術上與國外還有一定的差距。而且由于絲印天線設備價格昂貴，因此絲印技術應用較少。典型的絲印天線設備如圖3-6所示。2)02天線的設計和制造絲網印刷工藝PRECO公司設計、生產優(yōu)質的絲印天線設備已有30年左右的歷史，擁有受專利保護的CCD光學定位絲印天線設備，是世界上擁有優(yōu)質絲印定位技術、絲印誤差設備主動補償和絲印網框張力補償的公司之一，實際印刷成品精度為±0.038mm。其絲印天線設備具有很多獨特設計，為絲印天線提高良品率、保證產品性能一致性及降低產品成本提供了保證。絲印工藝的優(yōu)點是工藝簡單、成本低、吞吐率高，這種工藝適用于天線的大批量生產。但是目前導電油墨中使用的導電銀漿成本較高，這是絲印成本中的重要問題。在絲印過程中，應注意承載材料的張力，通過拍照進行實時檢測定位和糾偏。當采用單色絲印時，對于高頻產品，使用單色三次套印的方式進行印刷;對于超高頻產品，則一次就可以印刷完畢。此時套印精度、拍照檢測定位、材料變形的控制和校正都很關鍵。2)02天線的設計和制造電鍍工藝電鍍工藝吸收了傳統(tǒng)蝕刻和絲印工藝的優(yōu)點并對其進行了突破，用電鍍的原理生產線圈，在PE薄膜表面按天線形狀印刷上一層有利于銅或鋁附著的導電油墨，然后沿著軌跡鍍銅，使金屬沉積在PE薄膜上。當沉積層達到一定厚度時，線圈就制成了。這種方式與蝕刻工藝相反，避免了金屬的大量浪費，對環(huán)境的污染也相對小一些，同時天線性能穩(wěn)定，比絲印技術應用效果更好，為天線成本的降低和大批量生產提供了可能。典型的電鍍設備如圖3-7所示。3)02天線的設計和制造電鍍工藝最近出現的天線制作工藝還有模切法和切削法等。模切法是一種裁切工藝，它的原理是先將不干膠材料放在模切臺上，然后按照設計好的天線圖形進行制作，對模切刀板施加壓力，使刀鋒對應的地方受力后斷裂分離，最后排除不需要的部分，得到所需要的圖形。一般會進行兩次排除,盡量使天線精致。常用的模切材料有帶硅油的離型紙膠黏層和帶增強層的鋁箔等。切削法的工作原理是先按照設計好的天線圖形制作凹凸壓印輯，其中凸起部分是被切削的部分，凹陷部分是金屬層保留區(qū)域，再用高速旋轉的切削輪對壓印輥表面的復合膜進行切削，最后得到所設計的天線。這兩種新的天線制作工藝成本相對傳統(tǒng)工藝更低，原理也相對簡單制作過程中幾乎無污染。3)03芯片與天線的封裝芯片與天線的封裝技術有Inlay封裝技術和Transponder封裝技術等Imlay封裝技術早在1997-1998年就由海外引進至我，并很快開始在國內進行應用。到目前為止，超過95%的射頻標簽都是采用Inlay封裝技術進行封裝的，該技術的核心是將芯片封裝成模塊后，再與繞制天線導通腳連接成一個閉合電路，并嵌入封裝材料。Transponder封裝技術在1999-2001年隨著射頻標簽傳入我國，它使用未經封裝成模塊的芯片，經倒貼片技術與腐蝕或印刷的天線連接后形成一個Transponder。無論Inlay封裝還是Transponder封裝，使用的封裝方式大同小異。下面以Inlay封裝過程為例，介紹幾種重要的封裝方式。03芯片與天線的封裝倒裝邦定方式倒裝邦定方式將芯片從晶圓片上取出，翻轉180°，直接邦定到射頻標簽天線的線圈上，形成穩(wěn)定可靠的機械和電氣連接。這種方式是目前由芯片到基板之間形成最短路徑的一種封裝方式。由于使用倒裝邦定方式焊接的焊盤可采用陣列排布，因此芯片安裝密度高，適用于高I/O數的LSVLSI芯片。另外，因為倒裝邦定方式采用芯片與基板直接連接的安裝方法，所以其具有更優(yōu)越的高頻、低延遲、低串擾電路特性，更適用于高頻、高速的電子產品。這種方式具有性能高、成本低、微型化、可靠性高的特點，尤其適用于柔性承載材料。倒裝邦定方式如圖3-8所示。1)03芯片與天線的封裝倒裝邦定方式倒裝邦定有多種不同工藝,常見的有受控塌陷連接(ControlledCollapseChipConnection，C4)工藝、熱超聲倒裝焊接工藝、導電膠黏結工藝等。下面分別對這幾種工藝進行介紹。(1)C4工藝。C4工藝是IBM在20世紀60年代為將芯片結到陶瓷基板上而開發(fā)的工藝，是最早應用的倒裝邦定工藝，其開發(fā)目的是改善原來手工引線鍵合可靠性差和生產效率低的問題。該工藝采取焊球受限治金學焊盤的辦法來限制芯片表面的焊料流動。C4工藝的主要流程:在晶圓片上的凸點制作完成后，用芯片分選器從晶圓片中取出單個芯片，將其倒置;用絲印機在印有天線的基板上絲印焊料，或在基板上涂敷助焊劑作為芯片定位的黏結劑;帶有圖像識別系統(tǒng)的高精度貼片機經過精確對準，把芯片放置在基板上。1)03芯片與天線的封裝倒裝邦定方式(1)C4工藝。在貼片完成后，把基板放入設置好溫度曲線的再流爐中進行焊接，焊接溫度視焊料的熔點而定;焊接完成后，要用適當的溶劑清洗殘留物;進行底部填充，完成點膠、固化等工序，固化工序需要的溫度為150C，時間為3h。C4工藝的主要優(yōu)點:由于焊料具有很大的表面張力，因此芯片凸點和基板焊盤的自對準能力很強。光電組件封裝能很好地利用其特性，使自對準精度達到1um。C4工藝的封裝設備與標準的SMT組裝設備兼容，可以節(jié)約研發(fā)成本。1)03芯片與天線的封裝倒裝邦定方式(2)熱超聲倒裝焊接工藝。熱超聲倒裝焊接工藝在微電子封裝領域應用非常廣泛。目前，半導體元件的引線鍵合連接就主要采用熱超聲倒裝焊接工藝,該工藝也可應用于芯片的倒裝邦定。熱超聲倒裝焊接工藝的工作原理:在一定的壓力和溫度下，對芯片凸點施加超聲波能量，經過一段時間后，芯片凸點與基板焊盤產生結合力，從而實現芯片凸點與基板的連接。采用該工藝的芯片凸點界面結合過程是個摩擦過程，首先進行界面接觸和預變形，即在給定壓力下，芯片凸點與基板接觸并在一定程度上被擠壓、變形:然后進行超聲作用，除去芯片凸點表面的氧化物和污染層，此時溫度劇烈上升，芯片凸點發(fā)生變形并與基板焊盤中的原子相互滲透。熱超聲倒裝焊接工藝的關鍵參數是壓力、溫度、超聲波功率和焊接時間。目前熱超聲倒裝焊接工藝的金凸點結合強度已達到31g/bump，遠遠高于5g/bump焊接強度的規(guī)范要求。1)03芯片與天線的封裝倒裝邦定方式(2)熱超聲倒裝焊接工藝。熱超聲倒裝焊接工藝的主要流程:當芯片凸點和基板制作完成后，把基板固定在加熱臺上，加熱臺采用恒溫加熱法，加熱溫度大約為150C:利用真空吸頭，通過夾具夾持芯片，并利用光學系統(tǒng)實現芯片與基板焊盤的對準;帶有芯片的夾具緩慢下降，直至芯片凸點與基板焊盤相互接觸，并對其施加一定的壓力;對芯片施加超聲波能量，使芯片凸點發(fā)生變形并與焊盤結合;焊接完成后，釋放真空吸頭，提升夾具。熱超聲倒裝焊接工藝的主要優(yōu)點:由于超聲波能量的引入，該工藝的焊接壓力比較小，焊接溫度比較低，能對基板和芯片起到保護作用。焊接凸點可以選取金凸點和鋁凸點等。熱超聲倒裝焊接工藝過程簡單，是一種清潔的無鉛焊接，對人體和環(huán)境不會造成損害。1)03芯片與天線的封裝倒裝邦定方式(3)導電膠黏結工藝。導電膠黏結工藝采用各向異性導電膠(AnisotropicConductivePaste,ACP)和熱壓焊接原理，將具有精細間距的芯片焊接到基板上，實現芯片和基板的機械和電氣連接。導電膠黏結工藝的工作原理:導電膠黏結劑《俗稱導電膠)中間懸浮著微小的導電顆粒，在熱壓焊接之前，導電顆粒被導電膠中間的絕緣物質分隔開。當導電膠位于需要連接的部件之間時，導電膠就與部件的連接表面接觸，施加合適的壓力并持續(xù)一定的時間，導電膠就產生塑性變形，導電顆粒被擠壓裂開，部件連接表面導體部分與導電膠中被擠壓裂開的導電顆粒形成導電通道，并且導電通道只沿著導電顆粒被擠壓的方向，而在其他方向上呈現絕緣性。這樣，導電膠在加壓狀態(tài)下冷卻和固化，形成穩(wěn)定可靠的連接面，即實現部件之間的機械和電氣連接。采用導電膠黏結工藝進行倒裝焊接的芯片引腳最小間距為100um。1)03芯片與天線的封裝倒裝邦定方式(3)導電膠黏結工藝。導電膠黏結工藝的主要流程:進料裝置將天線載帶卷簡通過進料卷軸輸入第一道加工裝置;同時，緩沖軸和天線載帶卷筒控制器共同作用，調節(jié)控制傳送，保證天線感光載帶輸入傳送的正確方向和天線基面間隔的精確走勢。黏結裝置將導電膠分點到載帶上天線需要固晶的位置。預黏晶裝置將晶片從晶圓片上取下，通過180”倒裝工藝將晶片黏結到天線上需要固晶的位置。在倒裝前要對晶片進行拍照比對和位置糾偏，然后由固晶裝置將晶片緊密黏結到天線上。也就是通過熱效應加壓并持續(xù)一定時間，將ACP/NCP固化。測試裝置通過一個監(jiān)測系統(tǒng)來測試Inlay的性能。標準的收料裝置是將成品天線載帶卷到另一個收料卷軸上。根據Imlay的最終用途和用戶需要，可以選擇其他收料裝置，如條切割裝置、片切割裝置等。1)03芯片與天線的封裝條帶邦定方式條帶邦定方式是指先用倒裝方式將芯片倒裝在條帶上，再將條帶邦定到射頻標簽天線的線圈上，進行微封裝。與倒裝邦定方式相比較，條帶邦定方式的成本較高。條帶邦定方式如圖3-9所示。2)03芯片與天線的封裝條帶邦定方式為了適應更小尺寸的射頻芯片并有效地降低生產成本,芯片與天線基板的封裝由兩個模塊分別完成。將芯片先轉移至可等間距承載芯片的條帶上，再將條帶上的芯片倒裝在天線基板上。由于條帶邦定方式中使用了很多與倒裝邦定方式相同的工藝，因此其具體的工藝流程不再贅述。條帶是35mm寬的塑料條帶，用以并排攜帶成對的芯片，根據芯片的大小，每軸條帶可以攜帶10000~20000個芯片。這是由于在早期的IC卡生產中，使用35mm膠卷格式作為芯片的載體，其僅需要少量的開發(fā)改裝即可使用，這種方式經濟實用，因此延續(xù)至今。2)03芯片與天線的封裝條帶邦定方式在條帶邦定方式中，芯片的倒裝是靠條帶翻轉的方式來實現的，由于這種方式簡化了芯片的拾取操作，因此可實現更高的生產效率。理論上目前正在研究發(fā)展的流體自裝配、振動裝配等技術中，可以實現微小芯片至條帶的批量轉移，能極大地提高芯片與天線的封裝效率。條帶邦定方式的成本較高，但是其生產方式靈活、技術門檻低，可以服務于小批量、個性化生產，適用于有特殊外形需求的射頻標簽。在多種封裝工藝的基礎上，射頻標簽的封裝形式也呈現多樣化，并且不受尺寸和形狀的制約，如卡片類、標簽類、異形類等?？ㄆ愂抢脤訅菏胶湍z合式工藝封裝的各種尺寸的卡片;標簽類將粘貼式和吊牌式工藝應用于