技術(shù)丨RFID電子標(biāo)簽天線模切工藝方案

　　一

　　RFID天線制造方法

　　天線制造技術(shù)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、蝕刻法

　　首先在覆有金屬箔的P E T薄膜上印刷抗蝕油墨來保護(hù)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(yōu)點(diǎn)是：工藝成熟，天線生產(chǎn)的成品率很高，而且天線的性能一致性很好;而缺點(diǎn)就是：蝕刻工序很慢，導(dǎo)致天線生產(chǎn)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(dǎo)致其成本比較高。

　　2、印刷法

　　通過導(dǎo)電銀漿把天線圖案印刷在P E T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(yōu)點(diǎn)是：生產(chǎn)速度快，而且可以實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，可以適用于小批量生產(chǎn)。

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

　　3、電鍍法

　　首先用導(dǎo)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P E T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(yōu)點(diǎn)是：生產(chǎn)速度很快，天線導(dǎo)體損耗少，從而天線的性能好。缺點(diǎn)就是：初始的設(shè)備投資很大，而且其只適合大批量生產(chǎn)。

　　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(jīng)由D e - m a s k i n g制程便形成了RFID天線。

　　這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：生產(chǎn)速度快，成本比較低;缺點(diǎn)就是：沉積的膜大概在2μm左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)備大概一臺(tái)1 0 0萬美元， 設(shè)備投資很大。跟電鍍法類似適合大批量生產(chǎn)。

　　也有人嘗試先印刷含鉑油墨到P E T基材上形成天線圖案作為種子層，然后化學(xué)鍍銅。它的優(yōu)點(diǎn)是含鉑油墨相比導(dǎo)電油墨便宜。但是化學(xué)鍍銅的速度更慢而且沉積厚度大概幾個(gè)微米。

　　此外，高頻天線也存在一個(gè)布線法，即把漆包線(大概在0.25mm)穿過超聲頭，超聲頭按照設(shè)計(jì)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(duì)蝕刻法還要貴一些。

　　二

　　模切技術(shù)

　　由于主流的蝕刻法生產(chǎn)速度慢，浪費(fèi)材料，而且污染環(huán)境;而印刷法的導(dǎo)電銀漿成本居高不下，天線可靠性也不高;這一切導(dǎo)致人們開始開發(fā)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(shù)來加工不干膠結(jié)構(gòu)材料來生產(chǎn)RFID天線。

　　1、模切技術(shù)原理

　　模切技術(shù)其實(shí)屬于一種裁切工藝，把不干膠材料放在模切機(jī)的模切臺(tái)上，然后按照事先設(shè)計(jì)好的圖形進(jìn)行制作成的模切刀版施加壓力，使刀鋒對(duì)應(yīng)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(biāo)簽保留在底紙上。

　　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(gòu)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(jī)械支撐的作用，此外，P E T基材的介電常數(shù)和厚度也會(huì)影響天線的諧振頻率。這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的不干膠結(jié)構(gòu)很類似，只不過不干膠中間多了一層增強(qiáng)層;所以我們采用天線做成不干膠結(jié)構(gòu)形式。我們模切所用的材料有三層結(jié)構(gòu)：帶硅油的離型紙或PET(大概100μm)，粘膠層(大概20μm)，帶增強(qiáng)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(qiáng)層主要是為了加強(qiáng)鋁箔， 便于排廢。

　　3、模切機(jī)

　　模切機(jī)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(jù)模切底板和壓切機(jī)構(gòu)的不同，模切機(jī)可分為平壓平、圓壓平和圓壓圓三種類型。

　　三

　　RFID天線模切方案

　　1、RFID天線模切特點(diǎn)分析

　　模具要求：

　　雖然我們采用不干膠的結(jié)構(gòu)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(duì)于非金屬材料，蝕刻模一般可以模切20萬次，對(duì)于金屬來說大概在2萬次左右就必須修模或廢棄。所以我們選擇好一點(diǎn)的模具材料也可以對(duì)刀鋒處進(jìn)行熱處理來提高刀鋒的硬度。

　　RFID天線圖案比較精細(xì)復(fù)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(nèi)，這樣保證切出來的線寬是1mm，而且平直。如下圖所示：

　　模切材料要求：

　　前面提到面材的強(qiáng)度對(duì)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(shí)它的強(qiáng)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(qiáng)度明顯不夠。為此，我們?cè)阡X箔的背面增加了一層增強(qiáng)層，在這里我們選擇為10μm厚的PET，具體可見圖3。

　　為了節(jié)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(diǎn)分析：

　　RFID超頻天線圖案精細(xì)復(fù)雜，導(dǎo)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(gè)特點(diǎn)(我們以NXP提供的參考天線為例，圖5)：

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

　　天線結(jié)構(gòu)中為了調(diào)節(jié)天線的實(shí)部部分，T型匹配結(jié)構(gòu)只是與天線輻射部分在中間部分相連。T型結(jié)構(gòu)其他部分與天線輻射部分存在一個(gè)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(shù)。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(xì)長的彎折線是比較難排廢。我們?cè)诩恿嗽鰪?qiáng)層以后， 發(fā)現(xiàn)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(shí)也會(huì)存在折合結(jié)構(gòu)， 這相當(dāng)于大半個(gè)閉合環(huán)，給排廢帶來了比較大的困難。

　　2、粘膠模切排廢方案

　　針對(duì)R F I D天線精細(xì)復(fù)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(nèi)部圖案和框架圖案兩大部分?？蚣軋D案是一個(gè)很規(guī)則的圖案可以直接排廢;而內(nèi)部屬于比較難排的圖案，我們把其分為一個(gè)個(gè)分離的圖案，用粘膠把其粘掉排廢。見下圖：

　　粘膠排廢原理：

　　粘膠排廢主要是基于粘接力的相對(duì)大小來達(dá)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(gè)個(gè)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(dāng)粘膠揭起經(jīng)過“孤島”時(shí)，由于“孤島”部分面積相對(duì)而言很小，粘膠帶隊(duì)“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(zhuǎn)移到膠粘帶上。當(dāng)粘膠帶要經(jīng)過要保留的圖案時(shí)，要保留的圖案的面積很大， 膠粘帶對(duì)"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(xù)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(xù)留在離型紙上，從而達(dá)到了排廢的目的。

　　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

　　NXP提供的參考天線排廢過程圖案變化圖

　　具體實(shí)施過程：

　　按照粘膠排廢方案， 我們選擇兩臺(tái)3 0 0 m m寬平刀模切機(jī)。兩臺(tái)復(fù)合機(jī)，一臺(tái)貼合機(jī)、一臺(tái)剝離機(jī)。

　　貼合即負(fù)責(zé)把膠帶貼合到不干膠上面的鋁箔上，剝離機(jī)負(fù)責(zé)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(duì)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(dá)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(nèi)部和外框分別開了兩副模具，為了提高產(chǎn)出率，我們?cè)谝桓蹦＞呱献隽巳艌D案，具體見下圖：

　　內(nèi)部圖案模切模具

　　外框模切模具

　　模切過程實(shí)物圖：

　　3、模切天線與蝕刻天線性能比較

　　邊緣整齊性：

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

　　生產(chǎn)速度：

　　模切機(jī)的速度是3次每秒，假定刀模有3個(gè)圖案，機(jī)器一天工作1 2小時(shí)，那么我們每天可以生產(chǎn)天線4 0萬張，這不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蝕刻法的速度，而且比印刷法還要快。

　　圖案精細(xì)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(zhuǎn)移的方式來完成天線與芯片的互聯(lián)。

　　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(dòng)造成圖案失真。這需要生產(chǎn)過程中盡可能的減少人工的干預(yù)。