用纳米铜油墨印刷RFID标签天线

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摘要:印刷线路板 (PCB)和柔性电路板 (FPCB)、电子标签 (RFID)采用刻蚀技术制作电路图案 ,这是目前的主流技术 ,但存在工艺流程长、废料废水多和不环保的缺点,业界一直在寻找替代的方法。
关键词:RFID标签  RFID天线  

在电子行业中 ,制造导电线路是必需的 ,也是至关重要的。印刷线路板 (PCB)和柔性电路板 (FPCB)、电子标签 (RFID)采用刻蚀技术制作电路图案 ,这是目前的主流技术 ,但存在工艺流程长、废料废水多和不环保的缺点,业界一直在寻找替代的方法。

纳米导电油墨

近年来 ,随着微纳材料及微纳制造技术的发展和成熟,印刷电子产业 ( Printed Electronics)应运而生 ,它采用高速低廉的印刷方法制造电子部件及线路 ,在平板显示( Flat Panel Display) 、电磁屏蔽层 ( EMI Shielding )、电子标签( RFID Tag)、有机发光二极管( OLED)、印制线路板 (PCB)和触摸屏 (Touch Screen)、光伏薄膜 (PV Film)等应用中显示出强劲的上升趋势” 。纳米导电油墨印刷电子线路是其中的代表之一 ,极具潜力替代传统PCB线路制造工艺。

纳米导电油墨形成电子线路的原理是 ,通过油墨载体将纳米粒子分散 ,再印刷在基材上形成线路图案 ,在后续的烧结中,由于纳米粒子表面活性强 ,在低温下可将纳米粒子烧结成连续体 ,导电性提高 ,克服了以往导电油墨电阻率高的缺点,成为电子产业的一个研究热点。

贵金属 (如金和银)纳米导电油墨已被广泛深入研究 ,并已有产品出现 ,它们具有高导电性和高的抗氧化性能,但是过于昂贵 (金:300 元/g~4 00元/g,银:5元/g-7元/g),用于替代普通的电子线路显然不现实。若采用碳粉、导电聚合物和有机金属化合物,其导电性又不够好。相比之下,铜是一个极好的候选材料 ,其导电性好,成本低(铜:0.05元/g-0.07元/g),抗电迁移性能好,是最有潜力普及应用的印刷电子材料之一。

目前HF和UHF电子标签天线的主流制造技术仍是蚀刻技术,与PCB制造相似,但是线路更简单。因此,本文采用纳米铜导电油墨试做了RFID电子标签的天线电路,以方便地评估其性能和成本。

1 RFID标签制作实验

1.1 印刷RFID标签天线

本文采用了三种印刷方案在聚酰亚胺(PI)柔性基板上制作天线线路,分别是喷墨打印、丝网印刷和刻蚀法,并专门为每种方法设计了黏度不同的纳米导电铜油墨配方。

喷墨打印采用富士公司的Dimatix Materials Printer DMP-2800系列喷墨打印机(如图1所示)。一般来说,喷墨打印中影响印刷质量的两个关键参数是油墨性能和打印系统参数设置。导电油墨的主要性能参数有黏度、表面张力和分散稳定性。打印设置关键参数包括喷射墨滴大小、喷头移动速度、印刷频率和喷墨温度等。我们将喷墨打印头和基材的间距保持在0.5mm,喷墨温度设定在30℃。喷墨打印头如图1(b)所示。

图1 DMP-2800喷墨打印机

丝网印刷和刻蚀法是传统方法。丝网印刷是通过刮板挤压,使油墨通过柔性丝网上的网孔,转移到承压物上,如图2所示。

图2 手动丝印平台

刻蚀法是将导电油墨通过甩胶铺展到承印物上,固化后形成导电薄膜,再用类似PCB线路刻蚀的方法获得导电图案,如图3所示。

图3 蚀刻法工艺流程

使用上述三种方法,在PI基板上印刷一批HF和UHF电子标签以及一些测试粘接力和电阻率的简单图案样品。

1.2 印刷天线烧结

纳米铜粒子比表面积大,容易发生氧化,因此印刷好的纳米铜油墨天线通常在保护条件下烧结,例如在真空炉或氮氢混合气体中低温烧结,但是这样时间太长,不利于大规模生产。本实验中,油墨设计为采用紫外光照的方式固化。在紫外光的照射下,纳米铜油墨在数秒内完成固化,形成导电线路。固化好的标签天线如图4和图5所示。

图4 PI基板上掩膜-蚀刻法得到的RFID标签

图5 PI基板上喷墨印刷得到的RFID标签

1.3 RFID标签封装

将射频芯片(本文采用NXP提供的G2XL超高频芯片)封装在天线的两个端子上,以制作RFID标签,测试天线性能。实验发现纳米铜油墨印刷天线厚度薄,不奈温,不具有钎焊性能,故利用各向异性导电胶(ACA)封装。先在显微镜下用点胶工具将ACA胶水点涂在天线端子上,再用抗静电镊子轻夹芯片,对准倒扣于两个端子上,然后150℃下固化胶水,射频芯片被固定到天线上,其截面示意图如图6所示。

图6 射频芯片封装于纳米铜天线的截面示意图

芯片封装后滴涂黑胶进行保护,防止水汽等外部环境使标签过早失效,黑胶滴涂在RFID芯片上将芯片完全覆盖,将样品在烘箱中80℃烘烤1h,黑胶固化。封装好的RFID标签如图7所示。

图7 ACA 封装的超高频RFID标签

2 结果与讨论

2.1 外观和厚度及电阻率

固化的铜膜外观通过拍照进行对比。观察发现,喷墨打印、丝网印刷和刻蚀法三种方法制造的电子标签天线线路外观都是一样的,具有与紫铜一样的光泽。

印刷薄膜的厚度可以通过表面粗糙度仪测量,粗糙度仪如图8所示。测量探针直线划过被测表面,每次测量必须保证探针划过裸露的基材和印刷铜膜区域,这样测量的粗糙度即为铜膜的厚度,测量原理如图9所示。

图片8 表面粗糙度仪

对一些铜膜厚度1um以下的样品,用粗糙度仪测量可能会引入误差,此时可以通过镶样制作剖面结构,通过金相显微镜测量铜膜厚度,或者通过SEM照片测量其厚度,如图10所示。

图10 SEM厚度测量

印刷导电铜膜电阻率用KDY-1型四探针仪测量,如图11所示,基本原理是恒流源给探针头(1和4探针)提供稳定的测量电流I,探针头(2和3)探针测取电位差U,电阻率P根据公式计算:

式中:U为电压度数,mV;I为电流读数,mA;W为薄膜厚度,cm;F(W/S)为厚度修正系数,可查表;F(S/D)为直径修正系数,可查表;Fsp为探针间距修正系数;Ft为温度修正系数,可查表。

表1对三种方法制作的铜膜天线进行了厚度和电阻率比较。结果表明,各种工艺得到的铜膜电阻率都在1O-5Ωcm量级,比纯铜的电阻率(1.75*10-6Ωcm)高一个数量级,与文献报道的结果相似。此电阻率已能够满足一些场合的应用,比如电子标签天线。喷墨打印单层铜线的厚度可达到2um,可以采用多次打印增加膜厚,以降低电阻率。

表1 不同工艺制作的纳米铜膜性能比较

2.2 抗剥离性能

附着力对导电油墨印刷线路和元器件的可靠性影响较大,尤其对于柔性基板,因为需要经受频繁的弯折,附着力差会使产品过早失效,通过10*10横切胶带测试可以评估印刷油墨的抗剥离性能。

在10*10横切胶带测试中,100%面积的铜膜仍然保留,这说明固化后的纳米铜导电油墨对聚酰亚胺薄膜具有良好的附着力,如图12所示。

2.3 阅读距离

阅读举距离是评估UHF RFID标签读写性能的关键性指标。本文选用RRU1861型读写器搭建测量平台,如图13所示。该标签工作频率902MHz-928MHz,采用ISO18000-6C通信协议,标签和阅读器固定在同一高度,贴有标签的支架可以沿水平导轨移动。

测量结果表明,阅读距离可达到3m,这样的读写距离已经可以满足门票、供应链管理和门禁等方面的应用。

2.4 性能提升

在聚酰亚胺基材上成功印刷出纳米铜线路是一个好的开端。成本低廉的纳米铜粉制作的导电油墨,为制造廉价可靠的电子线路提供了一个极好的选择。我们期望将这种低成本高效率的印刷电子线路技术逐步推向PCB及相关领域的市场。

我们的研究还表明,控制墨水固化形态、控制基材收缩、提高印刷线路的可靠性和互连工艺以及提高烧结线路的抗氧化性是未来需要突破的关键。

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