RFID 电子标签的构成与使用及天线印刷工艺
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浏览: 次 作者: 前润机械
RFID 电子标签技术又称RFID（Radio FrequencyIdentification）射频识别技术，是一种非接触式的自动识别技术，通过相距几厘米到几米距离内传感器发射的无线电波，可以读取RFID 电子标签内储存的信息，识别RFID 电子标签所代表的物品、人和器具的身份。
这种技术早由美国海军研究试验室（NRL）开发用于敌我识别系统（IFF），将盟军的飞机和敌方的飞机区别开来。目前在范围内，RFID 电子标签技术正逐渐被应用到人们生活的方方面面。
RFID 电子标签技术与其它自动识别技术，例如与条形码识别技术相比，具有如下特点：RFID电子标签的阅读器能透过泥浆、污垢、油污、木材、水泥、塑料、蒸汽等非金属材料阅读标签，不必一定与标签直接接触；RFID 电子标签的数据存储容量大，标签上数据可以加密、随时更新；RFID 电子标签实现了“免接触”，不需要直线瞄准扫描操作，读写速度快，读取距离大；RFID 电子标签的体积小、易封装，外形多样；RFID 电子标签的使用寿命可长达10 年以上，读写10 万次，无机械磨损、无机械故障；RFID 电子标签的编号，而且可以加入防伪识别码。RFID 电子标签和条形码的主要区别是数据被电子化储存在RFID 电子标签的存储单元内，采用专用芯片的RFID 读卡机能根据每件货物的序列标识号来进行识别，并可以进行密钥认证，保障数据安全。
另外，值得一提的是，RFID 电子标签因具有上述的读写速度快，读取距离远，数据容量大等特点，被应用在物流过程和供应链管理之中，使交易成本减少，管理水平得到提高。
一、RFID 电子标签的构成与使用
RFID 电子标签通常由标签天线（或线圈）及标签芯片组成，是射频技术的核心。其结构图见图1。
标签天线在整个RFID 系统中起着很重要的作用，它不仅要将RFID 电子标签所存储的信息调制反射，同时还要捕获阅读器发射的电磁波，为标签芯片提供能量。
由于RFID 电子标签要粘贴到被识别的物体上，这就需要RFID 电子标签能够足够小，标签天线不仅要求小尺寸，而且具有全向或半球覆盖的方向性。另外，作为数据载体的微型芯片基本已模块化，但芯片的数据信息及读写要求不同，芯片阻抗不确定，这就需要标签天线能够实现可变性，以便与芯片阻抗共轭匹配，以提供大功率给芯片。当然，RFID 电子标签需要大规模使用，要求标签天线加工简单，成品率高，制造成本低。
标签天线作为RFID 系统中易变的部分，面临着小型化、共形化、低损耗和低成本的实际要求，其制造在整个RFID 系统中占有重要地位。
二、RFID 电子标签天线的印刷
1. RFID 电子标签天线的印刷方法
RFID 电子标签天线制造常用的技术方法有：蚀刻法、电镀法和直接印制法（导电油墨印刷法），都属于天线的印制技术。目前国内外主要是以蚀刻法和电镀法为主，直接印制法是近正在兴起和研究的印制技术。
（1）蚀刻法。也称印制腐蚀法，或减成印制法。先在一个底基载体（如塑料）上面覆盖一层20mm～25mm 厚的铜或铝，另外制作一张天线阳图的丝网印版，用网印的方法将抗蚀剂印在铜或铝的表面上，保护下面的铜或铝不受腐蚀剂侵蚀；而未被抗蚀剂膜覆盖的铜或铝会被腐蚀剂溶化，露出底基成为天线电路线的间隔线；后涂上脱膜液去除抗蚀膜，进而制成天线。工艺流程如图2 所示。
（2）电镀法。也称印制电镀法，或加成印制法。
在底基上通过印刷涂覆一层薄的（几微米）起催化作用的油墨，呈天线的阳图形状。此种特殊油墨含有金属颗粒，在印制之后，印过的材料再经过电镀过程，铜被镀在材料上，只附着在油墨形成的图形
上。电镀过程持续到材料上沉积的铜的量达到一定的厚度使之具有合适的导电性，进而形成天线。
具体的工艺流程（以网印为例）如图3 所示。
（3）直接印制法是直接用导电油墨在绝缘底基（薄膜、纸张等）上印制导电线路，形成天线和电路，具体工艺流程见图4。
直接印制法制作RFID 电子标签与蚀刻法和电镀法相比，主要有3 方面的优点：
①用传统蚀刻法和电镀法制作RFID 电子标签天线，工艺复杂，成品制作时间长；直接印制法制作RFID 电子标签天线高效快速。如今，直接印制法已开始取代制作各频率段的蚀刻天线，如超高频段（860MHz ～950MHz） 和微波频段（2450MHz），同时在天线质量方面，直接印制法制作的天线可以与传统工艺制作的天线相媲美。
②传统蚀刻法和电镀法制作的RFID 电子标签天线要消耗大量的金属材料，成本较高；而直接印制法的原材料成本要低于传统的金属天线，这对于降低电子标签的制作成本有很大的意义。
③传统蚀刻或电镀工艺的制作过程产生大量含金属和化学物质的废液，对环境造成较大的污染；直接印制法采用导电油墨直接在底基上进行印制，不含侵蚀性材料，化学试剂的使用较少或没有，具有“绿色”环保的优点。
2. 导电油墨的使用
直接印制法印刷的RFID 电子标签天线之所以具有强于传统方法制成的RFID 电子标签天线的特点和优势，主要取决于导电油墨的特性和与印刷技术的结合。
导电油墨又称导电胶、导电银浆，是一种允许电流流动的特殊油墨，由分散的细微导电粒子和导电聚合物等组成。印刷在柔性或硬质承印物上可制成印刷电路，起到导线、天线和电阻的作用，从较大程度上决定了RFID 印刷天线的阻抗这一关系RFID 天线性能的重要参数。导电油墨按所含导电因子的成分，可分为碳浆油墨、铜浆油墨、银浆油墨和金浆油墨。由于银浆油墨有较低的电阻率，对于RFID 标签而言是佳的选择；铜氧化速度非常快，并不适合用于RFID 天线的印刷。
目前，优尼威尔、Parelec 公司、杜邦公司、韩国ABC 纳米技术公司分别研发了各种RFID 印刷天线用导电油墨。
从未来的发展看，直接印制法将成为制作RFID 电子标签天线主流的印制方法，这源于利用导电油墨进行RFID 电子标签天线印刷的下列优势：
（1）成本低。导电油墨成本的降低主要取决于其材料，从材料本身的成本上来讲，油墨要比冲压或蚀刻金属线圈的价格低，特别是在铜、银的价格上涨的情况下，采用导电油墨印刷法制作RFID 天线不失为一种理想的替代方法；从材料耗用量上说，蚀刻要消耗大量金属，而导电油墨所消耗的金属材料少，成本低。
（2）导电性能好。导电油墨干燥后，由于导电粒子间的距离变小，自由电子沿外加电场方向移动形成电流，因此RFID 印刷天线具有良好的导电性能。
（3）操作容易。直接印制印刷技术作为一种加成法制作技术，较之减成法制作技术（如蚀刻）而言，本身是一种容易控制、的工艺过程。
（4）无污染。铜蚀刻过程必须采用的光敏胶和其他化学试剂都具有较强的侵蚀作用，所产生的废料及排出物对环境造成较大的污染；而采用导电油墨直接在基材上进行印刷，无需使用化学试剂，因而具有无污染的优点。
（5）基材选择灵活多样。导电油墨几乎能印刷在所有的承印材料上，包括聚酯、聚酰亚胺、ABS 工程塑料、PVC（聚氯乙烯）、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、（涂料）纸板等；而铜蚀刻技术则只能采用具有高度抗腐蚀性的基材如聚酯，这类基材的价格一般要比印刷所选择的基材高。
（6）抗压性能强。用导电油墨印刷的RFID 电子标签天线能够经受住更高的外部机械压力，具有更好的弹性和更高的可靠性。
需要说明的是：用导电材料印刷时，还需注意印刷面积的问题。RFID 电子标签天线印刷有一定的横截面积。如果用很薄的油墨来印刷虽然也可以，但印刷的面积会很大，即线印得宽；RFID电子标签本身就处于轻、薄、小的发展趋势，不能印得太宽，而且由于不同工作频率的RFID 电子标签的天线线圈将对应不同的圈数、线圈厚度（如：HF 波段使用13.56MHz 的芯片，通常它要求线圈圈数为6，线圈截面厚度约为20μm；UHF 波段使用868MHz 和950MHz 的芯片，线圈截面厚度约为4μm），RFID 电子标签天线每一圈之间的距离也不同。所印刷的墨层厚度、每一道线的宽度和干燥后的图形轮廓都有严格的允差范围（如：两次重叠套印的误差必须在0.1mm 之内）。
所以要注意合理选择印刷方式，否则，就可能会影响天线的印刷质量和导电性能。因为不同的印刷方式达到的印刷性能不一样，要根据印刷天线的要求，来选择印刷方式。
三、RFID 电子标签天线印刷的4 种方式
RFID 电子标签是一种微结构，对印刷的要求较高，且需要用导电油墨印刷，印刷的膜层要求高。通常的胶印机由于墨膜厚度较小，并不适合这种微结构的印刷。为了能让导电油墨均匀而极薄地涂布在很薄的基材上，必须解决两个问题：一是导电油墨的研发；二是印刷设备提供商能够提供出印刷RFID 电子标签的理想解决方案，如采用混合印刷技术。下面介绍一下电子标签印刷的4 种方式。
1. 网版印刷
RFID 电子标签天线的印刷制作过程采用此种方案的案例多，也是目前的印刷方式。
这是因为呈六角形的镍箔穿孔网（不是由金属或尼龙编织成的网）的整个网面平整匀薄，能极大地提高印迹的稳定性和精密性，比较适合用导电油墨印刷且印刷效果较好， 线路间隔可达0.1mm，定位精度可达0.01mm。
网印印刷RFID 电子标签天线具有下列优势：绿色环保，可实现一步式印刷，不含侵蚀性材料，印刷设备价格较低，可以在各种承印材料上印刷，并且可以印制交叉线路。但网版印刷的油
墨黏度较高，且印刷膜厚高可达100um，而RFID 电子标签天线的印刷膜厚仅约为8～12um即可。由于丝网印刷墨层厚度由丝网网版的透墨量决定，在印制时可以通过调节刮印参数（刮印
压力、刮印速度、网版距离、刮板角度等）、选择不同分辨率的网版等来印刷得到所需的印刷膜层厚度。另外，还需注意选择合适的导电油墨、确定印刷墨膜的佳干燥条件。网版印刷后干燥可以
通过UV、IR 及热风等方式来达成。
2. 凹版印刷
凹版印刷是将刻有图样的金属薄版（凹刻），固定于印刷机上的印刷版上，沾上印刷油墨后转印至承印底材上，其分辨率可达1000l/cm，墨膜厚度为8～12μm。凹版印刷的油墨黏度较网版印刷油墨的黏度来得低，油墨膜厚控制较为，亦可符合RFlD 电子标签天线印制所需膜厚要求，而且印刷速度更快，极适合大量印刷生产。缺点是需投入之设备资金较高，印刷压力太大，印刷RFID 标签天线时存在一定困难。
3. 凸版印刷
凸版印刷是将有图样的橡胶厚版（凸刻），固定于印刷机上的印刷版上，在沾上印刷油墨后转印至底材上。凸版印刷的油墨黏度比凹版印刷来得低，油墨膜厚也是远低于前二者的，且印刷导电银胶时困难重重。但若能克服以下障碍，如印迹的边缘部分会有印纹出现，使得天线边缘的印迹不规则，影响天线的精度及阻抗性；容易产生废品等，凸版印刷直接将RFID 电子标签印刷在纸箱上的价格竞争力却是前二者所不能媲美的。
4. 喷墨印刷
喷墨印刷技术是近10 年来发展的新兴技术，其多功能性是其他印刷方式无法比拟的。这种无压力的印刷方式可将计算机中的数字信息直接喷涂到任何形状的材料上。喷墨印刷技术的油墨系统较为复杂，可以使用水性、UV 墨水，其大型喷墨印刷设备的印刷精度高可达50um 左右，此技术也是有可能成功实现以印刷方式来直接制作IC 电路的技术。但是喷墨印刷存在着喷墨位置偏差，小墨滴会出现在区域影响印刷质量，印刷速度慢，设备及油墨成本高等问题。
喷墨印刷技术的油墨黏度是4 种印刷方式中低的，膜厚控制精度却是高。
综上所述，虽然RFID 电子标签印刷天线具有很大的优势，但在印刷天线的过程中，要求没有任何杂质掺合其中，否则会影响导电效果。另外，烘干温度的控制也很重要，温度不合适，会使天线的基材发生超标准的变形，还会对后面的工序造成影响。这就对印刷企业的生产管理提出更高的要求，同时也会促进印刷企业在技术细节、管理水平上的提高。
头发直径一般约0.05mm~0.1mm,而如今我们电子标签天线的线距也可做到仅仅只是一根发丝的宽度。完成这一有难度任务的是厦门英诺尔电子科技股份有限公司。
厦门英诺尔电子科技股份有限公司是一家专业生产高端柔性线路板（FPC）、RFID电子标签、物联网读写设备、IC封装基板、超高频射频天线、特殊电子材料、耐高温条码标签、电源适配器等产品、集产品研发设计、生产、销售于一体的高新技术企业，也是一家由归国留学人员于2010年创立高新企业。虽然是新企业，但英诺尔电子的技术团队肯下苦功、精益求精，成功地在蚀刻电子标签天线技术上取得新，将小线距至0.1mm以内。
电子标签天线对一枚电子标签的性能的影响不言而喻，越是做工精良的天线，越能充分发挥出一枚标签的性能。特别是标签尺寸较小的情况下，天线的精密程度尤为重要。蚀刻天线技术是生产电子标签天线重要的技术，蚀刻法也称为减法制作技术。其制作流程市首先在一个塑料薄膜上层压一个平面铜箔片（或其它金属）；然后在铜箔片上涂覆光敏胶，干燥后通过一个正片对其进行光照；放入化学显影液中，此时感光胶的光照部分被洗掉，露出铜；后放入蚀刻池，所有未被感光胶覆盖部分的铜被蚀刻掉，从而得到所需形状的铜线圈。 蚀刻印制天线因为其精度高，特性能够与读写机的询问信号相匹配，同时在天线的阻抗、应用到物品上的射频性能等都很好等优点受到了行业人士的喜爱。但在国内能将线距至0.1mm以内，并不多见。
“这是我们的一个。天线精度提高，可以提高倒封装良品率，可以降低倒封装设备成本，可以让芯片做的更小，从而降低芯片成本。如果用铜蚀刻，我们线距精度可以做到0.05mm以内。”英诺尔市场部经理谢立非表示：“虽然与的蚀刻天线技术相比，我们还有一定的距离，但秉承、持续创新的经营理念，我们将会继续努力，向世界水平看齐乃至！”
物联传媒观察员石先生也表示：“在蚀刻天线精度控制上国内已经有一定的水平，但能稳定地将线距至0.1mm以内的，可能只有少数几家企业能够掌握。英诺尔电子科技以一个新锐企业的身份，能做到如此水平，也算难能可贵了。电子标签天线技术的提高将有利于电子标签的良品率，进而影响到电子标签的整体成本。”
(责任编辑：前润机械))
