淺談RFID電子標簽封裝技術(shù)

1RFID技術(shù)概述

1.1RFID技術(shù)概念

RFID是RadioFrequencyIdentification的縮寫,即射頻識別技術(shù),俗稱電子標簽。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù),它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),識別工作無須人工干預,可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽,操作快捷方便。

1.2RFID系統(tǒng)的基本組成部分

最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成:標簽(Tag)、閱讀器(Reader)、天線(Antenna),一套完整的系統(tǒng)還需具備數(shù)據(jù)傳輸和處理系統(tǒng)。

1.3RFID技術(shù)的基本工作原理

RFID技術(shù)的基本工作原理并不復雜:標簽進入磁場后,接收解讀器發(fā)出的射頻信號,憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息,或者主動發(fā)送某一頻率的信號;解讀器讀取信息并解碼后,送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

2RFID封裝技術(shù)

2.1封裝方法

印刷天線與芯片的互連上,因RFID標簽的工作頻率高、芯片微小超薄,最適宜的方法是倒裝芯片(FlipChip)技術(shù),它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特點,為適應柔性基板材料,倒裝的鍵合材料要以導電膠來實現(xiàn)芯片與天線焊盤的互連。柔性基板要實現(xiàn)大批量低成本的生產(chǎn),以及為了更有效地降低生產(chǎn)成本,采用新的方法進行天線與芯片的互連是目前國際國內(nèi)研究的熱點問題。

為了適應更小尺寸的RFID芯片,有效地降低生產(chǎn)成本,采用芯片與天線基板的鍵合封裝分為兩個模塊分別完成是目前發(fā)展的趨勢。其中一具體做法是:大尺寸的天線基板和連接芯片的小塊基板分別制造,在小塊基板上完成芯片貼裝和互連后,再與大尺寸天線基板通過大焊盤的粘連完成電路導通。與上述將封裝過程分兩個模塊類似的方法是將芯片先轉(zhuǎn)移至可等間距承載芯片的載帶上,再將載帶上的芯片倒裝貼在天線基板。該方法中,芯片的倒裝是靠載帶翻卷的方式來實現(xiàn)的,簡化了芯片的拾取操作,因而可實現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率。

2.2RFID標簽封裝工藝

RFID標簽因不同的用途呈現(xiàn)多種封裝形式,因而在天線制造、凸點形成、芯片鍵合互連等封裝過程工藝也呈多樣性。
(1)天線制造

繞制天線基板(對應著引線鍵合封裝)
印刷天線基板(對應著倒裝芯片導電膠封裝)
蝕刻天線基板(對應著引線鍵合封裝或者模塊鉚接封裝)

(2)凸點的形成

目前RFID標簽產(chǎn)品的特點是品種繁多,但并非每個品種的數(shù)量能形成規(guī)模。因此,采用柔性化制作凸點技術(shù)具有成本低廉,封裝效率高,使用方便,靈活,工藝控制簡單,自動化程度高等特點。不僅可解決微電子工業(yè)中可變加工批量、高密度、低成本封裝急需的難題,還為目前正蓬勃興起的RFID標簽的柔性化生產(chǎn)提供條件。

(3)RFID芯片互連方法

RFID標簽制造的主要目標之一是降低成本。為此,應盡可能減少工序,選擇低成本材料,減少工藝時間。

倒裝芯片凸點與柔性基板焊盤互連可采用三種方式:各向同性導電膠(ICA)加底部填充,各項異性導電膠(ACA,ACF),不導電膠(NCA)直接壓合釘頭凸點的方法。理論上,應優(yōu)先考慮NCA互連,可以同點膠凸點相配合實現(xiàn)低成本制造,但存在一定的局限性和可靠性。

采用ICA,優(yōu)點是成本低,固化不需要加壓。操作工藝步驟繁瑣,難以降低成本,通常固化時間長,難以提高生產(chǎn)速度。在采用先制造連接芯片的小塊基板,再與大尺寸天線基板連接的形式下,通過ICA的粘連完成電路導通是首選。通常是使用低成本、快速固化的ACF和ACA,具體做法是用普通漏版印刷技術(shù)在天線基板焊盤相應位置涂刷一層ACA,利用倒裝芯片貼片機將芯片貼放到對應位置,然后熱壓固化。

還有另一種鍵合方式是先制造RFID模塊,然后將其與天線基板進行鉚接組裝。

2.3RFID標簽封裝設備

目前RFID產(chǎn)品的封裝設備只有國外一些廠商提供,柔性基板的標簽均選用從卷到卷的生產(chǎn)方式,該生產(chǎn)線包括基板進料、上膠、芯片翻轉(zhuǎn)貼裝(倒裝)、熱壓固化、測試、基板收料等工藝流程。另一種生產(chǎn)方式為先制造RFID模塊,然后將其與天線基板進行鍵合組裝。該方法由獨立的可精密定位的芯片轉(zhuǎn)移設備將芯片置于載帶構(gòu)成芯片模塊,再由芯片模塊將芯片轉(zhuǎn)移至天線基板,其優(yōu)點是兩次轉(zhuǎn)移可獨立并行執(zhí)行,芯片翻轉(zhuǎn)通過載帶的盤卷方式實現(xiàn),因而生產(chǎn)效率得以提高。

柔性基板的標簽通過全自動高速卷對卷的設備生產(chǎn),非接觸Transponder的生產(chǎn)通過將導電膠準確附于天線的引腳,倒扣芯片封裝,并對每個Transponder檢測以達到最佳的產(chǎn)品質(zhì)量。設備點膠采用鋼箔網(wǎng)印技術(shù),應用視覺定位系統(tǒng),使用兩組機械手臂高精準取放芯片,通過可調(diào)溫度、時間與壓力的熱壓頭封裝,讀卡頭自動全檢ISO標準Transponder并統(tǒng)計合格率。

2.4電子標簽的封裝形式

從實際應用看,電子標簽的封裝形式較多,不受標準形狀和尺寸的限制,而且其構(gòu)成也是千差萬別,甚至需要根據(jù)各種不同要求進行特殊的設計。目前已得到應用的Transponder的尺寸從￠6mm到76×45mm,小的甚至使用微米級芯片制成、包括天線在內(nèi)也只有0.4×0.4mm的大小;存儲容量從64-200bit的只讀ID號的小容量型到可存儲數(shù)萬比特數(shù)據(jù)的大容量型(例如EEPROM32Kbit);封裝材質(zhì)從不干膠到開模具注塑成型的塑料。對于電子標簽的各種封裝形式,其材質(zhì)、構(gòu)成等各不相同。

(1)卡片類(PVC、紙、其他)

層壓式,有熔壓和封壓兩種。熔壓是由中心層的INLAY片材和上下兩片PVC材加溫加壓制作而成。PVC材料與INLAY熔合后經(jīng)沖切成ISO7816所規(guī)定的尺寸大小。當芯片采用Transponder時芯片凸起在天線平面之上(天線厚0.01～0.03mm),可以采用另一種層壓方式,即封壓。此時,基材通常為PET或紙,芯片厚度通常為0.20～0.38mm,制卡封裝時僅將PVC在天線周邊封合,不是熔合,芯片部位不受擠壓,可以避免出現(xiàn)芯片被壓碎。膠合式,采用紙或其他材料通過冷膠的方式使Transponder上下材料膠合成一體,再模切成各種尺寸的卡片。

(2)標簽類

粘貼式,成品可制成為人工或貼標機揭取的卷標形式,是應用中最多的主流產(chǎn)品,即商標背面附著電子標簽,直接貼在被標識物上。如航空用行李標簽,托盤用標簽等。吊牌式,對應于服裝、物品采用吊牌類產(chǎn)品,特點是尺寸緊湊,可以回收。

(3)異形類

金屬表面設置型,大多數(shù)電子標簽不同程度地會受到金屬的影響而不能正常工作。這類標簽經(jīng)過特殊處理,可以設置在金屬上并可以讀寫。用于壓力容器、鍋爐、消防器材等各類金屬件的表面。

腕帶型,可以一次性(如醫(yī)用)或重復使用(如游樂場)。

動、植物使用型,封裝形式可以是注射式玻璃管、懸掛式耳標、套扣式腳環(huán)等。電子標簽技術(shù)以其突破性的技術(shù)特點和廣泛的適用性,越來越多的得到了市場的認可。隨著芯片制造工藝、封裝工藝的進一步改善,以及封裝設備和材料的日趨成熟,電子標簽必將更加適合我們的需求。同時也留給我們一系列新的課題,有待我們?nèi)ジ倪M和完善。