射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)又称电子标签,是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术,它具有条码无法提供的整批读取、可读写大量资料、可编程性等特点,在零售、物流、交通、通信终端、医疗等领域具有广阔应用前景。
基本的RFID系统由RFID标签(Tag)、RFID阅读器(Reader)及应用支撑软件等几部分组成。按照制造流程区分,其价格体系主要由RFID晶片、天线、封装技术、载体、记忆体、电池等决定。因此,除了晶片、天线外,标签封装是3大重要成本构成之一。
1、封装方法
印刷天线与芯片的互连上,因RFID标签的工作频率高、芯片微小超薄,最适宜的方法是倒装芯片(Flip Chip)技术,它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特点,为适应柔性基板材料,倒装的键合材料要以导电胶来实现芯片与天线焊盘的互连。
柔性基板要实现大批量低成本的生产,以及为了更有效地降低生产成本,采用新的方法进行天线与芯片的互连是目前国际国内研究的热点问题。
为了适应更小尺寸的RFID芯片,有效地降低生产成本,采用芯片与天线基板的键合封装分为两个模块分别完成是目前发展的趋势。其中一个具体作法(中国专利)是:大尺寸的天线基板和连接芯片的小块基板分别制造,在小块基板上完成芯片贴装和互连后,再与大尺寸天线基板通过大焊盘的粘连完成电路导通。
与上述将封装过程分两个模块类似的方法是将芯片先转移至可等间距承载芯片的载带上,再将载带上的芯片倒装贴在天线基板。该方法中,芯片的倒装是靠载带翻卷的方式来实现的,简化了芯片的拾取操作,因而可实现更高的生产效率。特别是目前正在研究发展中的流体自装配(FSA)、振动装配(Vibratory assembly)等技术,理论上可以实现微小芯片至载带的批量转移,极大地提高芯片与天线的封装效率。
2、封装关键工艺
RFID标签因不同的用途呈现多种封装形式,因而在天线制造、凸点形成、芯片键合互连等封装过程工艺也呈多样性。
(1)凸点的形成
目前RFID标签产品的特点是品种繁多,但并非每个品种的数量能形成规模。因此,采用柔性化制作凸点技术具有成本低廉,封装效率高,使用方便,灵活,工艺控制简单,自动化程度高等特点。不仅可解决微电子工业中可变加工批量、高密度、低成本封装急需的难题,还为目前正蓬勃兴起的RFID标签的柔性化生产提供条件。
(2)RFID芯片互连方法
RFID标签制造的主要目标之一是降低成本。为此,应尽可能减少工序,选择低成本材料,减少工艺时间。从材料成本角度,应优先考虑NCA互连,且可以同点胶凸点相配合实现低成本制造。采取ACA互连在技术上是成熟的,但其缺点在于目前市场上的ACA材料价格仍然较为昂贵,而且都是针对细间距、高密度、高I/O数互连而研制的。如果能够自制出成本低廉的满足RFID互连的导电胶,ACA互连也能够成为低成本的选择。ICA互连的缺点在于工艺步骤相对较多,固化时间相对较长。
3、RFID标签关键封装设备
RFID封装设备由一系列工艺装备组成的自动化生产线,各工艺环节相对独立,同时又相互制约,要实现高效率的生产,必须综合考虑各个工艺环节的要求;从技术的角度,它是集光、机、电、气、液于一体的高精技术装备,涉及时间、压力、温度等多物理场的各种物理现象,需要解决速度、精度、效率、质量、可靠性、成本等多方面的因素的影响。开发高性能低成本的RFID制造装备一直是业界关注的焦点问题。
目前RFID产品的封装设备只有国外一些厂商提供,柔性基板的标签均选用从卷到卷的生产方式,该生产线包括基板进料、上胶、芯片翻转贴装(倒装)、热压固化、测试、基板收料等工艺流程。另一种生产方式为先制造RFID模块,然后将其与天线基板进行键合组装。该方法由独立的可精密定位的芯片转移设备将芯片置于载带构成芯片模块,再由芯片模块将芯片转移至天线基板,其优点是两次转移可独立并行执行,芯片翻转通过载带的盘卷方式实现,因而生产效率得以提高。
RFID封装设备的核心内容是如何在多物理因素作用下,使键合机及相关工艺受控完成高质量的接合界面。通常涉及几方面的关键技术:多自由度柔性、灵活的执行机构,基于视觉信息引导的识别与定位,胶固化及滴胶过程的时间、温度和压力控制,不同工艺单元技术的集成。
4、最终产品试验
采用印刷天线技术制作的RFID标签,在产品试验是经过多次包括冲击、腐蚀、振动、温度变化、紫外线、电磁场和扭曲等试验内容的破坏性试验。而RFID标签被破坏的主要原因是卡体破裂造成。
在此值得一提的是RFID标签使用性能的测试方法。人们常常要求RFID标签的读写距离大于10cm或5cm。这种要求是不精确的,读写距离除与卡片有关,更多的与读卡机有关。读卡机的工作频率偏差、输出功率的大小,都会影响读写距离。判别一种RFID标签的使用性能的科学方法是遵循ISO14443标准。在读卡机工作频率准确调整为13.56MHz时,卡片分别在最大场强7.5A/m或最低场强1.5A/m情况下,都能正常读写,即为合格产品。数量越多的产品,适用的范围越大。用此种标准可能会减少一些合同纠纷。RFID标签制造业界也可运用ISO/EPC等标准来优化自己的产品设计。