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RFID标签如何低成本制造

RFID标签如何低成本制造

发布日期:2020-02-12 17:14:42 作者:Ling 点击:2002


      在传统电路标签批量生产的今天, 本节将从传统IC标签成本中的大量装配和 辅助设备成本作为切入点进行介绍。例如, IC 芯片元件的成本微乎其微, 但芯片附件和天线制造成本仍会使整个标签成本居高不下。另外, 标签基层材料成本也是标签成本的重要组成部分, 尤其是大尺寸标签。在商业化电路生产成本显著降低之前, 未来低成本制造技术和工艺需要解决这些限制因素。
     目前, RFID标签天线的制造使用印刷导电型油墨以及电镀金属材料等以节省添加剂, 这种标签天线约占有不足20%的市场。银油墨的价格昂贵, 新研制的纳米粒子油墨也许能使成本更低。印刷标签的天线和经过电镀处理的镀层导体可通过削减铜或铝的镀层薄片的用量来降低成本, 这种方法是目前较为常见的 RFID 天线制造方法, 因此, 此类天线的市场份额预计将会增长。随着材料科学和纳米粒子技术的进步, 油墨设计和印刷工艺、功能电路和天线都可利用传导性半导体聚合油墨印在传统电路标签批量生产的今天, 本节将从传统IC标签成本中的大量装配和辅助设备成本作为切入点进行介绍。例如, IC 芯片元件的成本微乎其微, 但芯片附件和天线制造成本仍会使整个标签成本居高不下。另外, 标签基层材料成本也是标签成本的重要组成部分, 尤其是大尺寸标签。在商业化电路生产成本显著降低之
前, 未来低成本制造技术和工艺需要解决这些限制因素。
    目前, 标签天线的制造使用印刷导电型油墨以及电镀金属材料等以节省添加剂, 这种标签天线约占有不足20%的市场。银油墨的价格昂贵, 新研制的纳米粒子油墨也许能使成本更低。印刷标签的天线和经过电镀处理的镀层导体可通过削减 铜或铝的镀层薄片的用量来降低成本, 这种方法是目前较为常见的 RFID 天线制造方法, 因此, 此类天线的市场份额预计将会增长。随着材料科学和纳米粒子技术的进步, 油墨设计和印刷工艺、功能电路和天线都可利用传导性半导体聚合油墨印刷, 这意味着目前整个RFID标签均可被印刷。

    与印刷电子RFID 电路不同, 基于传统 CMOS IC 标签供应商提供特征完整的EPCglobal UHF I 类第2代类型的标签(在数据安全和高性能防冲突协议等关键领域)。该标签通过一个小的硅片接近对倒装芯片印模、带状或插入式电路附件的高速机械处理的限制。然而, 人们认可并接受对于传统非印刷 RFID 标签的系统制造成本的限度。目前多数主流标签制造都是在接近成本限度条件下运营的; 同时, 在具有规模化容量增加方面有实践策略的大型制造商也响应市场需求。但不幸的是, 成本并没有随着生产规模的扩大而下降, 这是印刷电子产品的独特特性。

     忽略标签电子电路部分的实现方式, 制造商迄今未能找到适当的方法解决全部或系统标签制造成本问题。因此, 只是把注意力集中在标签经济效益方面而排斥其他因素的方式是错误的。
     在每个末端的电气接口垫上都设计了一个细长的设备, 该设备被认为是高频天线线圈的交叉桥梁。这种配置避免了额外的处理步骤, 节省了线圈匝绝缘层的印刷
成本, 通过电路垫实现传导银浆导体与天线的连接。
    未来 RFID天线制造业可能会大规模采用宽带连续卷轴式的自适应处理方式, 该方式基于闪存的高速电镀沉积技术, 将铜电镀到聚合塑料或将基底材料涂盖于一个直接的数字图案的种子层的顶部。这种低成本的天线实现技术已沿用多年, 但是由于迄今 RFID标签的全球需求受到制约, 制造量还没有达到能使该工艺获得较大经济效以及为行业提供可信服投资回报所需的量值, 所以该技术还没有得到广泛的应用。
     近期开发的另一项非常有前景的天线批量生产技术是基于宽带卷轴式高速激光消融技术, 利用低成本的铝箔制造高频和特高频天线模型。虽然下一代RFID技术不是一种添加处理技术, 但这种金属复合箔在消费品包装工业中得到了广泛的使用, 同时, 它还是制造天线的廉价材料。
   热固定性环氧倒装芯片IC 凸起垫或带状连接的各向异性导电胶膜(ACF)。这种连接方式对降低当今主流标签制造业生产成本起到了重要作用。未来的低成本电路连接技术可能实现将天线金属直接电镀到IC或者PIC 垫上。通过使用基片压花和芯片安装机器学技术, ACF 技术已被证实是商业可行的。随着未来对大批量低成本标签的需求, 这种新方法将可能带来较好的商业效益。

     综上所述, 制造商对使用各种印刷工艺生产电子设备已产生浓厚兴趣。大规模生产的电子系统相比传统的基于单晶集成电路技术, 本质上实现了较低的制造成
本。该印刷技术有望实现使用灵活性高的低成本基底材料(如纸张、塑料、金属箔等)来生产逻辑和模拟电路元件。相对于现代 CMOS 半导体制造技术, 半导体电路印刷技术具有工艺程序精简、原料成本低、资本投入少等优势, 因此它更具备降低制造成本的潜力。表1-1所示为传统电子技术与印刷电子技术在制造过程和成本方面的比较。
      印刷电子被认为是一种解决 RFID行业标签成本过高问题的可行方式, 它可将每个标签成本降低到1美分。但是, 无论是从当前还是从长远来看, 印刷电子技术的性
能(工作频率)和集成度(可集成的晶体管数量)都不如传统电子技术。因此, 只有达到了可接受的性能和紧密性, 才能实现印刷型电子产品的低成本优势。技术性能和集成度这两个特征与印刷技术和电子技术应用的结合程度也是紧密相关的。

     电子电路的每个晶体管的性能, 以及电子电路的复杂度(晶体管的数目)决定了该电子电路的功能和性能。为了提高每个晶体管的性能, 应最大限度地提高晶体管中载流子迁移率, 缩短晶体管漏极和源极之间的通道长度。对有机印刷电子而言, 其迁移率与印刷油墨的黏性无关, 印刷电子可达到的通道长度是由采用的印刷技术分辨率定义的。
     此外, 印刷电子的分辨率和最小特征尺寸也决定了电路的复杂性。为了增加电 路功能的复杂性, 我们可以尽可能多地将印刷晶体管集成在电路中, 但是如果分辨率太低, 那么每个晶体管和复杂印刷电路的尺寸都将因过大而在许多应用中无法实现。因此, 这是一个应用问题。
     此外, Subramanian认为当前的有机印刷电子的生产能力较低, 从而导致了较高的印刷晶体管成本。由于目前印刷晶体管仍然存在大尺寸、高成本问题, 印刷技
术仍然是制造功能完善、尺寸合理、成本低廉的 RFID 标签的关键问题之一。因此, 如何将印刷技术进一步用于印刷电子系统制造值得深入研究。
目前用于电子制造的印刷技术主要有3种, 即①丝网印刷、②喷墨印刷、③凹版印刷。
     在如今的丝网印刷技术中, 可达的最好分辨率低于10um。因此, 高速丝网印刷技术实现了约10um的最小通道长度, 与基于光影蚀刻的单晶电子技术相比, 要低其几个数量级。但是, 低分辨率的印刷电子将导致性能(迁移率和电流容量)和集成度的降低。此外, 在材料流变能力和黏度方面, 由于丝网印刷技术, 使用了基片的网版模型对油墨进行加压, 因此要求油墨具有较高的黏度以防止过度扩散和渗透。通过在油墨中混合聚合物黏结剂可以提高油墨黏性, 却降低了印刷晶体管的迁移率和导体的导电性。 生产能力是丝网印刷制造技术的优势。相反, 生产能力较低的
    喷墨印刷技术则满足油墨黏度较低的要求。也正是因为油墨黏度较低, 喷墨印刷技木也存在着干燥现象、表层变形和线性形态变化等问题。这些因素都会影响薄膜积质量, 如果严格控制这些因素又会降低高产量的TFT设备的生产能力。然而,墨印刷技术仍被广泛应用于有机印刷电子和硅油墨印刷电子。硅油墨半导体开发商们正将高性能的自定义喷墨印刷头分配系统应用于纳米粒子规划和基于溶剂的油墨技术中。

    基于喷墨头技术的 MEMS正致力于合作研究和联合产品开发工作, 以解决新兴印刷半导体产业存在的分辨率和生产量需求的问题。诸如Kovio公司(硅油墨开发商)使用高分辨率的喷墨印刷的纳米晶体组合物以形成TFT半导体通道, 源漏极和栅极, 导体或者氧化物电解质的特性, 从而制造出10um 规格的高载流子迁移率的 CMOS 印刷集成电路(PIC)。其中纳米晶体组合物含有前驱体硅, 或者锗、金属和/或电介质。
     每块芯片上都集成了数千个TFT晶体管, 为了追求这些晶体管的廉价印刷成本, 要求具备快速存放高性能硅油墨的能力。印刷电子将“每秒在单个印刷点上能够放置材料的多少”作为度量指标参数, 而不是每平方厘米面积上集成的晶体管的数量。一旦实现硅油墨印刷技术的基本性能, 接下来就要提高印刷速度。未来研究的目标和传统单晶体产业发展的主要动力是廉价存放更多的材料, 而不是得到多么小的硅片。
     凹版印刷可以简单地在两滚轴之间进行。一种是在被雕刻图案的模板上注入油墨, 另一种是在平滑的模板上进行印刷。当基片通过两滚轴时, 图案便印刷在了基
片上。这种印刷技术具有较强的生产能力, 且对油墨的黏度要求较低, 因此引起了人们的广泛关注。但是该技术的印刷缺损率较高, 直接影响了电子电路产量。据
悉, 这种印刷技术至今还未在电子制造中使用。 
如上分析, 得出以下两点结论:
1)印刷电子的分辨率比传统电子低几个数量级。这个差距使得印刷电路不可能在短期内使印刷电子在一个很微小的区域内具备复杂的功能。印刷 RFID 标签的
 低功能复杂性对1. 4节中讨论的现有标准和协议具有重要的影响。
2)众多研究人员致力于印刷电子技术的研究, 尤其是印刷RFID标签技术。其原因在于该技术满足功能复杂度, 又能够降低标签成本。然而, 后续研究和印刷
技术也制约着上述能力的实现。除了印刷技术, 印刷电子中使用的半导体材料技术(有机印刷电子和硅油墨印刷电子)对于实现适当功能复杂性和低成本也起着至关重要的作用。


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关键词: RFIDRFID标签RFID标签如何低成本制造

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