絲網印刷:印製RFID天線的最佳選擇

2020-11-22 RFID世界網

  隨著RFID(Radio Frequency Identification)技術的日趨成熟以及RFID標籤價格的逐漸降低,RFID標籤很有可能替代傳統的一維條形碼和二維碼。如果說,二維碼是一維碼標籤的延伸,那麼RFID的誕生或者可以稱為標籤行業的一場革命。

  絲網印刷正中RFID天線需求

  RFID是一種非接觸式的自動識別技術,通過射頻信號自動識別目標對象並獲取相關數據。其可在各種惡劣的環境中工作,且無需人工幹預。RFID標籤的系統主要由三部分組成,即標籤、閱讀器和天線。其中天線的製造與印刷有著越發「親近」的關係——由於傳統製造技術銅導線繞制工藝的成本較高、速度慢,而金屬箔蝕刻工藝存在精度低、汙染環境、防水耐折性差的弊病,故採用印刷的方式直接印製RFID標籤天線是近年來行業內普遍使用的一種方式。

  實則,柔版印刷、凹版印刷、噴墨印刷以及絲網印刷都可以完成對RFID標籤天線的印製工作,但從諸多方面考慮,似乎絲網印刷要優於其他幾種印刷工藝,尤其墨層厚度這一因素,讓絲網印刷佔據了絕對的優勢。在實際印製過程中,一般要求墨層厚度要達到20μm以上,這對於墨層厚度可以達到300μm的絲網印刷而言自然沒有太大困難,但對於其他印刷方式,則需要依靠多次反覆印刷以達到期望厚度,這必然會對印刷精度又提出更高的要求。所以,筆者認為絲網印刷是最適合印製RFID標籤天線的印刷工藝。

  非傳統絲印的非傳統法則

  雖然絲網印刷是最適於印製RFID標籤天線的印刷工藝,但由於RFID標籤天線印製過程中採用的是導電油墨,所以在某些方面還有別於傳統的絲網印刷,在印刷過程中需要對以下問題特別注意。

  1. 天線結構的確定

  天線在RFID標籤的整個工作過程中主要起到接收及發送信號的作用,包括低頻、高頻、超高頻和微波4個工作頻段。根據頻段的不同,RFID標籤的天線可以分為線圈型、微帶貼片型和偶極子型3種基本形式。

  小於1米的近距離應用系統的RFID標籤天線一般採用工藝簡單、成本較低的線圈型的天線結構,其工作頻段主要位於低頻和高頻。線圈型天線可以採用不同的構成方式——既可以是圓形環,也可以是矩形環;基板可以採用不同的材料——既可以是柔性基材,也可以是硬質基材。

  1米以上的遠距離應用系統的RFID標籤天線需要採用的是微帶貼片或偶極子型的天線結構,其主要工作於超高頻以及微波頻段,典型的工作距離為1~10米。

  2. 印刷方式的確定

  絲網印刷方式一般分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式印刷過程中,基板與絲網直接接觸,刮板在絲網上移動進行印刷,其優點在於不會使絲網傾斜和變形。非接觸式印刷過程中,絲網與基板之間有一固定的距離,刮板推動漿料流經絲網時,使絲網傾斜,並與基板接觸印出圖形。由於印刷後絲網可即刻反彈,故不會將印刷圖案蹭模糊。在採用接觸式印製RFID標籤天線時,由於導電油墨的性能所致,極容易發生蹭髒現象,對精細印刷產生不良影響。所以為了得到良好的印刷質量,在實際操作中,多採用非接觸式印刷作為RFID標籤天線的印刷方式。

  3. 導電油墨的選擇

  導電油墨的導電性能會被導電材料種類、粒子大小、形狀、填充量、分散狀態、黏合劑種類以及固化時間等諸多因素影響。不同變量之間的搭配亦會對導電性能產生不同的影響。鑑於RFID標籤天線對導電性要求極高,故首選即為銀系導電油墨。油墨用銀粉主要分微米級和納米級2類,而常用的微米級銀粉包括片狀和球形2種。為了使銀粉在連接料之間有較好的接觸,一般選用片狀銀粉做主要填料,納米銀粉輔助。

  在印刷過程中,可能會遇到由於烘乾不完全、印刷厚度薄而引起的油墨電阻增大現象。此外,倘若印前油墨攪拌不夠徹底,由於銀的比重大,容易沉積到底部,故而會導致油墨上層銀含量低,增大電阻,下層銀含量高,附著力降低等問題。這些都應該引起足夠的重視。

  需要特別注意的問題

  在確定了印刷方式、天線結構等基本因素後,印刷的過程也並非是一帆風順的。採用絲網印刷印製RFID標籤天線的過程中,會出現些許難以避免的問題,特舉例提示,以供讀者借鑑。

  1. 漏墨不勻

  在用絲網印刷方式印製RFID標籤天線的過程中,經常會遇見這種情況:局部導電性良好,整體導電性差或者無明顯導電性,用放大鏡觀察時會發現有斷斷續續的線路,即承印物表面局部沒有油墨,也就是我們常說的漏墨不勻。造成這種現象的原因有很多,諸如絲網目數選擇得過高,就會導致油墨通透性差,目數過低則會導致線條精度下降,影響精細印刷品的質量,所以一般選擇絲網目數在200~300目;刮板壓印力不夠或者受力不均勻也會導致漏墨不勻,應調整絲印刮板力度;油墨黏度問題也是導致漏墨不勻的原因之一,黏度過高,油墨滲透力低,不能均勻地轉移到承印物上,過低則會導致糊版。

  2. 靜電放電

  靜電放電簡稱ESD(Electro Static Discharge),是電子製造業的巨大隱患,嚴重影響產業的發展。固體、液體和氣體中的任意兩種相摩擦都會產生靜電。在印刷時,刮墨刀的速度、壓力、油墨量、網距、基材的剝離速度都會產生靜電,機器本身的運作也會產生靜電。靜電產生後會吸附灰塵,使材料表面蹭髒或網版堵網,造成印刷缺陷;靜電也會引起拉絲或飛毛現象,對精細薄膜線路產生較大的影響;過高的靜電電壓則有可能擊穿空氣,進而產生火花,引起火災。

  靜電危害如此之大,鑑於其不可見性、隨機性、潛在性和複雜性等特點,對ESD現象要以預防為主,可以通過以下兩種措施進行防護。

  ①洩放法。通過有效接地,將產生的靜電直接洩放到大地,從而消除靜電。

  ②中和法。通過釋放不同極性的靜電,中和掉標籤基材和機器上的靜電。

  3. 銀粉遷移

  在日常工作中,往往會出現這樣一種現象:產品在出廠檢查時性能良好,各項參數指標完全合格,但用戶在使用一段時間後卻發現某些產品電阻增大,甚至出現短路自通現象。究其原因,就是銀的遷移在作祟。銀遷移問題也是影響銀漿油墨應用範圍擴大的最大一個癥結。當然,目前還不存在完全不發生銀遷移的銀漿,但我們可以通過對銀粉進行適當處理在一定程度上抑制銀的遷移。由於銀粉對漿料的排膠性具有催化劑的作用,所以可以使用粒度為0.1~0.2μm、平均表面積為2m2/g的超細片狀銀粉。採用氣流噴霧法製備的Ag-Pd導電漿料,即使在200℃和潮溼條件下,導電性能也比較穩定,很少出現由於銀遷移造成的短路現象。

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    一直以來,標籤天線的開發基於的是50或者75歐姆輸入阻抗,而在RFID應用中,晶片的輸入阻抗可能是任意值,並且很難在工作狀態下準確測試,缺少準確的參數,天線的設計難以達到最佳。 RFID天線的製作方式 目前RFID天線的製作方式有金屬繞線 (一般適用於高頻)、銅箔或鋁箔蝕刻、電鍍或化學鍍(德國BASF通過使用活潑金屬作為催化劑來電鍍銅)、印刷等。 蝕刻法 蝕刻天線常用銅天線和鋁天線,其生產工藝與撓性印製電路板的蝕刻工藝接近。
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