用納米銅油墨印刷RFID標籤天線

在電子行業中 ，製造導電線路是必需的 ，也是至關重要的。印刷線路板 (PCB)和柔性電路板 (FPCB)、電子標籤 (RFID)採用刻蝕技術製作電路圖案 ，這是目前的主流技術 ,但存在工藝流程長、廢料廢水多和不環保的缺點，業界一直在尋找替代的方法。

納米導電油墨

近年來 ，隨著微納材料及微納製造技術的發展和成熟，印刷電子產業 ( Printed Electronics)應運而生 ，它採用高速低廉的印刷方法製造電子部件及線路 ，在平板顯示( Flat Panel Display) 、電磁屏蔽層 ( EMI Shielding )、電子標籤( RFID Tag)、有機發光二極體( OLED)、印製線路板 (PCB)和觸控螢幕 (Touch Screen)、光伏薄膜 (PV Film)等應用中顯示出強勁的上升趨勢」 。納米導電油墨印刷電子線路是其中的代表之一 ，極具潛力替代傳統PCB線路製造工藝。

納米導電油墨形成電子線路的原理是 ，通過油墨載體將納米粒子分散 ，再印刷在基材上形成線路圖案 ，在後續的燒結中，由於納米粒子表面活性強 ，在低溫下可將納米粒子燒結成連續體 ，導電性提高 ，克服了以往導電油墨電阻率高的缺點，成為電子產業的一個研究熱點。

貴金屬 (如金和銀)納米導電油墨已被廣泛深入研究 ，並已有產品出現 ，它們具有高導電性和高的抗氧化性能，但是過於昂貴 (金：300 元/g～4 00元/g，銀：5元/g-7元/g)，用於替代普通的電子線路顯然不現實。若採用碳粉、導電聚合物和有機金屬化合物，其導電性又不夠好。相比之下，銅是一個極好的候選材料 ，其導電性好，成本低(銅：0.05元/g-0.07元/g)，抗電遷移性能好，是最有潛力普及應用的印刷電子材料之一。

目前HF和UHF電子標籤天線的主流製造技術仍是蝕刻技術，與PCB製造相似，但是線路更簡單。因此，本文採用納米銅導電油墨試做了RFID電子標籤的天線電路，以方便地評估其性能和成本。

1 RFID標籤製作實驗

1.1 印刷RFID標籤天線

本文採用了三種印刷方案在聚醯亞胺(PI)柔性基板上製作天線線路，分別是噴墨列印、絲網印刷和刻蝕法，並專門為每種方法設計了黏度不同的納米導電銅油墨配方。

噴墨列印採用富士公司的Dimatix Materials Printer DMP-2800系列噴墨印表機(如圖1所示)。一般來說，噴墨列印中影響印刷質量的兩個關鍵參數是油墨性能和列印系統參數設置。導電油墨的主要性能參數有黏度、表面張力和分散穩定性。列印設置關鍵參數包括噴射墨滴大小、噴頭移動速度、印刷頻率和噴墨溫度等。我們將噴墨列印頭和基材的間距保持在0.5mm，噴墨溫度設定在30℃。噴墨列印頭如圖1(b)所示。

圖1 DMP-2800噴墨印表機

絲網印刷和刻蝕法是傳統方法。絲網印刷是通過刮板擠壓，使油墨通過柔性絲網上的網孔，轉移到承壓物上，如圖2所示。

圖2 手動絲印平臺

刻蝕法是將導電油墨通過甩膠鋪展到承印物上，固化後形成導電薄膜，再用類似PCB線路刻蝕的方法獲得導電圖案，如圖3所示。

圖3 蝕刻法工藝流程

使用上述三種方法，在PI基板上印刷一批HF和UHF電子標籤以及一些測試粘接力和電阻率的簡單圖案樣品。

1.2 印刷天線燒結

納米銅粒子比表面積大，容易發生氧化，因此印刷好的納米銅油墨天線通常在保護條件下燒結，例如在真空爐或氮氫混合氣體中低溫燒結，但是這樣時間太長，不利於大規模生產。本實驗中，油墨設計為採用紫外光照的方式固化。在紫外光的照射下，納米銅油墨在數秒內完成固化，形成導電線路。固化好的標籤天線如圖4和圖5所示。

圖4 PI基板上掩膜-蝕刻法得到的RFID標籤

圖5 PI基板上噴墨印刷得到的RFID標籤

1.3 RFID標籤封裝

將射頻晶片(本文採用NXP提供的G2XL超高頻晶片)封裝在天線的兩個端子上，以製作RFID標籤，測試天線性能。實驗發現納米銅油墨印刷天線厚度薄，不奈溫，不具有釺焊性能，故利用各向異性導電膠(ACA)封裝。先在顯微鏡下用點膠工具將ACA膠水點塗在天線端子上，再用抗靜電鑷子輕夾晶片，對準倒扣於兩個端子上，然後150℃下固化膠水，射頻晶片被固定到天線上，其截面示意圖如圖6所示。

圖6 射頻晶片封裝於納米銅天線的截面示意圖

晶片封裝後滴塗黑膠進行保護，防止水汽等外部環境使標籤過早失效，黑膠滴塗在RFID晶片上將晶片完全覆蓋，將樣品在烘箱中80℃烘烤1h，黑膠固化。封裝好的RFID標籤如圖7所示。

圖7 ACA 封裝的超高頻RFID標籤

2 結果與討論

2.1 外觀和厚度及電阻率

固化的銅膜外觀通過拍照進行對比。觀察發現，噴墨列印、絲網印刷和刻蝕法三種方法製造的電子標籤天線線路外觀都是一樣的，具有與紫銅一樣的光澤。

印刷薄膜的厚度可以通過表面粗糙度儀測量，粗糙度儀如圖8所示。測量探針直線划過被測表面，每次測量必須保證探針划過裸露的基材和印刷銅膜區域，這樣測量的粗糙度即為銅膜的厚度，測量原理如圖9所示。

圖片8 表面粗糙度儀

對一些銅膜厚度1um以下的樣品，用粗糙度儀測量可能會引入誤差，此時可以通過鑲樣製作剖面結構，通過金相顯微鏡測量銅膜厚度，或者通過SEM照片測量其厚度，如圖10所示。

圖10 SEM厚度測量

印刷導電銅膜電阻率用KDY-1型四探針儀測量，如圖11所示，基本原理是恆流源給探針頭(1和4探針)提供穩定的測量電流I，探針頭(2和3)探針測取電位差U，電阻率P根據公式計算：

式中：U為電壓度數，mV;I為電流讀數，mA;W為薄膜厚度，cm;F(W/S)為厚度修正係數，可查表;F(S/D)為直徑修正係數，可查表;Fsp為探針間距修正係數;Ft為溫度修正係數，可查表。

表1對三種方法製作的銅膜天線進行了厚度和電阻率比較。結果表明，各種工藝得到的銅膜電阻率都在1O-5Ωcm量級，比純銅的電阻率(1.75*10-6Ωcm)高一個數量級，與文獻報導的結果相似。此電阻率已能夠滿足一些場合的應用，比如電子標籤天線。噴墨列印單層銅線的厚度可達到2um，可以採用多次列印增加膜厚，以降低電阻率。

表1 不同工藝製作的納米銅膜性能比較

2.2 抗剝離性能

附著力對導電油墨印刷線路和元器件的可靠性影響較大，尤其對於柔性基板，因為需要經受頻繁的彎折，附著力差會使產品過早失效，通過10*10橫切膠帶測試可以評估印刷油墨的抗剝離性能。

在10*10橫切膠帶測試中，100%面積的銅膜仍然保留，這說明固化後的納米銅導電油墨對聚醯亞胺薄膜具有良好的附著力，如圖12所示。

2.3 閱讀距離

閱讀舉距離是評估UHF RFID標籤讀寫性能的關鍵性指標。本文選用RRU1861型讀寫器搭建測量平臺，如圖13所示。該標籤工作頻率902MHz-928MHz，採用ISO18000-6C通信協議，標籤和閱讀器固定在同一高度，貼有標籤的支架可以沿水平導軌移動。

測量結果表明，閱讀距離可達到3m，這樣的讀寫距離已經可以滿足門票、供應鏈管理和門禁等方面的應用。

2.4 性能提升

在聚醯亞胺基材上成功印刷出納米銅線路是一個好的開端。成本低廉的納米銅粉製作的導電油墨，為製造廉價可靠的電子線路提供了一個極好的選擇。我們期望將這種低成本高效率的印刷電子線路技術逐步推向PCB及相關領域的市場。

我們的研究還表明，控制墨水固化形態、控制基材收縮、提高印刷線路的可靠性和互連工藝以及提高燒結線路的抗氧化性是未來需要突破的關鍵。

1