用納米銅油墨印刷RFID標(biāo)簽天線

在電子行業(yè)中 ，制造導(dǎo)電線路是必需的 ，也是至關(guān)重要的。印刷線路板 (PCB)和柔性電路板 (FPCB)、電子標(biāo)簽 (RFID)采用刻蝕技術(shù)制作電路圖案 ，這是目前的主流技術(shù) ,但存在工藝流程長(zhǎng)、廢料廢水多和不環(huán)保的缺點(diǎn)，業(yè)界一直在尋找替代的方法。

納米導(dǎo)電油墨

近年來(lái) ，隨著微納材料及微納制造技術(shù)的發(fā)展和成熟，印刷電子產(chǎn)業(yè) ( Printed Electronics)應(yīng)運(yùn)而生 ，它采用高速低廉的印刷方法制造電子部件及線路 ，在平板顯示( Flat Panel Display) 、電磁屏蔽層 ( EMI Shielding )、電子標(biāo)簽( RFID Tag)、有機(jī)發(fā)光二極管( OLED)、印制線路板 (PCB)和觸摸屏 (Touch Screen)、光伏薄膜 (PV Film)等應(yīng)用中顯示出強(qiáng)勁的上升趨勢(shì)” 。納米導(dǎo)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(tǒng)PCB線路制造工藝。

納米導(dǎo)電油墨形成電子線路的原理是 ，通過(guò)油墨載體將納米粒子分散 ，再印刷在基材上形成線路圖案 ，在后續(xù)的燒結(jié)中，由于納米粒子表面活性強(qiáng) ，在低溫下可將納米粒子燒結(jié)成連續(xù)體 ，導(dǎo)電性提高 ，克服了以往導(dǎo)電油墨電阻率高的缺點(diǎn)，成為電子產(chǎn)業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

貴金屬 (如金和銀)納米導(dǎo)電油墨已被廣泛深入研究 ，并已有產(chǎn)品出現(xiàn) ，它們具有高導(dǎo)電性和高的抗氧化性能，但是過(guò)于昂貴 (金：300 元/g～4 00元/g，銀：5元/g-7元/g)，用于替代普通的電子線路顯然不現(xiàn)實(shí)。若采用碳粉、導(dǎo)電聚合物和有機(jī)金屬化合物，其導(dǎo)電性又不夠好。相比之下，銅是一個(gè)極好的候選材料 ，其導(dǎo)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(yīng)用的印刷電子材料之一。

目前HF和UHF電子標(biāo)簽天線的主流制造技術(shù)仍是蝕刻技術(shù)，與PCB制造相似，但是線路更簡(jiǎn)單。因此，本文采用納米銅導(dǎo)電油墨試做了RFID電子標(biāo)簽的天線電路，以方便地評(píng)估其性能和成本。

1 RFID標(biāo)簽制作實(shí)驗(yàn)

1.1 印刷RFID標(biāo)簽天線

本文采用了三種印刷方案在聚酰亞胺(PI)柔性基板上制作天線線路，分別是噴墨打印、絲網(wǎng)印刷和刻蝕法，并專門為每種方法設(shè)計(jì)了黏度不同的納米導(dǎo)電銅油墨配方。

噴墨打印采用富士公司的Dimatix Materials Printer DMP-2800系列噴墨打印機(jī)(如圖1所示)。一般來(lái)說(shuō)，噴墨打印中影響印刷質(zhì)量的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是油墨性能和打印系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。導(dǎo)電油墨的主要性能參數(shù)有黏度、表面張力和分散穩(wěn)定性。打印設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)包括噴射墨滴大小、噴頭移動(dòng)速度、印刷頻率和噴墨溫度等。我們將噴墨打印頭和基材的間距保持在0.5mm，噴墨溫度設(shè)定在30℃。噴墨打印頭如圖1(b)所示。

圖1 DMP-2800噴墨打印機(jī)

絲網(wǎng)印刷和刻蝕法是傳統(tǒng)方法。絲網(wǎng)印刷是通過(guò)刮板擠壓，使油墨通過(guò)柔性絲網(wǎng)上的網(wǎng)孔，轉(zhuǎn)移到承壓物上，如圖2所示。

圖2 手動(dòng)絲印平臺(tái)

刻蝕法是將導(dǎo)電油墨通過(guò)甩膠鋪展到承印物上，固化后形成導(dǎo)電薄膜，再用類似PCB線路刻蝕的方法獲得導(dǎo)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(biāo)簽以及一些測(cè)試粘接力和電阻率的簡(jiǎn)單圖案樣品。

1.2 印刷天線燒結(jié)

納米銅粒子比表面積大，容易發(fā)生氧化，因此印刷好的納米銅油墨天線通常在保護(hù)條件下燒結(jié)，例如在真空爐或氮?dú)浠旌蠚怏w中低溫?zé)Y(jié)，但是這樣時(shí)間太長(zhǎng)，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。本實(shí)驗(yàn)中，油墨設(shè)計(jì)為采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(shù)秒內(nèi)完成固化，形成導(dǎo)電線路。固化好的標(biāo)簽天線如圖4和圖5所示。

圖4 PI基板上掩膜-蝕刻法得到的RFID標(biāo)簽

圖5 PI基板上噴墨印刷得到的RFID標(biāo)簽

1.3 RFID標(biāo)簽封裝

將射頻芯片(本文采用NXP提供的G2XL超高頻芯片)封裝在天線的兩個(gè)端子上，以制作RFID標(biāo)簽，測(cè)試天線性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納米銅油墨印刷天線厚度薄，不奈溫，不具有釬焊性能，故利用各向異性導(dǎo)電膠(ACA)封裝。先在顯微鏡下用點(diǎn)膠工具將ACA膠水點(diǎn)涂在天線端子上，再用抗靜電鑷子輕夾芯片，對(duì)準(zhǔn)倒扣于兩個(gè)端子上，然后150℃下固化膠水，射頻芯片被固定到天線上，其截面示意圖如圖6所示。

圖6 射頻芯片封裝于納米銅天線的截面示意圖

芯片封裝后滴涂黑膠進(jìn)行保護(hù)，防止水汽等外部環(huán)境使標(biāo)簽過(guò)早失效，黑膠滴涂在RFID芯片上將芯片完全覆蓋，將樣品在烘箱中80℃烘烤1h，黑膠固化。封裝好的RFID標(biāo)簽如圖7所示。

圖7 ACA 封裝的超高頻RFID標(biāo)簽

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀和厚度及電阻率

固化的銅膜外觀通過(guò)拍照進(jìn)行對(duì)比。觀察發(fā)現(xiàn)，噴墨打印、絲網(wǎng)印刷和刻蝕法三種方法制造的電子標(biāo)簽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(guò)表面粗糙度儀測(cè)量，粗糙度儀如圖8所示。測(cè)量探針直線劃過(guò)被測(cè)表面，每次測(cè)量必須保證探針劃過(guò)裸露的基材和印刷銅膜區(qū)域，這樣測(cè)量的粗糙度即為銅膜的厚度，測(cè)量原理如圖9所示。

圖片8 表面粗糙度儀

對(duì)一些銅膜厚度1um以下的樣品，用粗糙度儀測(cè)量可能會(huì)引入誤差，此時(shí)可以通過(guò)鑲樣制作剖面結(jié)構(gòu)，通過(guò)金相顯微鏡測(cè)量銅膜厚度，或者通過(guò)SEM照片測(cè)量其厚度，如圖10所示。

圖10 SEM厚度測(cè)量

印刷導(dǎo)電銅膜電阻率用KDY-1型四探針儀測(cè)量，如圖11所示，基本原理是恒流源給探針頭(1和4探針)提供穩(wěn)定的測(cè)量電流I，探針頭(2和3)探針測(cè)取電位差U，電阻率P根據(jù)公式計(jì)算：

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

表1對(duì)三種方法制作的銅膜天線進(jìn)行了厚度和電阻率比較。結(jié)果表明，各種工藝得到的銅膜電阻率都在1O-5Ωcm量級(jí)，比純銅的電阻率(1.75*10-6Ωcm)高一個(gè)數(shù)量級(jí)，與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果相似。此電阻率已能夠滿足一些場(chǎng)合的應(yīng)用，比如電子標(biāo)簽天線。噴墨打印單層銅線的厚度可達(dá)到2um，可以采用多次打印增加膜厚，以降低電阻率。

表1 不同工藝制作的納米銅膜性能比較

2.2 抗剝離性能

附著力對(duì)導(dǎo)電油墨印刷線路和元器件的可靠性影響較大，尤其對(duì)于柔性基板，因?yàn)樾枰?jīng)受頻繁的彎折，附著力差會(huì)使產(chǎn)品過(guò)早失效，通過(guò)10*10橫切膠帶測(cè)試可以評(píng)估印刷油墨的抗剝離性能。

在10*10橫切膠帶測(cè)試中，100%面積的銅膜仍然保留，這說(shuō)明固化后的納米銅導(dǎo)電油墨對(duì)聚酰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(píng)估UHF RFID標(biāo)簽讀寫性能的關(guān)鍵性指標(biāo)。本文選用RRU1861型讀寫器搭建測(cè)量平臺(tái)，如圖13所示。該標(biāo)簽工作頻率902MHz-928MHz，采用ISO18000-6C通信協(xié)議，標(biāo)簽和閱讀器固定在同一高度，貼有標(biāo)簽的支架可以沿水平導(dǎo)軌移動(dòng)。

測(cè)量結(jié)果表明，閱讀距離可達(dá)到3m，這樣的讀寫距離已經(jīng)可以滿足門票、供應(yīng)鏈管理和門禁等方面的應(yīng)用。

2.4 性能提升

在聚酰亞胺基材上成功印刷出納米銅線路是一個(gè)好的開端。成本低廉的納米銅粉制作的導(dǎo)電油墨，為制造廉價(jià)可靠的電子線路提供了一個(gè)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(shù)逐步推向PCB及相關(guān)領(lǐng)域的市場(chǎng)。

我們的研究還表明，控制墨水固化形態(tài)、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(jié)線路的抗氧化性是未來(lái)需要突破的關(guān)鍵。