RFID干貨專欄｜27 標(biāo)簽封裝技術(shù)

RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補這方面的空缺，甘泉老師花費數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(yīng)用進行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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4.5標(biāo)簽封裝技術(shù)

標(biāo)簽的封裝技術(shù)同樣是標(biāo)簽技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，本節(jié)將針對標(biāo)簽的封裝技術(shù)進行講解，包括紙質(zhì)標(biāo)簽的封裝技術(shù)、特種標(biāo)簽的封裝技術(shù)和流水封裝（FSA）技術(shù)。希望通過學(xué)習(xí)這些封裝技術(shù)，讓讀者更加了解超高頻RFID 標(biāo)簽的更多知識以激發(fā)創(chuàng)新。

4.5.1普通材質(zhì)標(biāo)簽的封裝技術(shù)

關(guān)于普通材質(zhì)標(biāo)簽的封裝技術(shù)，分為兩大步驟：一次封裝和二次封裝。一次封裝又稱倒封裝（Flip-Chip）技術(shù)，是把標(biāo)簽芯片和標(biāo)簽天線連接在一起成為干Inlay的技術(shù)，也叫標(biāo)簽綁定；二次封裝又稱復(fù)合技術(shù)，是把Inlay變成成品標(biāo)簽的技術(shù)，最簡單的復(fù)合操作就是把干Inlay轉(zhuǎn)化為濕Inlay的過程。

倒封裝技術(shù)一直是超高頻RFID標(biāo)簽的主流封裝技術(shù)，超過95%的標(biāo)簽都是通過倒封裝制作而成的。如圖4-75所示，倒封裝設(shè)備主要的組成模塊包括點膠模塊、翻裝貼片模塊、熱壓固化模塊、檢測模塊和基板輸送模塊，每一部分的功能和特點如下：

圖4-75倒封裝設(shè)備模塊示意圖

點膠模塊：如圖4-76所示的步驟1，在機器視覺引導(dǎo)下，點膠頭移動至天線焊盤處，并通過點膠控制器的作用，點上適量的膠水。膠水為異向?qū)щ娔z（ACP），該膠水既作為芯片與天線的導(dǎo)電材料又實現(xiàn)芯片與基材的機械固定。

翻裝貼片模塊：如圖4-76所示的步驟2，從wafer盤上取下單個芯片并翻轉(zhuǎn)180°后精確放置到天線焊盤上點有膠水的位置；具體工作步驟：翻轉(zhuǎn)頭從XY精密平臺上的wafer晶圓中拾取芯片，然后將芯片翻轉(zhuǎn)180°；貼裝頭吸嘴從翻轉(zhuǎn)頭吸嘴上完成芯片轉(zhuǎn)接；最后在視覺引導(dǎo)下，貼裝頭將芯片放置到基板的指定焊盤位置；從而實現(xiàn)了芯片的轉(zhuǎn)移和貼裝任務(wù)。

熱壓固化模塊：如圖4-76所示的步驟3，熱壓模塊的主要功能是在點膠、貼裝完成后，通過對芯片施加一定的溫度和壓力，使膠水固化，將芯片與基板可靠互連形成帶有完整功能的Inlay。熱壓模塊要求對熱壓頭的溫度和壓力進行精確控制，使芯片所受的溫度和壓力均勻。

檢測模塊：用于檢測封裝好的標(biāo)簽的好壞，并對不能導(dǎo)通的壞標(biāo)簽打上標(biāo)記；通過更換讀寫器模塊來檢測高頻和超高頻Inlay。

基板輸送模塊：基板輸送模塊的主要功能是把成卷的RFID天線基板從料卷中平穩(wěn)地展開，穩(wěn)定準(zhǔn)確地輸送到其它工作模塊，并使基板張力保持恒定，最后把加工好的Inlay邊沿整齊的收卷。

圖4-76倒封裝工藝中芯片與天線連接的過程圖

倒封裝核心的步驟是熱壓固化過程，如圖4-77所示，熱壓的過程是用一定的壓力F（不同的芯片不同，以不壓壞芯片但可以激活異向?qū)щ娔z為準(zhǔn)），用200℃的熱壓頭壓芯片，并保持3到4秒時間使異向?qū)щ娔z固化，這是工藝的關(guān)鍵。由于芯片為裸片比較脆弱，所以在熱壓頭與芯片之間加入了緩沖耐200℃的薄膜隔離紙，一方面防止標(biāo)簽芯片破裂，另外一方面防止導(dǎo)電膠與熱壓頭碰到，起到隔粘作用。

圖4-77倒封裝設(shè)備熱壓固化圖

只是看功能，可能會覺得倒封裝設(shè)備和復(fù)合設(shè)備不復(fù)雜，其實這些設(shè)備的價格動輒上百萬美金。為什么這些設(shè)備那么貴呢？電子標(biāo)簽的生產(chǎn)要求速度非?？?，一般要求倒封裝設(shè)備一小時完成幾千個甚至上萬個標(biāo)簽的封裝，而標(biāo)簽芯片尺寸很小，需要高精度且快速穩(wěn)定的機械運動。對于機械設(shè)備的要求非常高，導(dǎo)致價格昂貴。

現(xiàn)階段全球主流的倒封裝生產(chǎn)線供應(yīng)商為德國紐豹（Muehlbauer），其全球占有率最高的設(shè)備叫TAL-15000，又名寬幅Inlay倒裝貼片生產(chǎn)線，如圖4-78所示，顧名思義就是一小時能加工15000個干Inlay。

圖4-78紐豹倒封裝設(shè)備TAL-15000

這個TAL-15000寬幅載帶系統(tǒng)包括一個模塊化的平臺，包含的進程有：天線載帶處理，噴膠，翻轉(zhuǎn)芯片貼合，最終固化、測試和標(biāo)記，以及分切成單行天線（可選）。其具有獨立的芯片貼合和最終固化模組的柔性系統(tǒng)，全程100%視覺控制保證最高良品率。并且具有最新噴膠技術(shù)，產(chǎn)生最少膠水消耗（倒封裝過程中，成本消耗最大的是膠水），處理從0.3mm×0.3mm到3.0mm×3.0mm范圍內(nèi)的所有芯片類型，其封裝年產(chǎn)量高達(dá)8千萬顆。一般評估TAL-15000的產(chǎn)能按照月500萬個，年6000萬個計算。TAL-15000能夠處理的芯片最小尺寸為0.3mm×0.3mm，限制了標(biāo)簽芯片設(shè)計的最小尺寸，如4.3.6節(jié)中標(biāo)簽芯片發(fā)展路線所描述，芯片的尺寸無法不斷減小，因為會帶來封裝的難度大幅上升。

隨著中國自動化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也有不少國產(chǎn)倒封裝設(shè)備問世，其中一些也投入量產(chǎn)。雖然國產(chǎn)倒封裝設(shè)備在生產(chǎn)速度和良率上與紐豹的設(shè)備有差距，但其憑借價格優(yōu)惠和良好的本地服務(wù)逐步增加市場份額占比。

復(fù)合設(shè)備的市場情況與倒封裝不同，不是一家獨大，因為復(fù)合技術(shù)已經(jīng)是很古老的傳統(tǒng)技術(shù)。現(xiàn)在全球主流的復(fù)合設(shè)備有三家，分別是必諾（Bielomatik）、妙莎（Melzer）和紐豹（Muehlbauer），他們?nèi)腋饔袃?yōu)劣。一般復(fù)合機與倒封裝機的配比是1:3。

4.5.2 特種材質(zhì)標(biāo)簽封裝技術(shù)

特種材質(zhì)的超高頻RFID標(biāo)簽封裝技術(shù)常用兩種：貼片技術(shù)（SMT）和綁線技術(shù)（Wire Bonding）。這些封裝技術(shù)主要服務(wù)的對象是特種材質(zhì)標(biāo)簽，如PCB抗金屬標(biāo)簽等。這些封裝技術(shù)對比普通材質(zhì)特種標(biāo)簽封裝技術(shù)穩(wěn)定性高，生產(chǎn)設(shè)備價格便宜，但生產(chǎn)速度慢很多。

標(biāo)簽芯片最常見的形式是Wafer晶圓，其次是封裝片，還有少數(shù)的條帶Strap。其中封裝片的形式有多種，如DFN封裝、SOT封裝、QFN封裝。如圖4-79（a）所示為H3芯片的SOT323封裝照片，圖4-79（b）為封裝片的管腳說明。

（a）封裝照片 （b）管腳示意圖

圖4-79H3芯片SOT323封裝圖

1.貼片技術(shù)（SMT）

這些SOT封裝的芯片并不是像Wafer那樣一盤幾萬顆，它的包裝形式如圖4-80（a）所示的載帶（Tape）的方式包裝，載帶卷成圓盤如圖4-80（b）所示。圖4-80（b）所示的載帶卷軸是SMT設(shè)備所接受的標(biāo)準(zhǔn)包裝，類比于Wafer是紐豹TAL-15000所接受的標(biāo)準(zhǔn)包裝一樣。

（a）封裝載帶圖 （b）封裝載帶卷軸圖

圖4-80SOT323封裝載帶

SMT是表面組裝技術(shù)（表面貼裝技術(shù)，Surface Mount Technology的縮寫），是目前電子組裝行業(yè)里最流行的一種技術(shù)和工藝。一般采用SMT之后，電子產(chǎn)品體積縮小40%～60%，重量減輕60%～80%，且具有可靠性高、抗震能力強、高頻特性好等特點。同時易于實現(xiàn)自動化，提高生產(chǎn)效率，降低成本。

在超高頻RFID應(yīng)用中，最常使用的是電子器件生命周期管理和特種標(biāo)簽?？梢曰仡檲D4-25，只需要在電子產(chǎn)品的主板上合適的位置SMT上電子標(biāo)簽芯片，并在PCB板上設(shè)計天線即可。

2.綁線技術(shù)（WireBonding）

綁線技術(shù)（Wire Bonding）是一種簡單的使用金屬線把芯片凸點和天線連接在一起的技術(shù)。一般情況使用金線綁定，現(xiàn)在由于成本控制，大量抗金屬標(biāo)簽的綁定使用鋁線。如圖4-81所示為Bonding機器對一顆標(biāo)簽芯片Bonding的示意圖。

圖4-81 Bonding Wire示意圖

由于抗金屬標(biāo)簽并非標(biāo)準(zhǔn)尺寸，且固定不方便，很難使用大型快速Bonding機器對PCB抗金屬標(biāo)簽進行批量生產(chǎn)，這樣就導(dǎo)致現(xiàn)階段的超高頻RFID生產(chǎn)中使用的Bonding機器多為半自動設(shè)備，速度慢、良率低，無法向Inlay的生產(chǎn)設(shè)備那樣快速高效地生產(chǎn)。

PCB標(biāo)簽多數(shù)采用Wire Bonding工藝，少數(shù)采用SMT工藝，主要原因是標(biāo)簽芯片的封裝片普及率不高。對比兩個技術(shù)，成本類似，工藝穩(wěn)定性類似，但是SMT一致性和良率高，占用人工少，缺點是尺寸略大。相信將來隨著市場的需求增加，SMT工藝的PCB標(biāo)簽市場占有率會逐漸提升。

4.5.3 流體自組裝技術(shù)FSA

流體自組裝技術(shù)英文全稱Fluidic Self Assembly簡稱FSA，又稱流水封裝。很少人聽過這個技術(shù)，聽過或者了解過這個技術(shù)的人也許會質(zhì)疑筆者為什么會講一個非主流的技術(shù)。這里有兩點理由，一是這個技術(shù)非常具有創(chuàng)新力，也許是下一代封裝技術(shù)的始祖；二是現(xiàn)在市場依然使用的條帶（Strap）最初是由FSA技術(shù)產(chǎn)生的。

FSA技術(shù)通過4個步驟可以生產(chǎn)出Strap，通過5個步驟可以生產(chǎn)出干Inlay，如圖4-82所示其步驟如下：

1. 準(zhǔn)備大量Wafer，這臺FSA設(shè)備一次開機就要吃掉幾百萬顆芯片，如果沒有那么多芯片這個機器根本無法運轉(zhuǎn)。

2. 把整盤Wafer中的芯片切成圖4-82中（b）的特定形狀，這樣的形狀可以在流水封裝中翻轉(zhuǎn)為正方向。

3. 進入流體沖刷過程，最終停留在指定的方格中，由于流體的沖力和可以讓每一個方格被芯片按正方向填充。

4. 正面凸點與導(dǎo)電印刷基板連接，這樣就形成了Strap。

5. 將Strap與天線封裝在一起就形成了干Inlay。

圖4-82FSA生產(chǎn)步驟

那么用Strap制成的Inlay與之前介紹的用倒封裝貼片的Inlay有什么不同呢？如圖4-83所示，由于倒封裝工藝使用的是熱壓異向?qū)щ娔z，其芯片與天線之間的連接接觸面積小，電器連接也很脆弱，再加上導(dǎo)電膠在一些環(huán)境中會不穩(wěn)定（這也是特殊材料標(biāo)簽不適用倒封裝工藝的原因），導(dǎo)致在一些穩(wěn)定性要求高的環(huán)境中會存在風(fēng)險。相比之下，Strap工藝則不同，它把與芯片與天線的連接緊密的銜接在一起，芯片連接Strap，Strap連接到天線上，這樣與天線之間的連接緊密，電性能好，這個標(biāo)簽可以應(yīng)對更復(fù)雜的環(huán)境。這也是為什么Strap工藝一直到現(xiàn)在還在使用的原因，不過現(xiàn)在的Strap制成已經(jīng)不再使用FSA生產(chǎn)了。

圖4-83 Strap工藝與倒封裝工藝對比

從運營管理的角度看，使用Strap可以制成任何一種天線的Inlay，而采用倒封裝技術(shù)必須根據(jù)需要生產(chǎn)指定的一款I(lǐng)nlay。如果在不確定后續(xù)客戶需求是哪種Inlay的前提下，可以先生產(chǎn)為Strap，當(dāng)有需求時，再通過Strap生產(chǎn)為Inlay。

FSA生產(chǎn)線是美國意聯(lián)科技公司發(fā)明的，大概2008年開始運轉(zhuǎn)，據(jù)說花了1.5億美元的研發(fā)費用。一條生產(chǎn)線的年產(chǎn)能達(dá)2億顆，相當(dāng)于30臺紐豹TAL-1500的產(chǎn)能。當(dāng)年全球沒有成熟的超高頻RFID倒封裝設(shè)備，這樣一臺龐然大物真的是巨獸一般的存在。但是2008年的時候全球超高頻RFID標(biāo)簽需求量還不到2億顆，市場還沒有等來，卻等來了金融危機，從此這臺機器就放在了意聯(lián)公司位于俄亥俄州Dayton的實訓(xùn)基地倉庫里，至今一直寂寞的等在那里。如果今后物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展像計算機一樣風(fēng)靡，相信這臺大家伙一定能進入物聯(lián)網(wǎng)博物館。最后讓大家在觀摩一下先驅(qū)的“遺照”吧，如圖4-84。

圖4-84FSA 流水線照片