深入剖析网版印刷与RFID天线制造技术

    经网印或凹印再经蚀刻制成的回路天线，是RFID不可缺少的一部分，所以RFID的发展也在带动着RFID回路天线的发展。笔者最近同国内大部分RFID回路天线制造商接触，发现用φ0.013mm粗的铜导线制造回路天线的时代已经过去了。而用PET或PP作为基材，两面覆铜箔的时代也在去年就消失了（这是因为铜价格涨幅太大，制造商无法承受），而现在最流行的就是以PET或PP为基材在双面黏合0.025～0.076mm铝箔的方法作为基体，然后凹印掩膜图形（天线图形），最后进行蚀刻。2006年4月我在海淀体育馆举办的IC展览会上拿到了清华紫光带有芯片的RFID的天线样品，天线是用银浆网印的，这个样品大概就标志着我们制造RFID天线的方向。最近有不少厂商和准备生产RFID的朋友给我打电话，讨论银浆是否还涨价，铜浆可否代替银浆用于RFID天线的网印。不难看出他们是想用直接网印银浆的方法来完成天线的制造，我认为这是一个很大的飞跃，首先使生产程序大大缩短，加快生产周期，杜绝了环境的污染和给操作者带来的健康危害。

    RFID天线制造历程和现状

    1.导线的捆扎时代

    最早的RFID天线制造大都用0.013～0.025mm的铜导线扎制而成（铜导线有绝缘层），这在大件的物体或机箱中使用是可行的，在小型机箱中使用就受限制了。

    2.网印图形蚀刻法

    为使天线减小体积和用于平面的粘贴，采用在绝缘体（片材）表面覆铜箔。然后用网印抗蚀油墨制成图形，蚀刻后去墨清洗，最后裁割成形。采用此种工艺，虽能满足一定的批量的生产，但成本较高。另外此种天线均为双面，加工起来较复杂，不多久就被下述方法代替。

    3.凹印图形蚀刻法

    ⋯⋯双面覆铝箔→双面凹印抗蚀图形→双面UV固化→双面蚀刻→双面去膜⋯⋯以上整个流程均为轴对轴的生产，有的连成线，有的分段进行。目前国外和国内大都用此种方法制造RFID天线，其突出的优点是速度快、产量高。

    4.用印制导电浆料的方法制造RFID天线

    此方法是用导电浆料代替铝箔或铜箔的导线，

    现有网印和凹印两种方法。

    1）网印导电浆料

    （1）网版的制造：无论用何种方法制造网版，第一要求都是应有最佳的耐印率。第二则是根据RFID天线导电层的厚度来决定网版图形的厚度，在这里要提出的是当印出天线的图形固化后要进行厚度的测量，既要保持厚度的均匀性，又要保持每件的一致性。最后进行方阻值的测试，待方阻值控制在允许的技术范围之内后，确认工艺参数实施于网印。除此之外，如果用间接法制网版，还应考虑到膜片厚度的消耗因素。

    （2）网印：大都采用自动或半自动印刷机，进料和输出料的方式均用轴对轴的方式。在本工序中最主要的是不能停机，因此要在清洁环境中进行生产。为使生产不间断，最好在网版上面安装一套自动上墨系统和双侧归墨板（作用是使油墨每刮印一次，将延出边缘的油墨归入图形中部，待回墨后再次刮印），防止油墨扩延至边缘，致使溶剂挥发改变黏度。安装一套自动上墨系统的目的也是保持油墨黏度始终如一，保持刮印的均匀性和一致性。另外，胶刮的硬度、胶刮的运行速度、网印角度、网距等参数一经确认不可随意改变。

    注意网版起落和进出料速度的匹配，一般情况下进料、网印、出料一个循环大约为7～10s，只有在这个速度下才能完成一定数量。

    用此网印导电浆料的方法虽可完成相当的批量，但只限于单面，一遇到双面生产就较麻烦，原因有对位重合难；收卷松紧无法掌握，出现误差太大。如果是全自动双面网印机（专用自动线）情况就完全不同了，前面手工或半自??司已经引进或正在引进这种自动线）。

    2）凹印导电浆料

    和上述的网印导电浆料的区别只是印刷方式的不同。在网印中，网版的制造对天线图形厚度有一定的影响；而在凹印时，凹印辊图形的深浅也是决定墨层薄厚的一个因素。但是在凹印辊图形的制造中又有激光雕刻和传统制版方法两种，前者能把图形的凹槽加工得较为准确（指凹槽的深浅和线的宽度），在后工序的操作中能提供较为精确的数值，且能很好地控制对油墨的厚度和掌握油墨的流涎。相对而言，凹印导电浆料制造RFID天线是较好的方式，其特点为：图形准确、厚度一致均匀、印出的图形能满足电性能要求。

    3）导电浆料方阻测算及成本

    有不少人认为测量导体的电阻，将三用表的两个极棒接触两端看表盘的读数就可以了，这种方法虽然可行，但是我们所要求的是体积电阻，这和我们所印浆料的厚度、长度、宽度有直接关系，现在国际上执行的标准是方阻值：（Ω/□）即在厚度相同的情况一个正方体任意对边的电阻即为本导体的方阻值。

    最近国外国内有多家推出用于RFID天线的导电银浆，在所有的报导中都说自己的浆料有最小的电阻值、细腻、稳定，但是电阻值有多小呢？到底用于RFID天线的印制后成本如何呢？我们必须做一个深入的研究和测试才有答案：有一个公司举例说他们的银浆在0.4mm宽、1.4m长、5μm厚的情况下电阻值为40Ω，经过测算方阻值只有0.011Ω/口，这表明银浆中银的含量在51%以上，而此种银含量的银浆在国内价格为2000～3000元/kg，那么我们每支天线所用浆料是多少呢？大约为2g左右，每支天线的价格就得几元（这里是指材料费），从上述计算不难看出使用此浆料的成本还是很高的。

    我们在报导中看到的杜邦公司推出的专用浆料，国内推出的浆料，最近韩国新发明的一种印在纸表面的导电油墨来完成天线的制造，曼罗兰开发的直接印刷系统、用于RFID以帮助消费者判断那些易腐烂的食物和产品打开时间的印料⋯⋯在这些鼓舞人心的报导中，谁都没有讲他们的材料和技术用到了何种产品上，哪家公司已经应用于生产，谁都没有去计算成本。

    在当今天的商品经济社会中，商品是由本身的质量和成本组成的，两者缺一不可，而且是相互影响的。比如：海尔空调进入沃尔玛超市，所用的RFID标签能和一瓶洗发水的标签价格相同吗？同样，一件普通的商品能同一列火车的车皮的标签相同吗？世界上的发达国家正在测试5美分的低价标签，用于单件的日用品和食品，显然这个价格在我国是无法接受的。总之，我国的导电银浆价格如果降不下来，或者没有合适的替代品，RFID的标签成本是降不下来的。对于成本，RFID天线制造商必须先熟悉订单的技术要求，这个要求主要来自两个方面：一是组成图形天线的长度、宽度和导线厚度；二是这样长的导线所需和允许的电阻值，通过计算来选择导电浆料的方阻值，方可计算成本。

    现代RFID天线制造的三大要素

    制造RFID天线的三大要素为：网印（凹印）、固化（干燥）、收卷。

    1．网印（凹印），前边已有讲述。

    2．固化（干燥）。

    1）在凹印抗蚀油墨的工序中，有的工厂凹印后既有UV固化又有IR固化，由于所使用的油墨既需要UV固化又要进行IR固化。通过近两年的调查发现这样做是错误的，原因有：（1）浪费了能源；（2）有溶剂挥发污染环境；（3）加工繁琐；（4）给后工序造成麻烦（褪油墨时困难）；（5）废品数量增加。后经过我们的努力，已经在有关厂去掉了IR固化系统，使他们的生产面貌大大改观，不仅节约了能源，降低了成本，还增加了成品率。

    在网印或凹印导电浆料时，均为IR固化，这时对导电浆料的选择就非常重要，选择合适的固化设备更为重要。在IR固化的系统中应始终保持马鞍形的加温曲线，因此要想在短时间达到完全固化的目的，最主要的方法是增加烘道的长度，这样才能使被烘烤的天线浆料有较长的固化时间。测试完全固化的方法非常简单，只要把固化完全的天线放入相对湿度85%～90%的环境中保持24h再测试阻值，不超过10%就可以（这里的测试是自己生产中的自行测试，以便掌握固化的规律，规范的测试还应按国家标准）。

    我认为最佳的固化方式还是应用高红外技术，它不仅节约能源，而且设备的占地面积也只有普通IR烘道的1/5，而固化时间可缩短至十几秒。其特点是启动时间短，接通电源1min后可使温度升高至所需值。因高红外技术是全波段，瞬时可使油墨的内层表层同时固化，解决了表面固化而内层和底层固化不完全的弊病。具体对比如下，以轴对轴的传送方式普通IR固化线和高红外的比较（表1是使用同一种导电浆料的情况下的比较）。

    此项高红外技术可很好地解决生产中导电浆料固化的瓶颈问题，已经在其他电子行业推广，近期在RFID行业中也有厂家准备使用。

    3．关于收卷的偏差：因是轴对轴的传送方式，收卷的精度很重要，在凹印中（无论是印抗蚀油墨还是导电浆料）收卷的精度也影响着双面图形的重合度，在现代生产线上所使用的凹印机的传送精度基本上能保证。但随着收卷直径的增大，使用厂家都用电子校正仪控制跑偏，可控制在0.3～0.8mm之间。但是应注意的是蚀刻线或固化线，因长度的原因跑偏可能要超过以上的范围，有的操作者忽略了这一工序中出现跑偏的问题，严重者将影响蚀刻的质量和去墨的效果。

    凹印油墨的自动添加和循环系统

    在一般的凹印中大都不设此系统，但是随着产量的增加，一般的工厂大都为两班三运转——充分发挥设备的利用率，但是工人们每次上墨都是手提油墨桶，将稀释好黏度的油墨倒入供墨槽，油墨的黏度终始无法控制。将不同程度地产生薄厚不均，对耐蚀刻性或电阻值都会产生不良影响。解决的办法是在凹印机的外部增加一套油墨自动添加和循环系统，具体做法是：根据厂房设备的布局在凹印机的外部（距凹印机越近越好）设立一个20～40kg的恒温储墨槽，利用管道分别将油墨通向两个供墨槽，两个供墨槽分别设有溢出口，使多余的油墨通过溢出口再流回储墨槽，其优点是：

    ●两供墨槽的黏度、温度能保持一致；

    ●可长期循环使用，减少油墨的浪费；

    ●可以使凹印的厚度均匀；

    ●工作条件稳定，实现了清洁生产。

    蚀刻设备及蚀刻方式

    RFID天线制造中的蚀刻是很重要的一个工序，在这个工序中，蚀刻的方式仍然用轴对轴传动，但我看到有的工厂在这一工序中成品率不高，这是因为在使用蚀刻机中有误区。

    误区1：认为可以蚀刻双面电路板的蚀刻机均可搬来使用。其实不然，在上下喷淋的力度上应做调整，当收卷时，双面图形同时蚀刻完毕，但有的厂做得很勉强。在轴对轴的蚀刻中，上下喷嘴相互影响，所以有功率自动线长固化时间固化方式升温时间时会出现蚀刻不均匀的现象。

    误区2：蚀刻液大都用一定浓度的盐酸，为了增强蚀刻能力再加入一定量的双氧水。出现的问题是：开始使用新溶液，溶液和铝反应快、温度高，很快就完成了图形的蚀刻，但随着时间的推移，到后期溶液完全没有蚀刻能力，温度下降，于是再加入新溶液，这样就出现了上述的情况，这种不稳定因素严重地影响质量，解决的办法是安装一套自动校验补加系统。目前这套系统国内已有生产，其性能和精度完全能满足要求，无需花巨资买进口产品。

    误区3：有的工厂错误地将蚀刻设备和去墨设备连成一条线，认为是提高了自动化水平，但是将两线连在一起有十几米长，一旦蚀刻或去墨段出现问题需暂时停机，停机就要损失若干片产品。另外蚀刻段和去墨段很难做到速度上的匹配。

    未来蚀刻的展望：在RFID天线制造中，蚀刻占有一定的比重，在废液的回收和处理上仍不完善，有的由所谓的污水处理商买去（低价或免费），可能又出现了第二次污染。北京一家公司已经解决了回收技术的问题，并完善了回收程序，但因费用较高暂时不能承接污水回收业务，他们正在研究更廉价的回收手段。

    电解蚀刻的前景：电解蚀刻虽然是一种传统技术，但随着我国工业的飞速发展，在有关图形蚀刻的领域中越来越受到青睐。如标牌、面板、礼品、装饰和电子行业中的栅网、集成线路框架等大都采用或正在●蚀刻液属环保型，无大量的废液废气排出；

    ●蚀刻液价格便宜，使用方便；

    ●设备简单，投资较小；

    ●蚀刻速度较快，适于轴对轴的成批生产。

    目前此种技术用于RFID天线的应用设备，发达国家已经用于生产，我国也已经有用于设备生产，但还有待进一步完善。预计明年可投入使用的设备，将使用户更满意。

    导电浆料的选择和使用

    前面所讲使用导电浆料用网印或凹印制造RFID天线的趋势正在加速，从目前国内的RFID天线的生产厂家来看，还没有把导电浆料用于生产线，有的只是小批量、小规模的试制。根据现在RFID天线生产的种类看，整个导线（天线）的电阻大都在40～60Ω左右，在导电浆料的选择上必须是银浆，才能满足天线的电阻值要求。前段时间，国内有些公司试用铜浆代替，试验有新进展，但铜粉氧化得太快，吸取国外的先进经验采用银包铜的方法，解决了铜氧化过快的问题，并提高了导电性能，但该成本核算价格太高。如果价格超过银粉、铜粉，这种方法就毫无意义了。为什么国内外没有很好地将导电银浆用于RFID天线的制造呢？原因很简单，到目前为止所用的导电银浆价格太高，而银粉的价格的上涨幅度虽不像铜那样的迅猛，一旦再涨价，用户将蒙受损失。另外在网印导电浆料中，厚度控制比较难，如果印的墨层厚了方阻值能保证，一旦印薄了方阻值减少产品不合格，只能报废且无返修的余地。这样对生产环境的要求就又提高了档次——最低也需十万级的净化室，这一项又增加了成本。在导电银浆的选择上，厂家对进口产品不敢问津，而国产的用起来稳定性较差，鉴于上述的种种原因，制造商的决策是以稳妥为好，还是选择使用老工艺。

    关于导电银浆（导电浆料）用于REID天线制造的信息很多，先是于2004年底美国杜邦公司推出专门用于RFID的天线印刷油墨MCM5033，其特点是银的含量低、遮盖力强、有良好的印刷性、能降低高频HF及超高频UHF天线的制造成本。而今年韩国大田市的ABC纳米技术公司开发出一种纳米导电墨水，可应用于快速发展的RFID天线制造，优点为：有理想的电阻率、固体含量低、银的颗粒直径小于25nm，可以很均匀地分布于胶体之中。

    在国内，先是上海宝银公司推出Rf2000d导电银浆用于RFID天线的制造，其优点是能很好地与PET或PP结合，最后告诉我们完全能取代铜线的扎制、铜箔蚀刻等传统工艺，但是现在RFID天线的制造，那还会有铜线和铜箔蚀刻工艺呢？为了研究RFID天线的制造水平，我收集了很多的样品：既有铜导线扎制的天线和铜箔蚀刻的天线，也有凹印铝箔的天线，当然我最需要的还是国内外网印或凹印导电浆料图形的天线。通过对这些样品尺寸体积的测量和对方阻值的测试，阻值还是较低的，说明这些导电浆料均以银粉为导电相的浆料，且含银量较高，当然价格也很高。

    北京力拓达科技公司早在两年前就着手研制开发适合我国RFID发展模式的导电浆料，综合国内外的实际情况，在Ω/口满足产品指标的情况下，把成本放在首位，他们的目标是：RFID天线制造商能承受的价格，否则将束之高阁，无人问津。看好此商机，诸多的商家开始涌入这个市场，接下来就是这些商家们的竞争了，只有这样产品质量才能提升，成本和价格才能下降，才能更快地促进我国RFID生产的进步和发展。