RFID印刷被动式电子标签良率的探讨

RFID印刷被动式电子标签良率的探讨随着RFID市场的成长，电子标签的使用量也呈倍数的成长，但真正阻碍RFID产业发展的因素却是电子标签的价格成本仍高居不下，而印刷式的电子标签则挟先天上成本优势深受市场所冀望。印刷式电子技术被广泛应用在软性电子、有机显示器、EMI防治、纸电池及RFID等领域，其中又以RFID被动式的电子标签印刷所面临的技术难题最多。印刷制程RFID被动式的电子标签印刷主要使用之油墨俗称为「导电银胶」。由于印刷时需使用银粉材料，而近来原物料价格不断攀升使得银胶的成本居高不下，导致原本佔有制造成本优势的印刷式电子标签，一时之间成本降不下来，不过长远来看印刷式的电子标签，仍是未来低价电子标签的最佳解决方桉之一。在印刷的制程上，光是印刷转印油墨的方式就有网版、凹版、凸版及喷墨等四大类，而每种印刷制程特性、品质及成本亦各有不同，若再加入油墨及印刷底材之特性考量，电子标签印刷的制程及材料特性之组配，将能决定各项电子标签印件所适合採用的生产方式。网版印刷RFID电子标签的印刷制程採用此种方桉的桉例最多，如图〔1〕所示网版印刷就是把导电油墨由网版的另一侧以刮刀将油墨扫压过网版，而油墨则穿透过网版上图样的网孔间隙，黏印在被印刷的底材上。网版印刷的油墨黏度较高，且印刷膜厚最高可达100μm，而RFID电子标签的印刷膜厚仅约为8~12μm即可，其后干燥则可以UV、IR及热风等方式来达成。凹版印刷凹版印刷是将刻有图样的金属薄版（凹刻），固定于印刷机上的印刷辘上，沾上印刷油墨后转印至被印刷的底材上，详如图〔2〕所示。凹版印刷的油墨黏度较网版印刷油墨的黏度来的低，油墨膜厚控制最为精准，亦可符合RFID电子标签印制所需膜厚要求，而且印刷速度更快，极适合大量印刷生产，缺点是需投入之设备资金较高。图2、凹版印刷凸版印刷凸版印刷是将有图样的橡胶厚版（凸刻），固定于印刷机上的印刷辘上，在沾上印刷油墨后转印至底材上，详如图〔3〕所示。凸版印刷的油墨黏度比凹版印刷来的低，油墨膜厚也是远低于前二者的，且印刷导电银胶时所遭遇的难题最高最难克服，但若能克服种种难题，直接将电子标签印刷在纸箱上的价格竞争力却是前二者所不能媲美的。图3、凸版印刷[3]喷墨印刷喷墨印刷技术的发展是近十年来的新兴技术，其大型喷墨印刷设备的印刷精度最高可50μm左右，此技术也是最有可能成功实现IC电路于制程中直接以印刷方式制作，但缺点是印刷速度慢，设备及油墨成本也是所有印刷制程中最高的，而油墨黏度则是四者制程中最低的，膜厚控制精度却是最高的。导电银胶油墨特性目前导电银胶的供应商以美、欧厂商为主，亚洲则有日本及南韩厂商相争，其油墨特性主要为银粉成份，而银粉成份的多寡决定其导电阻抗的特性。另外银粉颗粒直径的大小，亦是决定其印刷阻抗均一性的关键，表〔1〕为目前市面上几种导电银胶油墨的商品特性比较表，由表中可见干燥烘烤温度及时间比一般印刷油墨高且长，新开发的导电银胶特性则有朝向低温快干低耗能及兼顾环保的趋势。表1、市售导电油墨特性比较表[4]底材在电子标签印刷制程中，最易被忽略的部份就是电子标签的底材（substrate）一般来说被动式电子标签的底材种类不外乎PVC、PET，涂佈白纸、瓦愣纸等，但若要用在UHF频段时，则底材材质的介电係数会大幅影响电子标签的RF阻抗[5]，故在设计电子标签天线时须考量此因素在内。又瓦愣纸当底材印刷电子标签时，由于瓦愣纸的毛细孔相当大，且呈不规则分佈，如图〔4〕所示。当导电油墨印刷上去时，油墨会渗入毛细孔，导致电子标签天线阻抗分佈不均，此种现象在频率愈高时问题愈严重。图4、瓦愣纸面微观良率在此所谓的良率除了成品之电子标签是否能被读写器所读到外，另外使用者更加关心应用良率，就是所谓稳定的读取距离，而影响此良率的关键原因就是成品的RF阻抗。另外印刷天线之附着力、晶片封装及油墨特性等，则是决定此类产品寿命的重要因素。导电阻抗印刷的电子标签天线，其RF阻抗的特性将会因印刷时油墨的固形份是否均匀的分佈在油墨中、印刷后的膜厚及印刷底材的介电係数等因素所决定[7]，而在印刷界的人都知道印刷出来的第一个印件到最后印出来的印件，颜色的色差或膜厚都会有一定幅度的变动。若再加上底材的品质因素产生介电係数的变动，则二者变动所产生的相加或相抵的结果，就会造成电子标签印刷天线阻抗超出规格而产生不良品。在HF印刷被动式天线影响较为轻微，但若是在UHF印刷被动式天线遇上此种情形，则产生不良品的机率将大增。即使前二者制程变数变动程度的相加或相抵结果，未使电子标签天线印刷阻抗超出规格，但仍会使印刷出的UHF电子标签产生不同读取距离的结果。附着力当底材使用光滑紧緻材质时，油墨干燥后有可能产生容易剥离的现象，尤其当在半成品或成品捲曲的时候，干燥后之膜厚因弯曲应力而产生剥离或碎裂，但此种情形可借由油墨中树脂的调整来改善而提昇油墨之附着力。植晶封装植晶制程的良率主要决定于封装导电胶之RF特性及印件的定位精度，一般来讲凸版印刷的精度是最差的，若日后能在制程规划与初期设备建置调整时就考量，将有效提昇植晶制程的良率。生命周期印刷式的电子标签生命周期是比蚀刻、冲压或蒸镀的方式所制成的电子标签来的短，原因是烘烤干燥后的银胶与空气中的水分子或硫分子接触后，极易产生氧化或硫化现象，而有变色或变黑现象。若此种印刷式的电子标签被使用贴在会经海运运送的货品上时，则所面临的被氧化或塩化现象将更严重。天线被氧化、塩化或硫化后电子标签的RF性能将会随其变化层的深浅而有所影响，但所幸的是变化层厚度要到一定深度时，才会使RF阻抗有明显的变化。结论在前述四种印刷方式使用于被动式之UHF电子标签印刷时，其成本及制程良率各有不同，详如图〔5〕所示，虽然凹版及凸版两项印刷技术之良率较低，但是这二种技术之生产成本及产能却极具竞争力，而日后导电油墨材料若能有突破时图〔5〕的结果将完全会改观。图5、印刷成本与良率比较另外，喷墨印刷所需成本目前高仍于凹版及凸版两项印刷技术，但若将设备投资成本排除时，喷墨印刷所使用之导电油墨价格与凹版及凸版使用之导电油墨价格是相近，且低材料损耗、稳定高良率的制程特性，反而使得总体生产成本最低。由于印刷天线的性能主要取决于导电油墨之导电粒子固形份含量及印刷膜厚等二样制程参数，且此二项参数可掌控影响制程良率结果的74%，详如图〔6〕所示，这显示印刷被动式电子标签技术良率将深受导电油墨材料特性所影响。图6、印刷电子标签制程良率因子分佈参考文献[1]HelmutKipphan,HandbookofPrintMedia,2001,Berlin:Springer,pp.57.[2]HelmutKipphan,HandbookofPrintMedia,2001,Berlin:Springer,pp.48.[3]HelmutKipphan,HandbookofPrintMedia,2001,Berlin:Springer,pp.47.[4]陈丽娟、张皓钧,市售导电油墨特性分析,正隆RFID研究季报2005Q4,正隆股份有限公司,2005,pp.13.[5]Siden,J.;Olsson,T.;Koptioug,A.;Nilsson,H.-E.;ReducedAmountofConductiveInkwithGriddedPrintedAntennas,PolymersandAdhesivesinMicroelectronicsandPhotonics,Polytronic2005.5thInternationalConferenceon23-26Oct.2005,pp.86–89.[6]陈丽娟、杜金明,智慧型纸箱特性分析,正隆RFID研究季报2005Q3,正隆股份有限公司,2005,pp.08.[7]RobertJ.Weber,IntroductiontoMicrowaveCircuits:RadioFrequencyandDesignApplications,IEEEPressSeriesonRFandMicrowaveTechnology2001,pp.21.[8]张皓钧、杜金明,主流印刷技术应用于RFID之探讨,正隆RFID研究季报2006Q3,正隆股份有限公司,2006,pp.26.[9]张皓钧、杜金明,主流印刷技术应用于RFID之探讨,正隆RFID研究季报2006Q3,正隆股份有限公司,2006,pp.28.