第11章 RFID制作工艺

RFID制作工艺RFID制作工艺1.芯片工艺2.天线工艺芯片发展1904年,弗莱明发明了第一只电子二极管(真空二极管)；标志着世界从此进入了电子时代1907年，李•德福雷斯特向美国专利局申报了真空三极管的发明专利，使得电子管才成为实用的器件。李•德福雷斯特被称为“无线电之父”、“电视始祖”和“电子管之父”。1925年，加拿大人J.Lilienfeld提出IGFET（InsulatedGateFieldEffectTransister，绝缘栅场效应管）的概念，1935年英格兰人Q.Heil也独立提出这一原理。芯片发展1947年，美国贝尔实验室（J.Bardeen,W.Brattain,W.Shockley）发明了点接触晶体管；1948年申请相关专利；共同获得1956年的NobelPrize1949年，肖克利（W.Shockley）提出结型晶体管的设想；1951年，制成了第一枚面结型的晶体管。芯片发展1960年，卡恩格（D.Kanng)和阿塔纳（M.M.Atalla）用热氧化硅结构制造了第一枚绝缘栅MOS晶体管。芯片发展第一块IC1958年，德州仪器公司（TI），JackSKilby,固体电路1959年2月，申请专利芯片发展JackSKilby2000年10月10日，七十七岁的杰克·基尔比（JackS.Kilby）获得2000年诺贝尔物理学奖。这个奖距离他的发明已四十二年。2005年6月20日，集成电路发明人杰克·基尔比因患癌症在美国德克萨斯州达拉斯去世，享年81岁。芯片发展第一块PlanarIC(平面IC)•第一块平面IC为TTL电路，随后发明了ECL电路•1963年，美国RCA公司研制第一块MOSIC芯片发展第一个微处理器（Microprocessors）芯片发展Moore’sLaw戈登·摩尔1965年预测说半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番；1975年又提出修正说，芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番；经常被引用的“18个月”是由英特尔首席执行官DavidHouse所说：预计18个月会将芯片的性能提高一倍芯片发展晶体管数目：2003年一年内制造出的晶体管数目达到1018个，相当于地球上所有蚂蚁数量的100倍！芯片制造水平：2003年制造芯片的尺寸控制精度已经达到头发丝直径的1万分之一，相当于驾驶一辆汽车直行400英里，偏离误差不到1英寸！晶体管的工作速度：1个晶体管每秒钟的开关速度已超过1.5万亿次。如果你要用手开关电灯达到这样多的次数，需要2万5千年的时间！半导体业的发展速度：1978年巴黎飞到纽约的机票价格为900美元，需要飞7个小时。如果航空业的发展速度和半导体业一样的话，那么今天只需花费1个便士，不到1秒钟即可到达！晶体管的成本：目前制造1个晶体管的成本大约与在1张报纸上印制1个字母的成本相当！芯片工艺集成电路（IntegratedCircuit,IC）把多个器件及其之间的连线同时制作在一个芯片上，形成一块独立的、具有一定功能的整体电路。分立元件硅片芯片集成电路芯片封装芯片封装WaferPackageSingleICSMA/PCBAElectronicEquipmentWaferPackageSingleICSMA/PCBAElectronicEquipment芯片封装芯片工艺流程芯片制作IC芯片获得通常需经过两个过程：IC制造和芯片封装IC制造属于集成电路制造工艺领域，通常两过程在不同的企业或地区进行：分工协作国际化增强。芯片测试常在IC制造工艺线上进行，并将有缺陷产品进行标记，以便芯片封装阶段自动剔除不合格芯片。芯片封装芯片封装的流程又通常分两个阶段：1）封装材料成型之前的工艺步骤称为前段操作2）材料成型之后的工艺步骤称为后段操作其中，前段操作所需的环境洁净度要求高于后段操作，但随着芯片的复杂化和微型化，整体操作环境要求均得到了提高。芯片切割当前，晶圆片尺寸不断加大，8英寸和12英寸晶圆使用越来越广泛，为了保证硅圆片质量，圆片厚度相应增加，给芯片切割带来了难度。芯片贴装芯片贴装（DieMount）又称芯片粘贴，是将IC芯片固定于封装基板或引脚架承载座上的工艺过程。芯片应贴装到引脚架的中间焊盘上，焊盘尺寸要与芯片大小相匹配，大小不匹配会产生什么现象？芯片贴装方式主要有四种：共晶粘贴法、焊接粘贴法、导电胶粘贴法和玻璃胶粘贴法。共晶芯片粘贴法芯片互联——引线键合引线键合技术是将半导体裸芯片（Die）焊区与微电子封装的I/O引线或基板上的金属布线焊区（Pad）用金属细丝连接起来的工艺技术。引线键合常用引线键合方式有三种：热压键合超声键合热超声波（金丝球）键合引线键合超声键合：超声波发生器使劈刀发生水平弹性振动，同时施加向下压力。劈刀在两种力作用下带动引线在焊区金属表面迅速摩擦，引线发生塑性变形，与键合区紧密接触完成焊接。常用于Al丝键合，键合点两端都是楔形。热压键合：利用加压和加热，使金属丝与焊区接触面原子间达到原子引力范围，实现键合。一端是球形，一端是楔形，常用于Au丝键合。金丝球键合：用于Au和Cu丝的键合。采用超声波能量，键合时要提供外加热源。引线键合提供能量破坏被焊表面的氧化层和污染物，使焊区金属产生塑性变形，使得引线与被焊面紧密接触，达到原子间引力范围并导致界面间原子扩散而形成焊合点。引线键合键合接点形状主要有楔形和球形，两键合接点形状可以相同或不同。引线键合采用导线键合的芯片互连倒装芯片键合技术倒装芯片键合（FCB）是指将裸芯片面朝下，芯片焊区与基板焊区直接互连的一种键合方法：通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上。而WB和TAB则是将芯片面朝上进行互连的。由于芯片通过凸点直接连接基板和载体上，倒装芯片又称为DCA（DirectChipAttach）FCB省掉了互连引线，互连线产生的互连电容、电阻和电感均比WB和TAB小很多，电性能优越。倒装芯片键合技术凸点下金属层(UBM)芯片上的凸点，实际上包括凸点及处在凸点和铝电极之间的多层金属膜(UnderBumpMetallurgy)，一般称为凸点下金属层，主要起到粘附和扩散阻挡的作用倒装芯片键合技术倒装芯片键合技术凸点类型和特点按材料可分为焊料凸点、Au凸点和Cu凸点等按凸点结构可分为：周边性和面阵型按凸点形状可分为蘑菇型、直状、球形等倒装芯片键合技术形成凸点的工艺技术有很多种，主要包括蒸发/溅射凸点制作法、电镀凸点制作法、置球法和模板制作焊料凸点法等。倒装芯片键合技术制作出来的凸点芯片可用于陶瓷基板和Si基板，也可以在PCB上直接将芯片进行FCB焊接。将芯片焊接到基板上时需要在基板焊盘上制作金属焊区，以保证芯片上凸点和基板之间有良好的接触和连接。金属焊区通常的金属层包括：Ag/Pd-Au-Cu（厚膜工艺）和Au-Ni-Cu（薄膜工艺）PCB的焊区金属化与基板相类似。倒装芯片键合技术倒装焊接工艺热压或热声倒装焊接：调准对位-落焊头压焊（加热）倒装芯片键合技术再流倒装焊接（C4技术）对锡铅焊料凸点进行再流焊接二、RFID天线制作RFID电子标签天线制造常用的技术方法有：线圈绕制法、蚀刻法、烫印法和直接印制法（导电油墨印刷法），都属于天线的印制技术。目前国内外主要是以蚀刻法和电镀法为主，直接印制法是最近正在兴起和研究的印制技术。线圈绕制天线法利用线圈绕制法制作RFID天线时，要在一个绕制工具上绕制标签线圈，并使用烤漆对其进行固定，此时天线线圈的匝数一般较多。将芯片焊接到天线上之后，需要对天线和芯片进行粘合，并加以固定。线圈绕制天线法（1）频率范围为125～134kHz的RFID电子标签，只能采用这种工艺，线圈的圈数一般为几百到上千。（2）这种方法的缺点是成本高，生产速度慢。（3）高频RFID天线也可以采用这种工艺，线圈的圈数一般为几到几十。（4）UHF天线很少采用这种工艺。（5）这种方法天线通常采用焊接的方式与芯片连接，此种技术只有在保证焊接牢靠、天线硬实、模块位置十分准确以及焊接电流控制较好的情况下，才能保证较好的连接。由于受控的因素较多，这种方法容易出现虚焊、假焊和偏焊等缺陷。三种方法：蚀刻法也称印制腐蚀法，或减成印制法。先在一个底基载体（如塑料）上面覆盖一层20mm～25mm厚的铜或铝，另外制作一张天线阳图的丝网印版，用网印的方法将抗蚀剂印在铜或铝的表面上，保护下面的铜或铝不受腐蚀剂侵蚀；而未被抗蚀剂膜覆盖的铜或铝会被腐蚀剂溶化，露出底基成为天线电路线的间隔线；最后涂上脱膜液去除抗蚀膜，进而制成天线蚀刻法蚀刻法（1）蚀刻天线精度高，能够与读写机的询问信号相匹配，天线的阻抗、方向性等性能等都很好，天线性能优异且稳定。（2）这种方法的缺点就是成本太高，制做程序繁琐，产能低下。（3）高频RFID标签常采用这种工艺。（4）蚀刻的RFID标签耐用年限为十年以上。烫印法烫印技术是通过烫印金属箔强调亮度和创意效果的技术。该技术一般被用于书籍的装订和商品的包装等。烫印法制作天线就是将书刊封面等的烫金技术移植到天线的制作中来。在书籍、票据等纸制印刷品的制造中，可将无线标签直接烫印其上。烫印有热烫印和冷烫印刷两种，热烫印技术是指利用专用的金属烫印版通过加热、加压的方式将烫印箔转移到承印材料表面；冷烫印技术是指利用UV胶粘剂将烫印箔转移到承印材料上的方法。烫印法导电油墨印刷法导电油墨已开始取代各频率段的蚀刻天线，如超高频段（860MHz~950MHz）和微波频段（2450MHz），用导电油墨印刷的天线可以与传统蚀刻的铜天线相比拟，此外，导电油墨还用于印制RFID中的传感器及线路印刷。印刷法直接用导电油墨在绝缘基板（薄膜）上印刷导电线路，形成天线和电路。目前印刷天线的主要印刷方法已从只用丝网印刷，扩展到胶印印刷、柔性版印刷和凹印印刷等，较为成熟的制作工艺为网印技术与凹印技术。印刷天线技术的进步，使RFID标签的生产成本降低，从而促进了RFID电子标签的应用。印刷天线技术可以用于大量制造13.56MHz和UHF频段的RFID电子标签。该工艺的优点是产出最大，成本最低；但是这种方法的缺点是电阻大，附着力低，耐用年限较短。印刷法印刷法（1）可更加精确地调整电性能参数。（2）可满足各种个性化要求。（3）可使用各种不同基体材料。（4）可使用各种不同厂家提供的晶片模块。END