織物基UHF-RFID標簽天線的制備及封裝工藝初探

白 歡，彭 飛，張 凱，楊旭東，胡吉永，，俞金林

(1. 東華大學a.紡織面料技術教育部重點實驗室; b. 紡織學院，上海 201620；2. 江蘇丹毛紡織股份有限公司，江蘇 丹陽 212351)

鑒于紡織服裝領域對供應鏈管理高效性和維護保養溯源性的需求，超高頻射頻識別 (ultra high frequency-radio frequency identification，UHF-RFID)標簽[1-2]受到人們的關注，但是目前市場上的UHF-RFID標簽存在價格較高且材質不兼容紡織面料及輔料材質的缺點。因此，有學者初步研究織物基UHF-RFID標簽的制備，主要關注標簽天線印刷制備過程中的固化條件[3]。然而，由于織物基UHF-RFID標簽是一個結構復合體，影響標簽最終性能的因素很多，故有必要進一步探索織物基UHF-RFID標簽的制備工藝，從而提高性能并降低制作成本，這對于織物基UHF-RFID標簽技術的發展具有極大的推動意義。

織物基絲網印刷UHF-RFID標簽的制備分為兩個階段，即天線的絲網印刷和天線/芯片的連接封裝。絲網印刷法在紡織行業是一項成熟的技術，采用絲網印刷可以高效印制標簽天線，且污染小[4]。相對而言，影響天線性能的印刷因素主要有導電油墨性能、印刷工藝參數(如網版目數、絲網材質、刮刀角度及壓力、刮印速度、固化溫度及時間等)和承印基材。徐磊等[5]針對PET(polyethylene terephthalate)承印基材進行了印刷工藝的探究，結果表明，較高的印刷速度和印刷壓力、較短的固化時間以及較低的固化溫度會使標簽天線的電阻增加，從而導致標簽的諧振頻率和品質因子下降。

對于網板目數，王森[6]以FR4絕緣板為承印基材，研究了不同網版目數(150、200、280和350目)對RFID標簽天線性能的影響，發現以280目網版印刷所得RFID天線的電阻值變化最小，性能最好；Shahariar等[7]以230、305和355目網版在非織造布上印刷天線，發現網版為305目時導電油墨的印刷均勻性最好。由以上研究可知，最佳網板目數可能隨承印材料的不同而異。

針對導電油墨對天線性能的影響，文獻[8-9]研究發現，RFID標簽天線的印刷導電層厚度越小，天線輻射效率越低。黃鈞浩[10]指出，雖然單次絲網印刷的膜層厚度最多可達300 μm，但印刷電路在實際生產中的膜層厚度一般要求超過20 μm。此外，曹彬[11]根據導電油墨的流變特性和印刷適應性，確定導電微粒的百分含量為55%左右時，RFID標簽天線的印刷質量和電學性能最優。

就標簽天線與芯片的連接封裝而言，影響天線/芯片的互連強度和接觸電阻的因素很多，主要有芯片和基材的材料屬性和幾何參數、鍵合工藝參數(如鍵合壓力、鍵合溫度、固化速率和點膠量)、封裝設備的精度和產品的存儲條件等。Uddin等[12]研究表明，隨著鍵合溫度的升高，接觸電阻先下降，超過某個溫度值后緩慢上升。Wu等[13]針對各向異性導電膠(anisotropic conductive adhesive，ACA)互連剪切強度的研究表明，壓力對互連界面的剪切強度影響不顯著，但是為了維持穩定的接觸電阻和可靠的互連強度，封裝過程仍需要施加適當的壓力。范守元[14]采用DELO公司提供的ACA導電膠進行RFID試樣封裝，發現較為合適的工藝參數組合：固化度為88%、固化時間為13.5 s、鍵合壓力為2 N、上/下熱壓頭溫度分別為185和165 ℃。但是，上述文獻均是基于PET、聚酰亞胺等薄膜類承印基材展開試驗研究，并未涉及織物類承印基材。

基于此，本文以UHF-RFID標簽天線為基礎，采用絲網印刷法在織物基底上印刷天線，探究印制天線及封裝的主要工藝參數對織物基標簽性能的影響。采用控制變量法，重點探究網版目數、導電油墨的類型及ACA的熱壓溫度對標簽性能的影響。

1 試驗設計和性能評價

織物基絲網印刷UHF-RFID標簽的制備工藝流程如圖1所示。印刷前在網版的一端倒入導電油墨，其中網版與承印物的距離d=4 mm，然后使用刮刀給網版上的導電油墨施加壓力，并朝網版另一端移動。導電油墨在移動的過程中透過帶有天線圖案的網孔，從而被擠壓到承印物上，形成標簽天線。標簽天線經固化后，使用低溫單向導電膠進行天線/芯片的連接封裝。利用點膠機的精準對位功能，放置適量導電膠于標簽天線端口處，然后貼芯片，熱壓固化導電膠，完成天線/芯片的連接封裝。

1.1 天線選擇

在超高頻標簽中，標簽天線一般使用偶極子天線，偶極子天線通過接收并反射電磁信號至閱讀器，實現數據傳送[15]。已有研究從小型化、低成本的角度考慮，設計了字母型[16]、飛鏢型[17]、直短型和曲折型偶極子天線[18]。從印刷經濟性和應用靈活性出發，本文以直短型偶極子天線為雛形，在織物表面印刷圖2所示天線，其滿足標簽天線/芯片端口阻抗匹配的性能要求[18]，其中λ為電磁波波長。

1.2 天線的絲網印刷制備

半自動氣動絲網印刷機被用于在承印基底表面印制UHF-RFID標簽天線。主要的印刷工藝參數設置：網版與織物基底間的距離為4 mm，印刷時刮刀與水平面的夾角為85°，印刷速度為170 mm/s。為了固化導電銀漿，天線在印刷后立即移入真空烘箱中固化，烘箱溫度為120 ℃，持續時間為30 min[3]。

為了使UHF-RFID標簽達到柔軟性好、成本低的要求，從企業實際出發，選用常見的水洗嘜布(參數見表1)作為承印基材，水洗嘜布為聚酯樹脂涂層尼龍織物。根據前人研究[7]，網板目數為300目以上時天線性能較好，本試驗選擇300和350目網版作為對比制作天線圖案印版。此外，采用市場上常用的印刷UHF-RFID標簽的3種專用導電銀漿作為印刷油墨設計篩選試驗，其基本規格參數列于表2。

表1 承印織物的參數

采用控制變量法，研究網板目數和導電銀漿對印刷天線質量的影響。為了探討網板目數對天線印刷性能的影響，基于預試驗印刷效果，以ET-4F導電銀漿為印刷油墨。在確定合適的網版目數之后，再探討3種導電銀漿對印刷效果的影響。印刷效果用固化后標簽天線的線電阻和方阻進行表征。

表2 3種導電銀漿的參數

1.3 天線/芯片連接封裝工藝

天線/芯片連接封裝就是將芯片的電氣觸點連接到天線的饋電端口。標簽芯片選擇Alien H3 Flip UHF芯片(如圖3所示)，導電膠選擇DELO公司的AC 365型，其參考固化溫度為80～170 ℃，固化時間為4～6 s。

在封裝過程中，導電膠首先被滴加到天線端口表面，再將芯片的GND(地端)和RF(射頻端)端精準對位到天線兩個端口表面，同時點膠機的上熱壓板在一定壓力下壓向芯片，之后加熱固化導電膠，完成天線端口和芯片端口的連接。圖3中，NC為Near Communication(引腳)，在UHF頻段范圍引腳沒有任何用途，只限于封裝形式，但是該引腳必須存在。為探究導電膠的熱壓溫度對標簽性能的影響，基于織物耐高溫性能差的特點和導電膠的固化溫度，熱壓溫度分別選擇120、130和140 ℃，熱壓壓力設定為0.5 N，熱壓時間設置為6 s。

1.4 標簽性能評價

為了測量天線導電層的電學性能，參考AATCC 76—2011《織物表面電阻測試》[19]，用電阻計測試天線導電層的線電阻，以四探針法測試天線導電層的方阻值。同時，采用光學顯微鏡觀察天線的表觀形貌及不同封裝工藝下的連接結構。

標簽的讀取性能是評價天線印刷及封裝質量的關鍵指標，而讀取距離是反映標簽封裝接觸是否良好的直觀指標。試驗采用UHF-RFID讀寫器測試標簽的讀取距離。根據我國UHF-RFID標簽工作規范[20]，讀寫器的工作頻段設置為840～925 MHz。測試時標簽天線與讀寫器天線保持在同一水平高度，極化方向一致，記錄標簽能被讀取的最遠水平距離。由于周圍環境如水、金屬和人體等可能影響電磁波傳播，單個標簽的讀取距離測試5次并計算平均值。

2 結果與討論

2.1 網版目數

2.1.1 對標簽天線表觀形貌的影響

標簽天線的結構尺寸，特別是端口尺寸的精準印制是保證標簽正常工作的前提條件。不同網版目數下標簽天線印刷10次后端口的印刷效果如圖4所示。由圖4可知，350目網版被重復印刷10次后，標簽天線端口不清，這意味著標簽天線印刷失敗。對于300目網版而言，即使被重復印刷超過100次，天線的幾何圖案結構依然清晰。引起這種差異的原因，可能是網版目數越大，絲網制作時受到的拉伸力越大，絲印網版端口連接區域的光乳化膠受到刮刀作用而破裂，導致印刷時導電銀漿擴散，與標簽天線端口發生接觸。

天線尺寸的微小改變，都會對標簽天線反射電磁波的能力產生極大影響，這對印刷精度提出了較高的要求。使用光學顯微鏡在700倍放大條件下，觀察印刷標簽天線不同部位的表觀形貌，如圖5所示，其中，左、右圖表示標簽天線層與水洗嘜布的交界處形貌，中間圖表示標簽天線層形貌。由圖5可知：網版目數為300目時，標簽天線的印刷尺寸與設計尺寸一致，且邊緣清晰；但是當網版目數為350目時，印刷尺寸明顯小于設計尺寸，且邊緣不均勻性大。因此，從標簽印刷尺寸穩定性角度，以300目網版印刷標簽天線可達到較好的效果。

2.1.2 對印刷層厚度的影響

天線印刷層厚度影響標簽反向散射能量的強弱，原則上，天線層越厚，標簽天線對電磁波的反射能力越強。使用厚度計測量承印基材在印刷前后的厚度，得到標簽天線層厚度Δd，其中Δd=d2-d1(d1為水洗嘜基材的厚度，d2為印刷后天線層和基材的整體厚度)。分析測量結果發現，300目網版印刷的天線層厚度為(3.4±0.2) μm，350目網版印刷的天線層厚度為(1.80±0.15) μm。因此，可得出300目網版的印刷效果優于350目網版，這與Shahariar等[7]的研究結論一致。

2.2 導電油墨種類對印刷層的線電阻和方阻的影響

以300目網版和3種常見商業化導電銀漿印刷的標簽天線的導電層電阻如圖6所示。從圖6可以看出，以ET-04型和8000A型印刷所得的導電層，其線電阻和方阻之間分別有約2 Ω和0.4 Ω/□的差異。這是由導電油墨的黏度差異引起的印刷厚度的微小差異，兩者厚度差約為3.5 μm。以ET-4F(固含量為65%)銀漿所得的標簽天線導電層的線電阻和方阻明顯小于ET-04(固含量為50%)，但與8000A型(固含量50%)的相當。

由于UHF-RFID標簽天線印刷層的電阻在一定程度上會影響最終標簽的信號傳輸能力，即天線層電阻越大，反射信號的能力越弱，這將導致最終標簽的讀取距離變小。故相比ET-04銀漿，采用ET-4F型和8000A型銀漿，印刷所得標簽天線的性能更優。然而，導電銀漿的固含量越高，價格越貴。基于成本優勢考慮，固含量為50%的8000A型導電銀漿更適合用于印刷標簽天線。

2.3 天線/芯片連接封裝

基于上述的試驗結果，選擇300目網版和8000A型導電銀漿印刷標簽天線，并與芯片封裝制備標簽樣品。由于封裝過程中導電膠需要加熱固化，而承印物為面密度(60±5) g/m2的織物，在高溫熱壓下的織物可能出現不同程度的皺縮翹曲現象(如圖7所示)，這將影響芯片和天線的電氣端面之間的接觸緊密性和牢度。

在不同封裝熱壓溫度下所制得的樣品的讀取距離如圖8所示。從圖8可以看出，熱壓溫度為120 ℃ 時，標簽的讀取距離最遠，而且隨著熱壓溫度的升高，讀取距離逐漸減小。讀取距離減小源于兩方面原因：一是標簽基材不能承受高溫，高溫會破壞織物基材表面的平整性，如圖7(b)和(c)所示，進而使芯片與天線之間電氣接口端面的連接性能惡化；二是天線印刷固化溫度為120 ℃[3]，當熱壓溫度較高時，將引起天線端口局部區域的二次固化，使得該區域的電阻值不同于相鄰區域，影響信號傳輸的連續性。因此，在考慮承印織物的熱致收縮溫度和導電層電學性能連續性條件下，應保持印刷固化溫度和封裝熱壓溫度的一致性。此外，本試驗所制備的UHF-RFID標簽的讀取距離均達到8 m以上，滿足實際應用中需要超過2 m的要求。

3 結 語

本文初步探索了尼龍水洗嘜織物基UHF-RFID標簽的天線印刷和天線/芯片連接封裝工藝。研究發現： 300目的絲印網版更適合于大生產中制備高精度的織物基UHF-RFID標簽天線；在綜合考慮印刷質量和成本下，8000A型導電銀漿更適合用于印制織物基標簽天線；由于織物基材抗熱致收縮能力有限，且需要標簽天線/芯片封裝后具備電性能連續性，印刷固化溫度和封裝熱壓溫度應保持一致，相對而言120 ℃是此類標簽制備工藝流程中的最佳溫度控制值。