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行業新聞

RFID印刷被動式電子標簽怎樣保證良率

時間:2019-12-13
前言
隨著RFID市場的成長,電子標簽的使用量也呈倍數的成長,但真正阻礙RFID產業發展的因素卻是電子標簽的價格成本仍高居不下,而印刷式的電子標簽則挾先天上成本優勢深受市場所冀望。
印刷式電子技術被廣泛應用在軟性電子、有機顯示器、EMI防治、紙電池及RFID等領域,其中又以RFID被動式的電子標簽印刷所麵臨的技術難題最多。
印刷製程
RFID被動式的電子標簽印刷主要使用之油墨俗稱為「導電銀膠」。由於印刷時需使用銀粉材料,而近來原物料價格不斷攀升使得銀膠的成本居高不下,導致原本佔有製造成本優勢的印刷式電子標簽,一時之間成本降不下來,不過長遠來看印刷式的電子標簽,仍是未來低價電子標簽的最佳解決方桉之一。
在印刷的製程上,光是印刷轉印油墨的方式就有網版、凹版、凸版及噴墨等四大類,而每種印刷製程特性、品質及成本亦各有不同,若再加入油墨及印刷底材之特性考量,電子標簽印刷的製程及材料特性之組配,將能決定各項電子標簽印件所適合採用的生產方式。
網版印刷
RFID電子標簽的印刷製程採用此種方桉的桉例最多,網版印刷就是把導電油墨由網版的另一側以刮刀將油墨掃壓過網版,而油墨則穿透過網版上圖樣的網孔間隙,黏印在被印刷的底材上。網版印刷的油墨黏度較高,且印刷膜厚最高可達100μm,而RFID電子標簽的印刷膜厚僅約為8~12μm即可,其後幹燥則可以UV、IR及熱風等方式來達成。
凹版印刷
凹版印刷是將刻有圖樣的金屬薄版(凹刻),固定於印刷機上的印刷轆上,沾上印刷油墨後轉印至被印刷的底材上,詳如圖〔2〕所示。凹版印刷的油墨黏度較網版印刷油墨的黏度來的低,油墨膜厚控製最為精準,亦可符合RFID電子標簽印製所需膜厚要求,而且印刷速度更快,極適合大量印刷生產,缺點是需投入之設備資金較高。
凸版印刷
凸版印刷是將有圖樣的橡膠厚版(凸刻),固定於印刷機上的印刷轆上,在沾上印刷油墨後轉印至底材上。凸版印刷的油墨黏度比凹版印刷來的低,油墨膜厚也是遠低於前二者的,且印刷導電銀膠時所遭遇的難題最高最難克服,但若能克服種種難題,直接將電子標簽印刷在紙箱上的價格競爭力卻是前二者所不能媲美的。
噴墨印刷
噴墨印刷技術的發展是近十年來的新興技術,其大型噴墨印刷設備的印刷精度最高可50μm左右,此技術也是最有可能成功實現IC電路於製程中直接以印刷方式製作,但缺點是印刷速度慢,設備及油墨成本也是所有印刷製程中最高的,而油墨黏度則是四者製程中最低的,膜厚控製精度卻是最高的。
導電銀膠油墨特性
目前導電銀膠的供應商以美、歐廠商為主,亞洲則有日本及南韓廠商相爭,其油墨特性主要為銀粉成份,而銀粉成份的多寡決定其導電阻抗的特性。另外銀粉顆粒直徑的大小,亦是決定其印刷阻抗均一性的關鍵,表〔1〕為目前市麵上幾種導電銀膠油墨的商品特性比較表,由表中可見幹燥烘烤溫度及時間比一般印刷油墨高且長,新開發的導電銀膠特性則有朝向低溫快幹低耗能及兼顧環保的趨勢。
底材
在電子標簽印刷製程中,最易被忽略的部份就是電子標簽的底材(substrate)一般來說被動式電子標簽的底材種類不外乎PVC、PET,塗佈白紙、瓦愣紙等,但若要用在UHF頻段時,則底材材質的介電係數會大幅影響電子標簽的RF阻抗[5],故在設計電子標簽天線時須考量此因素在內。
又瓦愣紙當底材印刷電子標簽時,由於瓦愣紙的毛細孔相當大,且呈不規則分佈。當導電油墨印刷上去時,油墨會滲入毛細孔,導致電子標簽天線阻抗分佈不均,此種現象在頻率愈高時問題愈嚴重。
良率
在此所謂的良率除了成品之電子標簽是否能被讀寫器所讀到外,另外使用者更加關心應用良率,就是所謂穩定的讀取距離,而影響此良率的關鍵原因就是成品的RF阻抗。另外印刷天線之附著力、晶片封裝及油墨特性等,則是決定此類產品壽命的重要因素。
導電阻抗
印刷的電子標簽天線,其RF阻抗的特性將會因印刷時油墨的固形份是否均勻的分佈在油墨中、印刷後的膜厚及印刷底材的介電係數等因素所決定[7],而在印刷界的人都知道印刷出來的第一個印件到最後印出來的印件,顏色的色差或膜厚都會有一定幅度的變動。若再加上底材的品質因素產生介電係數的變動,則二者變動所產生的相加或相抵的結果,就會造成電子標簽印刷天線阻抗超出規格而產生不良品。在HF印刷被動式天線影響較為輕微,但若是在UHF印刷被動式天線遇上此種情形,則產生不良品的機率將大增。即使前二者製程變數變動程度的相加或相抵結果,未使電子標簽天線印刷阻抗超出規格,但仍會使印刷出的UHF電子標簽產生不同讀取距離的結果。
附著力
當底材使用光滑緊緻材質時,油墨幹燥後有可能產生容易剝離的現象,尤其當在半成品或成品捲曲的時候,幹燥後之膜厚因彎曲應力而產生剝離或碎裂,但此種情形可借由油墨中樹脂的調整來改善而提昇油墨之附著力。
植晶封裝
植晶製程的良率主要決定於封裝導電膠之RF特性及印件的定位精度,一般來講凸版印刷的精度是最差的,若日後能在製程規劃與初期設備建置調整時就考量,將有效提昇植晶製程的良率。
生命周期
印刷式的電子標簽生命周期是比蝕刻、衝壓或蒸鍍的方式所製成的電子標簽來的短,原因是烘烤幹燥後的銀膠與空氣中的水分子或硫分子接觸後,極易產生氧化或硫化現象,而有變色或變黑現象。
若此種印刷式的電子標簽被使用貼在會經海運運送的貨品上時,則所麵臨的被氧化或塩化現象將更嚴重。天線被氧化、塩化或硫化後電子標簽的RF性能將會隨其變化層的深淺而有所影響,但所幸的是變化層厚度要到一定深度時,才會使RF阻抗有明顯的變化。
結論
在前述四種印刷方式使用於被動式之UHF電子標簽印刷時,其成本及製程良率各有不同,所示,雖然凹版及凸版兩項印刷技術之良率較低,但是這二種技術之生產成本及產能卻極具競爭力,而日後導電油墨材料若能有突破時圖的結果將完全會改觀。
另外,噴墨印刷所需成本目前高仍於凹版及凸版兩項印刷技術,但若將設備投資成本排除時,噴墨印刷所使用之導電油墨價格與凹版及凸版使用之導電油墨價格是相近,且低材料損耗、穩定高良率的製程特性,反而使得總體生產成本最低。
由於印刷天線的性能主要取決於導電油墨之導電粒子固形份含量及印刷膜厚等二樣製程參數,且此二項參數可掌控影響製程良率結果的74%,這顯示印刷被動式電子標簽技術良率將深受導電油墨材料特性所影響。

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