RFID標(biāo)簽天線及讀寫器設(shè)計制造

1、1 芯片設(shè)計及制造1.1 芯片設(shè)計技術(shù)按照能量供給方式的不同，RFID標(biāo)簽可以分為被動標(biāo)簽，半主動標(biāo)簽和主動標(biāo)簽，其中半主動標(biāo)簽和主動標(biāo)簽中芯片的能量由電子標(biāo)簽所附的電池提供，主動標(biāo)簽可以主動發(fā)出射頻信號。按照工作頻率的不同，RFID標(biāo)簽可以分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波等不同種類。不同頻段的RFID工作原理不同，LF和HF頻段RFID電子標(biāo)簽一般采用電磁耦合原理，而UHF及微波頻段的RFID一般采用電磁發(fā)射原理。不同頻段標(biāo)簽芯片的基本結(jié)構(gòu)類似，一般都包含射頻前端、模擬前端、數(shù)字基帶和存儲器單元等模塊。其中，射頻前端模塊主要用于對射頻信號進(jìn)行整流和反射調(diào)制；模擬前端模塊

2、主要用于產(chǎn)生芯片內(nèi)所需的基準(zhǔn)電源和系統(tǒng)時鐘，進(jìn)行上電復(fù)位等；數(shù)字基帶模塊主要用于對數(shù)字信號進(jìn)行編碼解編碼以及進(jìn)行防碰撞協(xié)議的處理等；存儲器單元模塊用于信息存儲。目前，發(fā)達(dá)國家在多種頻段都實現(xiàn)了RFID標(biāo)簽芯片的批量生產(chǎn)，模擬前端多采用了低功耗技術(shù)，無源微波RFID標(biāo)簽的工作距離可以超過1米，無源超高頻RFID標(biāo)簽的工作距離可以達(dá)到5米以上，功耗可以做到幾個微瓦，批量成本接近十美分。射頻標(biāo)簽的通信標(biāo)準(zhǔn)是標(biāo)簽芯片設(shè)計的依據(jù)，目前國際上與RFID相關(guān)的通信標(biāo)準(zhǔn)主要有:ISO/IEC 18000標(biāo)準(zhǔn)（包括7個部分，涉及125KHz, 13.56MHz, 433MHz, 860960MHz, 2.45G

3、Hz等頻段），ISO11785（低頻），ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)（13.56MHz），ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)（13.56MHz），EPC標(biāo)準(zhǔn)（包括Class0, Class1和GEN2等三種協(xié)議,涉及HF和UHF兩種頻段）,DSRC標(biāo)準(zhǔn)（歐洲ETC標(biāo)準(zhǔn)，含5.8GHz）。目前電子標(biāo)簽芯片的國際標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)了融合的趨勢，ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為ISO180003標(biāo)準(zhǔn)的一部分，EPC GEN2標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)啟動向ISO180006 Part C標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化。中國在LF和HF頻段RFID標(biāo)簽芯片設(shè)計方面的技術(shù)比較成熟，HF頻段方面的設(shè)計技術(shù)接近國際先進(jìn)水平，已經(jīng)自主開發(fā)出符合ISO

4、14443 Type A、Type B和ISO15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID芯片，并成功地應(yīng)用于交通一卡通和中國二代身份證等項目，與國際主要的差距存在于片上天線與芯片的集成上，目前國內(nèi)還沒有相應(yīng)的產(chǎn)品應(yīng)用。國內(nèi)在UHF和微波頻段的標(biāo)簽芯片設(shè)計方面起步較晚，目前已經(jīng)掌握UHF頻段RFID標(biāo)簽芯片的設(shè)計技術(shù)，部分公司和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)研發(fā)出標(biāo)簽芯片的樣片，但尚未實現(xiàn)量產(chǎn)。國內(nèi)在UHF頻段讀寫器RF芯片和系統(tǒng)芯片（SOC）的設(shè)計方面也具有一定的基礎(chǔ)，但目前產(chǎn)品仍主要依賴于進(jìn)口。在微波頻段（2.45GHz及5.8GHz）,國內(nèi)有部分應(yīng)用在公路不停車收費項目中，相對于國外在這兩個頻段的技術(shù)水平，國內(nèi)的研究還處于起

5、步階段，尚無相應(yīng)產(chǎn)品。與國際先進(jìn)水平相比，中國在RFID芯片設(shè)計方面的主要差距如下：1） 國外在RFID芯片設(shè)計方面起步較早，并申請了許多技術(shù)專利，而國內(nèi)起步相對較晚，尤其在UHF及微波頻段的RFID芯片設(shè)計方面的基礎(chǔ)比較薄弱，取得的自主知識產(chǎn)權(quán)較少；同時，一些目前廣泛采用的RFID標(biāo)準(zhǔn)中包含了國外的技術(shù)要求及專利，在實現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)過程中有可能觸及一些國外已有的技術(shù)及專利；2） 在存儲器方面，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計非揮發(fā)存儲器，使得RFID標(biāo)簽芯片的所有模塊有可能在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下制作完成，以降低生產(chǎn)成本，而國內(nèi)目前仍主要采用傳統(tǒng)的OTP工藝或EEPROM工藝，關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)CMO

6、S工藝下的非揮發(fā)存儲器的研究剛剛開始；3） 在超低功耗模擬電路研究方面，國內(nèi)研究較少，而這方面的設(shè)計將直接影響到芯片的閱讀距離和整體性能；4） RFID標(biāo)簽對成本比較敏感，芯片設(shè)計需要在模擬電路和數(shù)?；旌想娐吩O(shè)計方面具有豐富經(jīng)驗的專業(yè)人才，而國內(nèi)目前從事射頻識別芯片設(shè)計的人才較少，技術(shù)力量相對薄弱。1.2 芯片制造技術(shù)半導(dǎo)體芯片制造工藝有多種類型，根據(jù)器件類型可分CMOS，Bipolar，BICMOS等，根據(jù)材料可分Si，Ge，GaAs工藝等，根據(jù)襯底類型可分體硅工藝、SOI工藝等。RFID應(yīng)用特點是批量大，但成本極其敏感，盡管有廠家利用特殊工藝設(shè)計制造出相應(yīng)產(chǎn)品，但綜合多種因素及國內(nèi)實際情況

7、，基于CMOS制造工藝的工藝技術(shù)比較適合目前應(yīng)用需求的RFID的加工制造。目前國外也主要采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，且普遍采用0.35m以下工藝。  2 天線設(shè)計與制造技術(shù)2.1 天線設(shè)計技術(shù)天線是一種以電磁波形式把無線電收發(fā)機(jī)的射頻信號功率接收或輻射出去的裝置。天線按工作頻段可分為長波、短波、超短波以及微波天線等；按方向性可分為全向天線、定向天線等；按外形可分為線狀天線、面狀天線等。在RFID系統(tǒng)中，天線分為標(biāo)簽天線和讀寫器天線兩種情況，當(dāng)前的RFID系統(tǒng)主要集中在LF、HF (13.56MHz)、UHF和微波頻段。天線的原理和設(shè)計在LF、HF和UHF頻段有根本上的不同。實質(zhì)上

8、，由于在LF和HF頻段系統(tǒng)近場區(qū)并沒有電磁波的傳播，因此天線的問題主要集中在UHF和微波頻段。（1） RFID標(biāo)簽天線設(shè)計天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片，這需要仔細(xì)的設(shè)計天線和自由空間以及其相連的標(biāo)簽芯片的匹配，當(dāng)工作頻率增加到微波區(qū)域的時候，天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴(yán)峻。一直以來，標(biāo)簽天線的開發(fā)基于的是50或者75歐姆輸入阻抗，而在RFID應(yīng)用中，芯片的輸入阻抗可能是任意值，并且很難在工作狀態(tài)下準(zhǔn)確測試，缺少準(zhǔn)確的參數(shù)，天線的設(shè)計難以達(dá)到最佳。相應(yīng)的小尺寸以及低成本等要求也對天線的設(shè)計帶來挑戰(zhàn)，天線的設(shè)計面臨許多難題。標(biāo)簽天線特性受所標(biāo)識物體的形狀及物理特性影響，標(biāo)簽到貼

9、標(biāo)簽物體的距離，貼標(biāo)簽物體的介電常數(shù)，金屬表面的反射，局部結(jié)構(gòu)對輻射模式的影響等都將影響天線的性能。在國內(nèi)，有近百家的天線公司或工廠。這些天線廠家主要的產(chǎn)品是基本上傳統(tǒng)的衛(wèi)星接收天線、電視接收天線、車載天線，蜂窩基站天線等等，相對于從事RFID天線設(shè)計的單位很少，基礎(chǔ)比較薄弱。國內(nèi)LF和HF的RFID系統(tǒng)的天線設(shè)計比較成熟。對于特定環(huán)境應(yīng)用的UHF頻段RFID天線的設(shè)計和應(yīng)用比較成熟，比如應(yīng)用于鐵路運輸上的電子車號自動識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)中閱讀器天線為安裝在地面的微帶天線，并且?guī)в泻軋怨痰姆雷o(hù)外殼。標(biāo)簽體積較大并且封裝在塑料殼中，標(biāo)簽天線可靠性高、加工工藝成熟但是成本高。在讀寫器和標(biāo)簽位置、方向不

10、固定、或者周圍電磁影響嚴(yán)重的一些系統(tǒng)中存在識別準(zhǔn)確率不高，測試一致性不理想的問題。國外已經(jīng)研制出一種在RFID芯片上嵌入天線的方法，常規(guī)RFID芯片需要用一個外部天線來實現(xiàn)它們與外部讀取器的通信，而微芯片的片載天線使它能夠接收來自讀寫器的無線信號并將ID號回送。因此這種芯片無需任何外部器件即可自行進(jìn)行工作。目前國內(nèi)關(guān)于片上天線的研究基本處于空白狀態(tài)。國外致力于覆蓋各種頻率的復(fù)合天線設(shè)計，基于研究可以用來紡織復(fù)合天線、電源和數(shù)據(jù)總線的未來服裝所需要的新型材料，促進(jìn)電子標(biāo)簽在服裝上的使用。國外廠商都在研制和生產(chǎn)低成本的電子標(biāo)簽天線和標(biāo)簽產(chǎn)品，用以滿足產(chǎn)品商品標(biāo)志等方面的需要。國外注重標(biāo)簽天線知識產(chǎn)

11、權(quán)保護(hù)，許多標(biāo)簽天線都申請專利保護(hù)。在特殊的使用要求下，標(biāo)簽天線仍然需要有很高的可靠性。國內(nèi)在UHF和微波頻段的標(biāo)簽天線的形式、體積、成本方面和國外技術(shù)存在一定的差距（2）RFID讀寫器天線設(shè)計對于近距離13.56MHzRFID應(yīng)用(< 10cm)，比如門禁系統(tǒng)，天線一般和讀寫器集成在一起，對于遠(yuǎn)距離13.56MHz( 10cm1m)或者UHF頻段(< 3m) 的RFID系統(tǒng)，天線和讀寫器采取分離式結(jié)構(gòu)，并通過阻抗匹配的同軸電纜連接到一起。讀寫器由于結(jié)構(gòu)、安裝和使用環(huán)境等變化多樣，并且讀寫器產(chǎn)品朝著小型化甚至超小型化發(fā)展，天線設(shè)計面臨新的挑戰(zhàn)。讀寫器天線設(shè)計要求低剖面、小型化以及多

12、頻段覆蓋。對于分離式讀寫器，還將涉及到天線陣的設(shè)計問題。它還涉及到小型化的問題帶來的低效率、低增益問題，這同樣是國內(nèi)國外共同關(guān)注的研究課題。國外已經(jīng)開始研究讀寫器應(yīng)用的智能波束掃描天線陣，讀寫器可以按照一定的處理順序，"智能"的打開和關(guān)閉不同的天線，使系統(tǒng)能夠感知不同天線覆蓋區(qū)域的標(biāo)簽，增大系統(tǒng)覆蓋范圍。2. 2 天線制造技術(shù)目前，有三種天線制造技術(shù)：蝕刻/沖壓天線（etched/punched antenna）、印刷天線（printed antenna）和繞線式天線。在國際上，目前一般都采用蝕刻/沖壓天線為主，其材料一般為鋁或者銅，因為其能提供最大可能的信號給標(biāo)簽上的芯片

13、，并且在標(biāo)簽的方向性和天線的極化等特性上都能與讀卡機(jī)的詢問信號相匹配，同時在天線的阻抗，應(yīng)用到物品上的RF的性能，以及在有其他的物品圍繞貼標(biāo)簽物品時的RF性能等方面都有很好的表現(xiàn)，但是它唯一的缺點就是成本太高。導(dǎo)電油墨從只用絲網(wǎng)印刷擴(kuò)展到膠印、柔性版印刷、凹印，其技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了RFID標(biāo)簽的生產(chǎn)和使用?，F(xiàn)在隨著新型導(dǎo)電油墨的不斷開發(fā)，印刷天線的優(yōu)勢越來越突出。導(dǎo)電油墨是由細(xì)微導(dǎo)電粒子或其他特殊材料(如導(dǎo)電的聚合物等)組成，印刷到承印物上后，起到導(dǎo)線、天線和電阻的作用。這種油墨印刷在柔性或硬質(zhì)承印物上可制成印刷電路，用導(dǎo)電油墨印制的天線可接收RFID專用的無線電信號。其優(yōu)勢表現(xiàn)在導(dǎo)電效果出色

14、和成本降低。在頻率較低的標(biāo)簽中，通常采用線圈天線形式；頻率較高的標(biāo)簽通常為印刷貼片天線形式。其印刷工藝是在紙板、聚脂、聚苯乙烯等材料上用金屬、聚合物等導(dǎo)電墨水（主要成分為銀和鋁等金屬）印刷出天線圖形，印刷貼片天線技術(shù)在國外已經(jīng)成功應(yīng)用，但是國內(nèi)由于設(shè)備價格昂貴很少引進(jìn)。即便在國外，印刷技術(shù)的印刷分辨率、套準(zhǔn)精度、必要的隔離層和干凈的印刷環(huán)境上還有待實質(zhì)性的改善和提高。我國具備一定的利用導(dǎo)電油墨(如導(dǎo)電銀漿)進(jìn)行天線的加工的能力，但是印刷分辨率、套準(zhǔn)精度、必要的隔離層和干凈的印刷環(huán)境上還有待實質(zhì)性的改善和提高。2.3 標(biāo)簽封裝技術(shù)2.3.1 封裝方法印刷天線與芯片的互連上，因RFID標(biāo)簽的工作頻

15、率高、芯片微小超薄，最適宜的方法是倒裝芯片（Flip Chip）技術(shù)，它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特點，為適應(yīng)柔性基板材料，倒裝的鍵合材料要以導(dǎo)電膠來實現(xiàn)芯片與天線焊盤的互連。柔性基板要實現(xiàn)大批量低成本的生產(chǎn)，以及為了更有效地降低生產(chǎn)成本，采用新的方法進(jìn)行天線與芯片的互連是目前國際國內(nèi)研究的熱點問題。為了適應(yīng)更小尺寸的RFID芯片，有效地降低生產(chǎn)成本，采用芯片與天線基板的鍵合封裝分為兩個模塊分別完成是目前發(fā)展的趨勢。其中一具體做法（中國專利）是：大尺寸的天線基板和連接芯片的小塊基板分別制造，在小塊基板上完成芯片貼裝和互連后，再與大尺寸天線基板通過大焊盤的粘連完成電路導(dǎo)通。與上述將封

16、裝過程分兩個模塊類似的方法是將芯片先轉(zhuǎn)移至可等間距承載芯片的載帶上，再將載帶上的芯片倒裝貼在天線基板。該方法中，芯片的倒裝是靠載帶翻卷的方式來實現(xiàn)的，簡化了芯片的拾取操作，因而可實現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率。特別是目前正在研究發(fā)展中的流體自裝配（FSA）、振動裝配（Vibratory assembly）等技術(shù)，理論上可以實現(xiàn)微小芯片至載帶的批量轉(zhuǎn)移，極大地提高芯片與天線的封裝效率。 2.3.2 封裝關(guān)鍵工藝RFID標(biāo)簽因不同的用途呈現(xiàn)多種封裝形式，因而在天線制造、凸點形成、芯片鍵合互連等封裝過程工藝也呈多樣性。（1）凸點的形成目前RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的特點是品種繁多，但并非每個品種的數(shù)量能形成規(guī)模。因此，采

17、用柔性化制作凸點技術(shù)具有成本低廉，封裝效率高，使用方便，靈活，工藝控制簡單，自動化程度高等特點。不僅可解決微電子工業(yè)中可變加工批量、高密度、低成本封裝急需的難題，還為目前正蓬勃興起的RFID標(biāo)簽的柔性化生產(chǎn)提供條件。（2）RFID芯片互連方法RFID標(biāo)簽制造的主要目標(biāo)之一是降低成本。為此，應(yīng)盡可能減少工序，選擇低成本材料，減少工藝時間。從材料成本角度，應(yīng)優(yōu)先考慮NCA互連，且可以同點膠凸點相配合實現(xiàn)低成本制造。采取ACA互連在技術(shù)上是成熟的，但其缺點在于目前市場上的ACA材料價格仍然較為昂貴，而且都是針對細(xì)間距、高密度、高I/O數(shù)互連而研制的。如果能夠自制出成本低廉的滿足RFID互連的導(dǎo)電膠，

18、ACA互連也能夠成為低成本的選擇。ICA互連的缺點在于工藝步驟相對較多，固化時間相對較長。2.3.3 RFID標(biāo)簽關(guān)鍵封裝設(shè)備RFID封裝設(shè)備由一系列工藝裝備組成的自動化生產(chǎn)線，各工藝環(huán)節(jié)相對獨立，同時又相互制約，要實現(xiàn)高效率的生產(chǎn)，必須綜合考慮各個工藝環(huán)節(jié)的要求；從技術(shù)的角度，它是集光、機(jī)、電、氣、液于一體的高精技術(shù)裝備，涉及時間、壓力、溫度等多物理場的各種物理現(xiàn)象，需要解決速度、精度、效率、質(zhì)量、可靠性、成本等多方面的因素的影響。開發(fā)高性能低成本的RFID制造裝備一直是業(yè)界關(guān)注的焦點問題。目前RFID產(chǎn)品的封裝設(shè)備只有國外一些廠商提供，柔性基板的標(biāo)簽均選用從卷到卷的生產(chǎn)方式，該生產(chǎn)線包括基

19、板進(jìn)料、上膠、芯片翻轉(zhuǎn)貼裝（倒裝）、熱壓固化、測試、基板收料等工藝流程。另一種生產(chǎn)方式為先制造RFID模塊，然后將其與天線基板進(jìn)行鍵合組裝。該方法由獨立的可精密定位的芯片轉(zhuǎn)移設(shè)備將芯片置于載帶構(gòu)成芯片模塊，再由芯片模塊將芯片轉(zhuǎn)移至天線基板，其優(yōu)點是兩次轉(zhuǎn)移可獨立并行執(zhí)行，芯片翻轉(zhuǎn)通過載帶的盤卷方式實現(xiàn)，因而生產(chǎn)效率得以提高。RFID封裝設(shè)備的核心內(nèi)容是如何在多物理因素作用下，使鍵合機(jī)及相關(guān)工藝受控完成高質(zhì)量的接合界面。通常涉及幾方面的關(guān)鍵技術(shù)：多自由度柔性、靈活的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，基于視覺信息引導(dǎo)的識別與定位，膠固化及滴膠過程的時間、溫度和壓力控制，不同工藝單元技術(shù)的集成。國內(nèi)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的倒裝封

20、裝設(shè)備幾乎是空白，而國外廠商設(shè)備價格非常昂貴，一般需要上百萬美元。如果直接購買進(jìn)口設(shè)備，勢必大大增加生產(chǎn)成本。特別需要指出的是目前RFID封裝設(shè)備的技術(shù)工藝還在不斷的發(fā)展中，現(xiàn)有的國外制造裝備的技術(shù)水平依然無法滿足人們對RFID產(chǎn)品低成本制造的要求。目前國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)正在從事電子制造裝備與技術(shù)的研發(fā)工作，并在RFID制造相關(guān)技術(shù)取得了突破。充分利用國內(nèi)現(xiàn)有的基礎(chǔ)以及RFID發(fā)展的契機(jī)，鼓勵發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的RFID封裝設(shè)備對實現(xiàn)RFID的低成本和電子制造裝備產(chǎn)業(yè)都是非常有意義的。3 RFID讀寫器設(shè)計與制造RFID讀寫器的任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對標(biāo)簽的對象標(biāo)識信息進(jìn)行解碼，將對象標(biāo)識信息連帶標(biāo)簽上其它相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。根據(jù)應(yīng)用不同，閱讀器可以是手持式或固定式。讀寫器在RFID系統(tǒng)中起到舉足輕重的作用，首先讀寫器的頻率決定了RFID系統(tǒng)的工作頻段；其次，讀寫器